机械噪声、推进器噪声与水动力噪声是船舶传统的三大噪声源。根据国外经验，当机械噪声、推进器噪声得到有效控制后，管道噪声对船舶安静性的影响开始明显。以海水管路系统为例，泵作为振动、流噪声与空气噪声的主要激励源，管路系统是其振动能量流的重要传递途径。

国内外对管路振动的研究主要集中在水锤理论、流体与管道的耦合振动和管路元件的振动及声传递特性等方面。国内从“九五”开始立项开展管道噪声控制技术研究，在管路系统总体布置与声学特性测试技术、低噪声泵、大口径高压挠性接管、海水管路消声器等方面都取得了一定进展。从目前国内外对管路系统的研究可以看出，对简单直管、弯管的振动及声波传递特性研究渐趋成熟，但对管路减振降噪元件的研究相对来说比较少。本文针对舰艇中的离心泵组，设计一种低噪声排水装置，以有效衰减离心泵组出口管道中的压力脉动，从而降低流体噪声和管路振动。

1 低噪声排水装置结构及工作原理

低噪声排水装置主要通过蓄能器组和亥姆霍兹消声器来实现衰减压力脉动，结构如图 1 所示。其主体结构主要包括本体部分、蓄能器组部分和亥姆霍兹衰减器部分。

水从进水口进入低噪声排水装置，经过蓄能器组和亥姆霍兹衰减器后，压力脉动得以衰减。蓄能器组主要针对轴频脉动进行衰减，当水的压力高于氮气的压力时，水会通过蓄能器孔进入到本体与隔膜形成的容腔中，隔膜收缩，使水不断进入容腔中；当水的压力低于氮气的压力时，隔膜扩张，水从容腔通过蓄能器孔进入到管道中，从而减小压力脉动。亥姆霍兹衰减器主要针对叶频压力脉动进行衰减。本体与盖板之间构成亥姆霍兹容腔，水可以从亥姆霍兹阻尼孔进入到该容腔中，从而对叶频压力脉动进行衰减。

2 结构参数优化 2.1 蓄能器参数确定

本设计采用隔膜蓄能器，其具有质量轻、薄膜变形阻力小、无惯性、吸收压力脉动性能好等优点，可用于动作频率高、容积小的液压装置中吸收液压脉动。

1） 蓄能器容积计算

离心泵组的流量为V_p，离心泵组的流量脉动率取 5%，则一个脉动周期内离心泵的脉动体积约为：

$ {\rm{\Delta }}V = 5\% {V_p}\text{，} $

(1)

针对轴频和叶频脉动，取压力脉动率为δ = 3%，则 2 种情况下蓄能器各自有效容积为：

$ V = \frac{{{\rm{\Delta }}V}}{{1-{{(\frac{{2-\delta }}{{2 + \delta }})}^{1/k}}}}\text{。} $

(2)

式中：ΔV 为脉动一个周期内瞬间流量高于平均流量；δ 为允许的压力脉动率；k 为充气气体多变指数。

根据低噪声排水装置结构特点，在 4 个面安装 4 个蓄能器。在不同的管内平均压力下，分别设计针对轴频和叶频的蓄能器。

为了有效吸收轴频脉动，蓄能器的充气压力为 0.9 倍管内平均压力，则吸收轴频脉动的 3 个蓄能器的初始容积为：

$ {V_1} = {V_2} = {V_3} = \frac{V}{{0.9}}\text{。} $

(3)

由于结构的对称，吸收叶频的蓄能器 4 的初始容积为V₄ =V₃。

2） 蓄能器进水口参数优化

当蓄能器的固有频率等于脉动频率时，其吸收脉动的效果最好。蓄能器的固有频率计算公式为：

$ {f_{{\rm{AN}}}} = \frac{{\rm{1}}}{{2{\rm{\pi }}}}\sqrt {\frac{{K{a_{\rm{A}}}{p_0}}}{{\rho {l_{\rm{A}}}{V_0}}}} \text{。} $

(4)

式中：α_A 为蓄能器进水口的过流面积；l_A 为蓄能器进水口长度；p₀ 为管内平均压力。

由式（4）可看出，蓄能器的固有频率与蓄能器进水口的过流面积和进水口长度、管内平均压力有很大的关系。

为了防止蓄能器膨胀后底部进入管路，蓄能器隔膜下端要有凸起的垫圈，此时垫圈的直径要大于进水口等效孔径。考虑到隔膜的加工难易，本设计采用的所有隔膜蓄能器底部均为平端，在本体上加工多个蓄能器孔。

蓄能器孔的直径均为d₁，4 个进水口等效孔径的个数n 按公式 $n\pi d_1^2 = \pi d_2^2$ 设计，其中d₁ 为进水口等效孔径，d₂ 为图 3 所示的进水口孔径，则本体上蓄能器 1，2，3，4 的蓄能器孔的个数分别为：19，10，7，17，结合本体的加工工艺，得到蓄能器孔的布局如图 3 所示。

2.2 亥姆霍兹水消声器参数确定

1）亥姆霍兹水消声器进水口参数确定

根据低噪声排水装置的结构尺寸，亥姆霍兹水消声器容腔总容积取为V_H。亥姆霍兹水消声器只消减叶频分量，确定了消声器进水口的长度l_H 和截面积a_H，即可确定消声器进水口数量。亥姆霍兹水消声器固有频率的计算公式为

$ {f_{{HN}}} = \frac{{\rm{1}}}{{2{\rm{\pi }}}}\sqrt {\frac{{{\beta _{\rm{e}}}{a_{H}}}}{{\rho {l_{H}}{V_{H}}}}} \text{。} $

(5)

由此，可确定亥姆霍兹水消声器进水口数量。

2） 低噪声排水装置最终结构

根据上述计算结果，设计出低噪声排水装置如图 4 所示。低噪声排水装置由整体铝青铜加工而成，其两端通过法兰与排水管道连接，其周围安装由 4 个蓄能器组成的蓄能器组；各蓄能器之间的空隙组成亥姆霍兹水消声器容腔，四面共设置 8 个阻尼孔。

3 仿真模型的建立及仿真分析 3.1 仿真模型建立

采用 AMESim 液压仿真软件计算低噪声排水装置吸收轴频和叶频脉动的效果。低噪声排水装置中设计有 4 个蓄能器和一个亥姆霍兹水消声器。在 AMESim 中建立如图 5 示的低噪声排水装置吸收轴频和叶频脉动的仿真模型，并根据低噪声排水装置对仿真模型进行参数设置。

在 AMESim 仿真模型中，用 Signal 模块产生正弦变化的流量输入，从而近似模拟离心泵产生的轴频和叶频流量脉动，设轴频脉动q = 2 500 + 125 sin303.5t L/min，叶频脉动为q = 2 500 + 125 sin2 430.4t L/min。

采用 Hydraulic 的 HA000 蓄能器及 HL01 管路组件模拟蓄能器；采用 HL01 管路及 HC00 容腔组件模拟亥姆霍兹衰减器。

3.2 仿真分析

将低噪声排水装置工作时的管路压力称为管内平均压力。分别设置低噪声排水装置在不同的管内平均压力下工作，改变输入流量的脉动频率，使之分别为轴频、叶频，得出低噪声排水装置对轴频脉动和叶频脉动的衰减效果，如图 6 和7 所示。

由图 6 和图 7 可知，不同管内平均压力下，插入低噪声排水装置后，管路出口处的压力脉动峰值均有较大程度的降低，低噪声排水装置对管路的轴频脉动和叶频脉动均有较好的衰减效果。根据图 6 和图 7 中插入低噪声排水装置前后输出压力脉动曲线，获取插入前后压力的平均波峰值、波谷值、平均值，根据式（1），计算出压力脉动衰减比和降低分贝值，具体结果如表 1 和表 2 所示。

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{\delta _{{\rm{inp}}}} = \displaystyle\frac{{{p_{{\rm{inmax}}}}-{p_{{\rm{inmin}}}}}}{{{p_{{\rm{in}}}}}},{\delta _{{\rm{outp}}}} = \displaystyle\frac{{{p_{{\rm{outmax}}}}-{p_{{\rm{outmin}}}}}}{{{p_{{\rm{out}}}}}}\text{，}}\\ {\lambda =\displaystyle \frac{{{\delta _{{\rm{inp}}}}-{\delta _{{\rm{outp}}}}}}{{{\delta _{{\rm{inp}}}}}} \times 100\% \text{，}}\\ {\Delta {L_{\rm{p}}}{\rm{ = }}20\lg \frac{{{\delta _{{\rm{inp}}}}}}{{{\delta _{{\rm{outp}}}}}}\text{。}} \end{array}} \right. $

(6)

式中：δ_inp、δ_outp 为插入前、后的压力脉动率；p_inmax、p_outmax 为插入前、后的压力平均波峰值；p_inmin、p_outmin 为插入前、后的压力平均波谷值；p_in、p_out 为插入前、后的压力平均值；λ 为压力脉动衰减比；ΔL_p 为插入前、后降低分贝值。

从表 1 和表 2 的仿真结果可看出：不同管内平均压力下，低噪声排水装置对轴频脉动和叶频压力脉动均有较好的衰减效果。插入低噪声排水装置后，针对轴频的压力脉动衰减比都达到 40.4% 以上，插入前、后降低分贝值均在 4.5 dB 以上；针对叶频的压力脉动衰减比都达到 53.21% 以上，插入前、后降低分贝值均在 6.6 dB 以上。低噪声排水装置对管路叶频压力脉动的衰减效果比轴频压力脉动的衰减效果好。

4 实验研究

声学性能检测试验台架及原理如图 8 示，通过压力传感器和水听器测量安装低噪声排水装置的离心泵回路中管道出口的脉动压力和流体噪声。

在不同的管内平均压力下，分别测量低噪声排水装置出口的压力脉动和流体噪声。其结果如图 9～图 10 所示。

从图中可看到，压力脉动频率在 500 Hz 以下，插入低噪声排水装置后，出口处的脉动压力均有不同程度的下降。据此计算出来的压力脉动总级的插入损失均达到 2.7 dB 以上，尤其在管内平均压力 2 时，插入损失达到 9.5 dB。

从图中可以看到，压力脉动频率在 500 Hz 以下，插入低噪声排水装置后，出口处的流体噪声均有不同程度的下降。据此计算出来的噪声总级的插入损失均达到 3.1 dB 以上，尤其在管内平均压力 1 和 2 时，插入损失达到 5 dB 以上。

5 结 语

针对舰艇中使用的离心泵组出口管道中压力脉动较大的问题，设计了一种蓄能器和亥姆赫兹消声器相结合的低噪声排水装置，并对其结构参数进行优化设计。仿真与实验结果均表明，低噪声排水装置可以有效衰减离心泵组出口管道中的轴频和叶频压力脉动，压力脉动总级的插入损失均达到 2.7 dB 以上，流体噪声的插入损失达到 3.1 dB 以上。