充水管路振动噪声特性的统计能量的研究
【摘要】在充水管路系统发展的过程中，其振动和噪声的产生与传播一直是人们重点关注的问题，本文以船舶冷却水管路为研究对象，采用统计能量法对充水管路振动噪声特性进行分析，简单介绍了充水管路系统噪声和统计能量分析法的相关概述，对充水管路系统中振动噪声产生的原因进行分析，并了解对充水管路系统振动噪声进行控制手段，明确统计能量分析法在充水管路振动噪声特性研究中的重要作用。
【关键词】充水管路噪声；振动噪声特性；统计能量
前言
随着科学技术的不断完善，船舶领域中的声纳设备受到了高度的关注，为潜艇在水中的顺利航行提供了很大的便利。近几年来，对于潜艇的“减振降噪”工作的研究越来越广泛，实现潜艇的“减振降噪”不仅能够避免振动噪声给船员身体健康造成的影响，还能够提高船舶在运行中的稳定性，给船员提供了一个良好的工作环境。目前，充水管理系统的振动噪声问题日益显著，不利于船舶各方面性能的稳定发展。
一、充水管路系统中振动噪声的相关概述
（一）充水管路系统振动噪声的介绍
充水管路系统振动噪声主要包括两个方面，一方面是结构噪声，另一方面是流体噪声。充水管路系统的结构噪声是指在受到动力源的不平衡力矩和管内介质穿越管路弯头、变径管系构件时形成的局部扰动力的影响下，充水管路及其附件，像是泵、支架等连续弹性结构产生振动响应。当充水管路产生响应的时候，就会通过管壁振动的形式传播到其他结构中，并且激励其它结构产生声辐射。充水管路系统的流体噪声是指离心泵和阀门所引发的噪声，也就是充水管路内流体运动不稳定使产生的噪声。
充水管路内流体的不稳定运动还会引发脉冲压力，而这些脉冲压力会直接作用于管道的应力脉动和机械振动。当管道的应力脉动频率与充水管路系统的固有频率接近的时候，就会产生谐振的现象。在谐振状态下的压力脉冲是非谐振状态下的几倍甚至几十倍，这种过高的压力脉冲会给充水管路系统的正常运行造成严重的影响，还会降低充水管路系统元件的工作质量，无法为系统参数测试的准确性提供基本保障，甚至还会引发结构振动与管口辐射噪声，给充水管路系统的正常运行带来很大的危害。
（二）造成充水管路系统振动噪声的原因
1.泵噪声
充水管路系统振动噪声中的泵噪声可以分为两种，一种是水力噪声，另一种是机械噪声。根据实践分析可知，水力噪声一般都比机械噪声要大。水力噪声可以分为压力脉冲噪声和汽蚀噪声。泵在工作的过程中具有周期性的基本特征，可以看成是在泵的平均流量上叠加有高频的脉动流量，而这种高频的脉冲流量会在充水管路中引起一定程度的压力脉动，从而产生结构振动和噪声辐射。一般情况下，泵在超过允许吸入真空度的状态下运行时，就会发生汽蚀现象。处于汽蚀状态下的泵叶轮叶片的入口处压力最低，当泵内的压力比该温度下的汽化压力还要低的时候，就会发生流体汽化的情况，并且在汽化状态的影响下向高压区流动，在高压区凝结，从而产生汽蚀噪声。充水管路系统泵噪声中的机械噪声主要是由于泵内压力的不平衡运动造成的。当泵内的压力处于不平衡状态的时候，部件间的冲撞力和摩擦力就会增大，从而引发结构振动和声辐射。
2.阀噪声
在充水管路系统振动噪声中，阀噪声与泵噪声占据着同样的地位，主要以高频宽带噪声的形式表现出来。当充水管路系统的阀体内压力发生变化和流体对某些部件产生冲击的时候，就会发生管道振动的情况，从而引发噪音。当阀门处于节流状态的时候，流体在断面处的流速逐渐增加，阀门下游产生的噪声就越大，主要以高频宽带噪声的形式表现出来。这时候如果充水管路内的压力忽然下降，指导阀门压力比流体饱和压力更低的时候，该位置就会产生气泡，并且气泡还会随着流體的运动方向继续前进。当气泡流动到一定位置的时候，就会受到压力的影响而破裂，从而产生压力脉冲引发的噪声。
（三）充水管路系统振动噪声的控制
为了能够确保充水管路系统的正常运行，充分发挥出系统在船舶领域中的重要作用，就必须对充水管路系统的振动噪声进行合理的控制。一般情况下，我们会从两个方面对充水管路系统的振动噪声进行控制。一是进行低噪声水泵的设计以及选择合适的驱动电机、阀门；二是选择行之有效的措施对噪声的传播途径进行控制。首先，我们可以通过在充水管路与基础之间安装阻尼器来对充水管路系统振动噪声进行控制，对管道振动的现象进行有效的抑制，降低流体脉冲压力的幅值，限制其增长速度。其次，我们可以通过在充水管道中安装消声弯头和水消声器来对充水管路系统振动噪声进行控制，能够有效避免充水管路系统振动噪声以高频宽带的形式表现出来，最大限度的对充水管路系统振动噪声进行吸收。
二、统计能量分析法在充水管路系统中的应用
（一）统计能量分析法的基本介绍
统计能量分析法起源于上个世纪60年代，在航空航天领域中的应用非常广泛，能够对复杂结构系统中高频动力学环境进行分析的有效手段。随着时代的不断进步，统计能量分析法也被应用在各个领域当中，像是在汽车领域、航空领域、潜艇领域中都能够看到统计能量分析法发挥着重要的作用，对声学和振动进行完善的预测与分析，尤其是能够对充水管路系统振动噪声进行合理的控制与优化。统计能量分析法是应用统计学中的重要组成部分，一般可以从两个方面进行分析。从“能量”的角度来看，“能量”是对各种动力学子系统状态的描述，能够利用功率流平衡方程对耦合子系统之间的相互作用进行描述。在统计能量分析法中，“能量”作为独立的动力学变量能够对固体结构和流体声场之间的耦合问题进行统一处理，加强了传统机械振动与声学之间的密切联系。从“分析”的角度来看，“分析”对能量分析模型参数进行统计，常见的能量分析模型参数有：模态密度、耦合损耗因子、内耗散因子及输入功率等。
（二）统计能量分析法对充水管路系统振动噪声的预测
噪声与振动始终是两个密切联系的物理量，在实际分析过程中，噪声始终伴随着振动。同时，对于噪声的研究也是建立在振动研究的基础之上。在充水管路系统振动噪声的研究当中，影响噪声的因素要远远高于影响振动的因素，给充水管路系统振动噪声的预测增加了很大的难度。目前，我们针对充水管路系统振动噪声预测的方式有三种，分别是相似结构外推法、传统的模态分析法和统计能量分析法。其中相似结构外推法又包括频率响应法和比例法等；传统的模态分析法又包括有限单元法和边界元法等。
相似结构外推法在进行充水管路系统振动噪声预测的时候，能够快速的为预测过程提供相应的数据，但是对于相似参数和质量载荷影响的处理却比较随意，无法为预测结果的转确性提供基本保障，一般都存在比较大的误差。传统的模态方法在进行充水管路系统振动噪声预测的时候，会受到有限数量的低阶模态的局限，其分析误差也会随着频率的增加而逐渐扩大，给充水管路系统振动噪声的预测增加了很大的难度。统计能量分析法在进行充水管路系统振动噪声预测的时候，要比相似结构外推法和传统的模态方法的准确性和可靠性都要高出很多，并不需要对结构进行详细的描述就能够实现预测的效果，而且在高频、高模态密度的复杂系统的耦合动力学问题的分析方面也比前两种方式要占据一定的优势。但是，统计能量法在使用过程中也会存在一定的局限性，比如说需要满足保守和弱耦合两个假定的条件等。
结论
综上分析可知，随着科学技术的不断完善，对充水管路系统振动噪声的研究方法也更加的完善，本文主要针对统计能量分析的方法进行分析，简单介绍了统计能量分析法是如何对充水管路系统中的振动噪声进行控制与优化的，最大限度的实现了我国船舶领域“减振降噪”的基本目标，为船员的身体健康提供了安全保障。同时，使用统计能量法对充水管路系统振动噪声进行控制还能够提高船舶在运行中的稳定性，给船员提供了一个良好的工作环境。
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