Спектральные характеристики шума морских насосных агрегатов, наведенных различными источниками возбуждения

Jul 12, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 8678 (2022) Цитировать эту статью

673 Доступа

1 Цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Для исследования спектральных характеристик шумов морских насосных агрегатов, наводимых различными источниками возбуждения, создана вычислительная аэроакустическая (КАА) модель внутреннего и внешнего полевого шума морского насоса. Методом связанных акустико-вибраций получены спектральные характеристики внутреннего и внешнего полевого шума. Точность и осуществимость метода моделирования для прогнозирования шума были подтверждены в ходе испытаний на шум. Из-за различных сред во внутренних и внешних полях морского насоса была создана акустическая модель внешнего поля на основе технологии автоматически согласованного слоя (AML). Проанализированы спектральные характеристики различных источников возбуждения и пространственное распределение излучаемого звукового поля, выявлен вклад различных источников возбуждения во внутреннее и внешнее звуковое поле. Результаты показывают, что основная частота шума внутреннего поля, генерируемого различными возбуждениями, находится на частоте прохождения лопатки, а шум внутреннего поля, индуцированный дипольными акустическими возбуждениями, доминирует на уровне 180,6 дБ. Для шума внешнего поля основная частота по-прежнему находится на частоте прохождения лопатки. Радиационный шум, вызванный жидкостным возбуждением (139,2 дБ), выше, чем шум, вызванный дипольными возбуждениями (поверхностный диполь - 136,3 дБ; вращающийся диполь - 137,3 дБ).

Морские центробежные насосы являются важным вспомогательным оборудованием на судах и играют жизненно важную роль в регулярной эксплуатации судов. Судовые насосы во время работы издают громкий шум, а механизм генерации шума сложен. Уровень шума морских насосов имеет решающее значение, особенно для военных судов. Вибрация и шум неразделимы во время работы насоса. Вибрация порождает шум, а шум также влияет на вибрацию. Существует множество источников шума насосных агрегатов, и наиболее распространенным источником является шум, вызванный вибрацией насосных агрегатов, то есть структурный вибрационный шум. Шум, создаваемый потоком жидкости, называется гидродинамическим шумом1,2,3,4, который вносит больший вклад в шум насосных агрегатов, причем механизм его возникновения также сложен.

Концепция гидродинамического шума изначально была разработана на основе теории акустической аналогии Лайтхилла5. Впоследствии Уильямс и Хокингс6 применили основное уравнение к граничной задаче движения твердого тела и предложили знаменитое уравнение ФВ-Х, позволяющее разделить источники гидродинамического шума на монопольные, дипольные и квадрупольные источники звука. Для простоты понимания ученые разделили шум на широкополосный шум и дискретный шум, а именно, однотональный шум7. Среди шума насоса, вызванного потоком, шум монопольного источника вызван эффектом объемного сжатия кавитации насоса и представляет собой дискретный шум. Источник диполя в основном вызван нестационарной флуктуирующей силой жидкости, действующей на поверхность конструкции, которая включает в себя широкополосный шум и дискретный шум. Квадрупольный источник вызван турбулентностью, создаваемой высокоскоростным потоком жидкости, которая классифицируется как широкополосный шум8.

Донг и др.9 исследовали пульсацию давления и характеристики радиальной силы в процессе нестационарного течения на разных стадиях кавитации посредством испытаний. Хоу10,11 отметил, что основным источником звука вращающихся машин является дипольный источник звука, вызванный нестационарной силой, и предположил, что сначала можно решить поле потока, а затем дальнейшее решение звукового поля в соответствии с полученными результатами поля потока. Чжоу и др.12 предположили, что источники гидродинамического шума одинаковы, когда числа Рейнольдса в жидкости одинаковы. Основными акустическими расчетами внутренних и внешних полей насосов являются метод граничных элементов (МГЭ) и метод конечных элементов (МКЭ). Си и др.13 использовали прямой метод БЭМ для расчета звукового поля в центробежном насосе и обнаружили, что частота прохождения лопастей и множитель являются характеристическими частотами шума, вызванного жидкостью. Цай и др.14 и Ю и др.15 также использовали этот метод для расчета внутреннего шума погружных канализационных насосов и вихревых самовсасывающих насосов. Аллен16 предложил объединенный метод FEM/BEM для расчета шума, излучаемого структурой пограничного слоя, используя колебательное давление на стенку для определения возбуждения в акустической системе конструкции. Варшавский и др.17 использовали FEM/BEM для изучения характеристик распространения акустических волн, генерируемых взаимодействиями жидкости и конструкции. Хан и др.18 выполнили расчет акусто-вибрационной связи для конструкции конусной оболочки с помощью FEM/BEM, получили уровень звукового давления в точке измерения и подтвердили точность результатов расчета посредством экспериментов. Лю и др.19 исследовали влияние угла выхода лопатки и ее ширины на шум центробежного насоса, создаваемый жидкостью, с помощью прямого метода БЭМ. Дай и др.20 также рассчитали шум внешнего поля центробежного насоса с помощью связанной акустической вибрации.