4  实验研究及结果分析
  在水管路实验台架中，如图4所示，采用平齐式 安装压力传感器的方法，在阀门的上游与下游分别 大时.蝶阀下游出现大范围的回流区控制着流场结安装压力传感器，在不同的流量下，测量蝶阀、闸阀和球阀三种类型的阀门噪声，得到阀门上下游 的压力信号频谱图。为了避免管路上其它附件的影 响，测量阀门噪声时，将阀门装在管路的中央，在泵 端和出口端安装了两台水管路消声器，以衰减流噪 声的传递干扰。

         图1蝶阀模型及蝶阀附近流速矢量图

图2  闸阀模型及闸阀附近流速矢量图

图3 球阀模型及球阀附近流速矢量图

图4  水管路实验台架

阀门上下游的流噪声信号频谱图如下所示:

图５ 蝶阀上、下游测点噪声频谱图

流量 Q 80m3/s 流量Q50m3/s
图6  闸阀上、下游测点噪声频谱图

图7  球阀上、下游测点噪声频谱图

  测试结果表明, 从阀门开度看, 阀门全开时, 上游噪声大于下游噪声3 ～ 5 dB ;随着开度的减小, 下游噪声逐渐大于上游噪声。阀门前后噪声随着阀门
开度的减小, 噪声在阀门上下游都有增加的趋势, 下游噪声增加的更大。从上下游流噪声声压级差值看, 上下游差值不大, 只有几dB 。但随着阀门开度的减少, 流量为50m3/h 和流量为8050m3/h 相比,闸阀上游流噪声增加了23 .6 dB , 下游流噪声增加了31 .5 dB ;蝶阀上游流噪声增加了19 .6 dB , 下游流噪声增加了27 .7 dB ;球阀上游来, 即在某一角度出现声透射陷落现象。
  流噪声增加了26 .3dB , 下游流噪声增加了31 .4dB 。可见阀门噪声对管路噪声影响很大。
  由动态仿真的阀门附近的流场图可以看到, 流体流经阀门时, 下游出现了大小不同的涡。在流速较低的情况下, 不考虑质量源和体积源, 只考虑流动发声时, 根据Powell 方程, 得到流动激声的波动方程[5]

  式中p′———压力波, ω———涡量, u ———流体质点的速度
  由涡声理论可知, 阀后出现的漩涡是阀门流噪声的主要声源之一。在流速较低时, 公式(8)右侧得ω×u 是产生流噪声的源, 其涡量越大, 源强越强,产生的噪声越大。试验时, 当阀门全开时, 没有涡产生, 流噪声沿管路衰减, 上游噪声大于下游。当阀门开度减小, 在阀门产生涡, 随着阀门开度的不断减小, 涡的尺度增大, 涡量变大噪声增加。由阀门流场仿真图和涡声理论, 可以看出涡声对阀门噪声有重要的贡献。
 

2 .2  多层钢板的声学特性
  由两层钢板与水和空气组成的多层结构中, 我们取薄板h =0.003m , 厚板h =0.03m , 中间水层h=0.3m。由于没有声能损耗, 并且最后的钢一空气界面又极大地阻止了声的透射, 所以绝大部分声能被反射, 反射系数接近于1 , 如图5(a)所示, 该双层弹性系统, 由于中间有较厚的水层, 声波在其中出现明显的谐振现象(图5(b)), 试着改变水层的厚度发现, 水层越厚, 共振峰越密(图略)。
 

2 .3  覆盖消声橡胶后多层结构的声学特性
  图6 是覆盖消声橡胶层(h =0 .1m)后多层结构的反射系数的计算结果, 可以看出, 覆盖橡胶阻尼层后, 系统反射系数明显减小, 频率越高, 入射角越小,则反射系数越小;衰减速率主要与橡胶吸声特性及厚度有关, 阻尼系数越大, 其声衰减越快, 同时随着橡胶厚度的增加, 声波的谐振峰变密。
  在前钢板与水层之间增加一个同样的消声橡胶层之后, 反射系数有比较明显的降低(图6(b)), 若将其加覆在后钢板与水层之间, 其消声效果一样。若在后钢板与空气层间加覆橡胶层, 反射系数变化不大, 效果不明显, 这主要是由于钢板的声阻抗比橡胶层和空气层的声阻抗都大的多, 声音在钢板与橡胶的分界面上反射较大, 与直接入射到空气中的效果差不多。
 

2 .4  多层消声结构的声反向入射特性
  为了分析多层消声结构对船舱室内噪声的隔声效果, 本文还研究了声音从空气层入射时多层结构的声学特性。由透射结果图7 可以看出, 透射系数存在频率谐振现象, 且透射系数值很小。由此可以看出, 经多层结构后, 舱室噪声只有极少的被透射出去, 这主要是由于钢板的阻抗远大于空气阻抗, 造成绝大部分声能被反射。去除外层钢板的橡胶层后,发现透射系数并没有明显的变化, 这说明覆盖橡胶层对阻隔室内噪声没有很大的作用, 当然这里只分析了橡胶层对纯噪声传播的作用, 其对船体振动而向外辐射的噪声的衰减效果还须进一步研究。
 

3  结 语
  本文利用传递矩阵法对水和空气中多层结构的声学特性进行了研究, 结果表明:分隔水层的薄钢板存在明显的声透射陷落角;对于两层钢板间存在水层的多层结构, 系统的声特性具有明显的谐振现象;增加消声橡胶层后, 反射系数和透射系数都随频率的升高而减小, 频率越高, 消声层抑制谐振的能力越强;合理增加消声层的数量或厚度, 可以提高消声效果。