一种通海管路系统声学传递特性关系获取方法与流程

1.本发明涉及潜艇通海系统声学设计领域，具体涉及一种通海管路系统声学传递特性关系获取方法。


背景技术：

2.潜艇通海系统泵组流噪声，尤其是叶频线谱噪声会沿着通海管路通过管道内部流体介质传播，并在通海口向外辐射，产生突出的线谱辐射噪声，这是影响总体声隐身性能的关键因素。通常情况下，对于通海系统噪声，辐射噪声能量主要集中于“5hz～1000hz”频段，泵组叶频通海不大于500hz。因此，在通海系统早起的方案初步设计阶段就需要初步开展5hz～1000hz频段的管口辐射噪声评估工作，为通海系统管路配置的声学优化设计提供技术支撑，以便在多种配置方案中优选对噪声控制最优的方案。
3.传统技术上，通海系统管口辐射噪声评估方法以平面波的管路传播为基础，给出了第一阶临界频率(通常小于150hz)的计算公式以及5hz～临界频率频段的辐射噪声估算公式。然而，对于第一阶临界频率以上频段，则直接采用了第一阶临界频率以下频段的最小值，无法满足实船通海线谱噪声估算的准确性要求。采用声学有限元的方法也能够准确计算全频段的管路系统声学传递特性曲线，但是受限于有限元模型对管路系统三维几何的严重依赖性，有限元方法并不适用于开展多种管径、长度等管路系统声学参数优化设计。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种通海管路系统声学传递关系获取方法。
5.本发明采用的技术方案为：一种通海管路系统声学传递特性关系获取方法，该方法包括如下步骤：
6.步骤一、获取频率范围为5hz～第一阶临界频率的频段管路系统的声学传递特性关系式，绘制关系曲线，并取曲线上的第一峰值点；
7.步骤二、确定各高阶临界频率，计算并获取管路系统声学传递特性关系曲线中峰值点的幅值a与频率f的关系式；
8.步骤三、绘制峰值点的幅值与频率的关系曲线，并在该曲线上确定各频段的峰值点，计算对应峰值点频段的声学传递特性关系式。
9.按上述方案，在步骤一中，采用声压级差值与频率的关系，来表征管路系统的声学传递特性关系。
10.按上述方案，在步骤一中，5hz～第一临界频率频段内声学传递特性满足以下关系式：
[0011][0012]
其中：
[0013][0014][0015][0016][0017][0018]
以上各式中，5hz≤f《f
1st
；tl
total
为总传递损失，单位为db；d为管路直径，单位为m；e为自然对数的底数，为常数2.71828；无单位；α、β、z是为了简化计算公式而引入的过程参数，无单位；f为频率，单位为hz；l为管路长度，m；c为管路水声声速，m/s；h为管壁厚度，m；e为管道材料弹性模量，mpa；f
1st
为管路系统第一阶临界频率，单位为hz。
[0019]
按上述方案，在步骤二中，各高阶临界频率是第一阶临界频率的整数倍，即：5hz～1000hz频段管路系统总传递损失曲线的各阶临界频率为分别为f
1st
、2f
1st
、
…
nf
1st
。
[0020]
按上述方案，在步骤二中，声学传递特性关系曲线中峰值点的幅值a与频率f之间的函数关系式为：
[0021][0022]
式中，a0为幅值辅助计算系数，计算公式如下：
[0023][0024]
按上述方案，步骤三的具体方法为：
[0025]
以第一个峰值点的幅值为参考，对5hz～第一阶临界频率频段声学传递特性关系曲线进行峰值点归一化处理，见下式：
[0026][0027]
上式中，a1表示第一峰值点的幅值，单位为db；
[0028]
相应地，对于(i-1)f
1st
～if
1st
频段，其中i》1，以该频段内的中心频率为对称轴线，计算该频段峰值点归一化的声学传递特性数据，计算公式如下：
[0029][0030][0031]
以上两式中，tl
dimensionless
(f)是无量纲的传递损失，无单位；χ为引入的过程参数，单位为hz；
[0032]
(i-1)f
1st
～if
1st
频段声学传递特性关系曲线中峰值点的幅值ai为：
[0033][0034]
则，(i-1)f
1st
～if
1st
频段管路系统声学传递特性关系满足以下关系式：
[0035][0036]
公式中，(i-1)f
1st
≤f《if
1st
，i》1；tli(f)是第i个频率区间(i-1)f
1st
～if
1st
上的传递损失，，单位为db。
[0037]
本发明的有益效果为：本发明在传统方法的基础上，给出了通海管路系统声学传递特性曲线峰值点-频率关系，提出了一种通海管路系统声学传递特性关系获取方法，可用于通海系统初步方案设计阶段5hz～1000hz频段的系统管路声学传递特性的评估，与传统方法相比，拓宽了频率适用范围，且保持了参数化计算的优点；相对有限元方法，更加适合通海系统多参数优化设计，能够为通海系统声学优化设计提供技术支持。
附图说明
[0038]
图1为本实施例中5hz～第1阶临界频率频段声学传递特性关系(也即总传递损失与频率的关系曲线)及第1峰值点示意图。
[0039]
图2为本实施例中各阶临界频率及峰值点示意图。
[0040]
图3为本实施例中5hz～1000hz频段总传递损失曲线。
[0041]
图4为本实施例中计算获得的关系曲线与仿真获得曲线的对比示意图。
具体实施方式
[0042]
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
[0043]
一种通海管路系统声学传递特性关系获取方法，该方法包括如下步骤：
[0044]
步骤一、获取频率范围为5hz～第一阶临界频率的频段声学传递特性关系式，绘制关系曲线，并取曲线上的第一峰值点：低频段也即频率f为5hz～f
1st
，f
1st
为第一阶临界频率。
[0045]
在传统的管路系统声学传递损失和管口辐射阻抗评估方法的基础上，计算声源声压级与管口辐射噪声声压级，采用声压级差值(声源声压级与管口辐射噪声声压级之间的
差值，也即总传递损失)与频率的关系，来表征管路系统的声学传递特性。5hz～第一临界频率频段内声学传递特性满足以下关系式：
[0046][0047]
其中：
[0048][0049][0050][0051][0052][0053]
以上各式中，5hz≤f《f
1st
；tl
total
为总传递损失，单位为db；d为管路直径，单位为m；e为自然对数的底数，为常数2.71828；无单位；α、β、z是为了简化计算公式而引入的过程参数，无单位；f为频率，单位为hz；l为管路长度，m；c为管路水声声速，m/s；h为管壁厚度，m；e为管道材料弹性模量，mpa；f
1st
为管路系统第一阶临界频率，单位为hz。
[0054]
对于5hz～第一阶临界频率频段声学传递特性关系曲线，峰值点在5hz处取得，详见图1所示。
[0055]
步骤二、确定各阶临界频率，计算并获取声学传递特性关系曲线中峰值点的幅值a与频率f的关系式。
[0056]
采用有限元计算发现，在第一阶临界频率以上，还存在第二、三
……
n阶临界频率，且各高阶临界频率是第一阶临界频率的整数倍，即：5hz～1000hz频段管路系统总传递损失曲线的各阶临界频率为分别为f
1st
、2f
1st
、
…
nf
1st
(f
1st
、2f
1st
、
…
nf
1st
分别表示第一阶临界频率、第二阶临界频率
…
第n阶临界频率)，相邻临界频率之间的频率区域上的声学传递特性关系曲线上存在峰值点。通过有限元计算结果的数值拟合，获得声学传递特性关系曲线中峰值点的幅值a与频率f之间的函数关系式为：
[0057][0058]
式中，a0为幅值辅助计算系数，计算公式如下：
[0059][0060]
步骤三、绘制峰值点的幅值a与频率f的关系曲线，并在该曲线上确定各频段的峰
值点，计算对应峰值点频段的声学传递特性关系式。
[0061]
该步骤的具体方法为：归一化处理，获得传递损失随频率的变化规律。以第一个峰值点的幅值为参考，详见附图1，对5hz～第一阶临界频率频段声学传递特性关系曲线进行峰值点归一化处理，见下式：
[0062][0063]
上式中，a1表示第一峰值点的幅值，单位为db。
[0064]
相应地，对于(i-1)f
1st
～if
1st
频段，其中i》1，以该频段内的中心频率为对称轴线，计算该频段峰值点归一化的声学传递特性数据，计算公式如下：
[0065][0066][0067]
以上两式中，tl
dimensionless
(f)是无量纲的传递损失，无单位；χ是为了简化计算公式而引入的过程参数，单位为hz；
[0068]
根据峰值点的幅值与频率之间的函数关系，明确(i-1)f
1st
～if
1st
频段声学传递特性关系曲线中峰值点的幅值ai为：
[0069][0070]
那么，(i-1)f
1st
～if
1st
频段管路系统声学传递特性关系满足以下关系式：
[0071][0072]
公式中，(i-1)f
1st
≤f《if
1st
，i》1；tli(f)是第i个频率区间(i-1)f
1st
～if
1st
上的传递损失，单位为db。
[0073]
最后，可通过模拟仿真进行验证。本发明可用于通海系统初步方案设计阶段5hz～1000hz频段的系统管路声学传递特性的评估。
[0074]
本实施例中，对于某水冷系统长度为4.3m的进口管路，其声学传递特性关系获取方法具体如下：
[0075]
首先，计算第1阶临界频率及5hz～第1阶临界频率频段的声学传递特性曲线，给出曲线第一峰值点，见附图1所示；
[0076]
其次，分别确定第2、3
……
阶临界频率，给出声学传递特性峰值点的幅值与频率的
关系曲线，并在该曲线上标记第2、3
……
n个峰值点，以确定每个峰值点的幅值，见附图2所示。
[0077]
最后，根据各峰值点，计算对应峰值点间频段的声学传递特性关系曲线，见附图3所示。与仿真结果对比见附图4所示，最大峰值点偏差约2.5db，相对偏差仅3.9％；第1阶临界频率偏差1hz，相对偏差仅0.72％。
[0078]
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应局限于该实施例和附图所公开的内容。所有凡是不脱离本发明所公开的原理下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

技术特征：
1.一种通海管路系统声学传递特性关系获取方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一、获取频率范围为5hz～第一阶临界频率的频段管路系统的声学传递特性关系式，绘制关系曲线，并取曲线上的第一峰值点；步骤二、确定各高阶临界频率，计算并获取管路系统声学传递特性关系曲线中峰值点的幅值a与频率f的关系式；步骤三、绘制峰值点的幅值与频率的关系曲线，并在该曲线上确定各频段的峰值点，计算对应峰值点频段的声学传递特性关系式。2.如权利要求1所述的通海管路系统声学传递特性关系获取方法，其特征在于，在步骤一中，采用声压级差值与频率的关系，来表征管路系统的声学传递特性关系。3.如权利要求1所述的通海管路系统声学传递特性关系获取方法，其特征在于，在步骤一中，5hz～第一临界频率频段内声学传递特性满足以下关系式：其中：其中：其中：其中：其中：以上各式中，5hz≤f<f
1st
；tl
total
为总传递损失，单位为db；d为管路直径，单位为m；e为自然对数的底数，为常数2.71828；无单位；α、β、z均为引入的过程参数，无单位；f为频率，单位为hz；l为管路长度，m；c为管路水声声速，m/s；h为管壁厚度，m；e为管道材料弹性模量，mpa；f
1st
为管路系统第一阶临界频率，单位为hz。4.如权利要求1所述的通海管路系统声学传递特性关系获取方法，其特征在于，在步骤二中，各高阶临界频率是第一阶临界频率的整数倍，即：5hz～1000hz频段管路系统总传递损失曲线的各阶临界频率为分别为f
1st
、2f
1st
、
…
nf
1st
。5.如权利要求1所述的通海管路系统声学传递特性关系获取方法，其特征在于，在步骤二中，声学传递特性关系曲线中峰值点的幅值a与频率f之间的函数关系式为：式中，a0为幅值辅助计算系数，计算公式如下：
6.如权利要求1所述的通海管路系统声学传递特性关系获取方法，其特征在于，步骤三的具体方法为：以第一个峰值点的幅值为参考，对5hz～第一阶临界频率频段声学传递特性关系曲线进行峰值点归一化处理，见下式：上式中，a1表示第一峰值点的幅值，单位为db；相应地，对于(i-1)f
1st
～if
1st
频段，其中i>1，以该频段内的中心频率为对称轴线，计算该频段峰值点归一化的声学传递特性数据，计算公式如下：该频段峰值点归一化的声学传递特性数据，计算公式如下：以上两式中，tl
dimensionless
(f)为无量纲的传递损失，无单位；χ为引入的过程参数，单位为hz；(i-1)f
1st
～if
1st
频段声学传递特性关系曲线中峰值点的幅值a
i
为：则，(i-1)f
1st
～if
1st
频段管路系统声学传递特性关系满足以下关系式：公式中，(i-1)f
1st
≤f<if
1st
，i>1；tl
i
(f)为第i个频率区间(i-1)f
1st
～if
1st
上的传递损失，单位为db。

技术总结
本发明公开了一种通海管路系统声学传递特性关系获取方法，该方法包括：获取频率范围为5Hz～第一阶临界频率的频段管路系统的声学传递特性关系式，绘制关系曲线，并取曲线上的第一峰值点；确定各高阶临界频率，计算并获取管路系统声学传递特性关系曲线中峰值点的幅值A与频率f的关系式；绘制峰值点的幅值与频率的关系曲线，并在该曲线上确定各频段的峰值点，计算对应峰值点频段的声学传递特性关系式。本发明的有益效果为：本发明在传统方法的基础上，给出了通海管路系统声学传递特性曲线峰值点-频率关系，提出了一种通海管路系统声学传递特性关系获取方法，可用于通海系统初步方案设计阶段5Hz～1000Hz频段的系统管路声学传递特性的评估。传递特性的评估。传递特性的评估。


技术研发人员：仲继泽 邱昌林 魏鹏 陈乐佳 孙启滨
受保护的技术使用者：中国舰船研究设计中心
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/8/14