Eigenschaften des Rauschspektrums von Schiffspumpeneinheiten, die durch verschiedene Anregungsquellen induziert werden

Jul 12, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 8678 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Um die Eigenschaften des Geräuschspektrums von Schiffspumpeneinheiten zu untersuchen, die durch verschiedene Anregungsquellen induziert werden, wurde ein rechnergestütztes Aeroakustikmodell (CAA) des internen und externen Feldgeräuschs einer Schiffspumpe erstellt. Die gekoppelte akustische Vibrationsmethode wurde verwendet, um die spektralen Eigenschaften des internen und externen Feldrauschens zu erhalten. Die Genauigkeit und Durchführbarkeit der Simulationsmethode zur Lärmvorhersage wurden durch einen Lärmtest bestätigt. Aufgrund der unterschiedlichen Medien im Innen- und Außenfeld der Schiffspumpe wurde ein Außenfeld-Akustikmodell auf Basis der Automatic-Matched-Layer-Technologie (AML) erstellt. Die spektralen Eigenschaften verschiedener Anregungsquellen und die räumliche Verteilung des abgestrahlten Schallfelds wurden analysiert und der Beitrag verschiedener Schallquellenanregungen zum internen und externen Schallfeld ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Hauptfrequenz des durch verschiedene Anregungen erzeugten internen Feldgeräuschs bei der Rotorblattdurchlauffrequenz liegt und das durch die akustischen Dipolanregungen induzierte interne Feldgeräusch bei 180,6 dB dominiert. Für das äußere Feldgeräusch liegt die Hauptfrequenz immer noch bei der Blattdurchlauffrequenz. Das durch die Flüssigkeitsanregung induzierte Strahlungsrauschen (139,2 dB) ist höher als das durch die Dipolanregungen induzierte (Oberflächendipol, 136,3 dB; rotierender Dipol, 137,3 dB).

Marine-Kreiselpumpen sind unverzichtbare Hilfsgeräte auf Schiffen und spielen eine entscheidende Rolle für den regulären Schiffsbetrieb. Schiffspumpen erzeugen während des Betriebs laute Geräusche und der Geräuscherzeugungsmechanismus ist komplex. Der Geräuschpegel von Schiffspumpen ist kritisch, insbesondere für Militärschiffe. Vibrationen und Geräusche sind beim Pumpenbetrieb untrennbar miteinander verbunden. Vibrationen erzeugen Lärm, und Lärm beeinflusst auch Vibrationen. Es gibt viele Geräuschquellen für Pumpeneinheiten, und die häufigste Quelle ist der durch die Vibration der Pumpeneinheiten verursachte Lärm, bei dem es sich um strukturelle Vibrationsgeräusche handelt. Der durch die Flüssigkeitsströmung erzeugte Lärm wird als hydrodynamischer Lärm1,2,3,4 bezeichnet, der einen größeren Beitrag zum Lärm der Pumpeneinheiten leistet, und auch der Erzeugungsmechanismus ist kompliziert.

Das Konzept des hydrodynamischen Lärms wurde ursprünglich auf der Grundlage der akustischen Analogietheorie von Lighthill5 entwickelt. Anschließend wandten Williams und Hawkings6 die maßgebliche Gleichung auf das Randproblem der Festkörperbewegung an und schlugen die berühmte FW-H-Gleichung vor, um hydrodynamische Schallquellen in Monopol-, Dipol- und Quadrupol-Schallquellen zu unterteilen. Um das Verständnis zu erleichtern, haben Wissenschaftler den Lärm in Breitbandrauschen und diskretes Rauschen, nämlich Einzeltonrauschen, eingeteilt7. Unter den strömungsinduzierten Geräuschen der Pumpe wird das Monopolquellengeräusch durch den Volumenkompressionseffekt der Pumpenkavitation induziert und ist ein diskretes Geräusch. Die Dipolquelle wird hauptsächlich durch die instationäre, schwankende Kraft des Fluids verursacht, die auf die Oberfläche der Struktur einwirkt und Breitbandrauschen und diskretes Rauschen umfasst. Die Quadrupolquelle wird durch Turbulenzen verursacht, die durch den Hochgeschwindigkeits-Fluidstrom erzeugt werden und als Breitbandrauschen8 klassifiziert werden.

Dong et al.9 untersuchten durch Tests die Druckpulsations- und Radialkrafteigenschaften im instationären Strömungsprozess in verschiedenen Kavitationsstadien. Howe10,11 wies darauf hin, dass die Hauptschallquelle rotierender Maschinen die Dipolschallquelle ist, die durch die instationäre Kraft verursacht wird, und schlug vor, dass zuerst das Strömungsfeld gelöst werden kann und dann das Schallfeld entsprechend den erhaltenen Strömungsfeldergebnissen weiter gelöst werden kann. Zhou et al.12 schlugen vor, dass die Quellen hydrodynamischen Lärms ähnlich sind, wenn die Reynolds-Zahlen der Flüssigkeit ähnlich sind. Die wichtigsten akustischen Berechnungen für das Innen- und Außenfeld von Pumpen sind die Randelementmethode (BEM) und die Finite-Elemente-Methode (FEM). Si et al.13 verwendeten die direkte BEM zur Berechnung des Schallfelds in einer Kreiselpumpe und stellten fest, dass die Schaufeldurchlauffrequenz und der Multiplikator die charakteristischen Frequenzen des durch die Flüssigkeit verursachten Lärms sind. Cai et al.14 und Yu et al.15 verwendeten diese Methode auch zur Berechnung des Innengeräuschs von Abwassertauchpumpen und selbstansaugenden Wirbelpumpen. Allen16 schlug die gekoppelte FEM/BEM vor, um den von der Grenzschicht abgestrahlten Strukturschall zu berechnen und dabei den schwankenden Druck auf die Wand zu nutzen, um die Anregung des Struktur-Akustik-Systems zu definieren. Warszawski et al.17 verwendeten FEM/BEM, um die Ausbreitungseigenschaften von akustischen Wellen zu untersuchen, die durch Wechselwirkungen zwischen Fluid und Struktur erzeugt werden. Han et al.18 führten die Berechnung der akustischen Schwingungskopplung für die Con-Shell-Struktur durch FEM/BEM durch, ermittelten den Schalldruckpegel am Messpunkt und überprüften die Genauigkeit des Berechnungsergebnisses durch Experimente. Liu et al.19 untersuchten den Einfluss des Schaufelaustrittswinkels und der Schaufelbreite auf den flüssigkeitsinduzierten Lärm der Kreiselpumpe mit der direkten BEM-Methode. Dai et al.20 berechneten auch das externe Feldgeräusch einer Kreiselpumpe durch gekoppelte akustische Vibration.

Obwohl die Medien innerhalb und außerhalb der Schiffspumpe unterschiedlich sind, kann das Grenzelement nur eine Flüssigkeitseigenschaft definieren, sodass diese Methode das Geräuschproblem im Außenfeld der Pumpe nicht effektiv lösen kann. Im Gegensatz dazu ist die akustische Finite-Elemente-Methode zur Berechnung der Strahlungsakustik effektiv. Xie et al.21,22 sagten den Unterwasser-Niederfrequenzlärm einer kleinen versteiften Hülle auf der Grundlage der akustischen Finite-Elemente-Methode voraus und bewiesen die Wirksamkeit bei der Vorhersage des unendlichen Schallfelds. Majda23 schlug die Absorptionsrandbedingung vor, die das unendliche äußere Schallfeld durch einen konvexen Flüssigkeitsbereich ersetzt. Die Schallabsorptionsrandbedingung wird dem konvexen Flüssigkeitsbereich auferlegt. Berenger24 nutzte die Perfect-Matched-Layer-Methode (PML), um die Fluktuation des elektromagnetischen Feldes zu berechnen. Da diese Methode erfahrene Ingenieure erfordert, um die Aufteilung der Absorptionsschicht abzuschließen, wird die Technologie der automatisch angepassten Schicht (AML) vorgeschlagen. Die AML-Methode generiert automatisch passende Schichtzelldomänen basierend auf der strukturellen Finite-Elemente-Fläche, und die Größe der Zelldomäne variiert entsprechend der Analysehäufigkeit, was die Berechnungseffizienz verbessern kann.

Es liegen nur wenige Studien zu den Auswirkungen von Flüssigkeitsanregungen und Dipolanregungen auf Pumpengeräusche vor, und der primäre Mechanismus der Pumpengeräuscherzeugung ist unklar. Daher wurde in der vorliegenden Arbeit ein rechnerisches aeroakustisches Modell für den durch die Flüssigkeitsströmung erzeugten internen und externen Strahlungslärm erstellt, der dem Erzeugungs- und Übertragungsmodus des Lärms für Schiffspumpeneinheiten entspricht. Unter Berücksichtigung des gekoppelten Struktur-Schall-Feldes wurde die akustische Finite-Elemente-Methode verwendet, um das interne Feldrauschen unter Fluidanregung und akustischen Dipolanregungen zu berechnen. Die Genauigkeit und Durchführbarkeit der gekoppelten akustischen Vibrationsmethode zur Vorhersage interner Feldgeräusche wurde durch Testvergleiche bestätigt. Aufgrund der unterschiedlichen Medien in den internen und externen Feldern von Schiffspumpen wurde ein externes Akustikmodell basierend auf der AML-Technologie erstellt. Die spektralen Eigenschaften verschiedener Geräuschquellen und die räumliche Verteilung des abgestrahlten Schallfelds wurden analysiert und die Beiträge verschiedener Schallquellen zum externen Schallfeld ermittelt.

Als Forschungsobjekt wurde eine Schiffskreiselpumpe mit einer spezifischen Drehzahl von 66,7 verwendet. Der Durchfluss Qd = 25 m3/h, die Förderhöhe H = 35 m, die Drehzahl n = 2950 U/min. Tabelle 1 zeigt die wichtigsten geometrischen Parameter der Schiffspumpe.

Das gesamte Strömungsfeldberechnungsmodell umfasst das Einlassrohr, den Krümmer, das Laufrad, den Abstand (zwischen dem Laufrad und dem Spiralgehäuse), das Spiralgehäuse und das Auslassrohr, wie in Abb. 1 dargestellt. Zur Erzeugung des Fluiddomänengitters wurde ANSYS ICEM 17.0 verwendet. Tabelle 2 zeigt die Überprüfung der Netzunabhängigkeit. Der Fehler der Förderhöhe beträgt im zweiten Fall weniger als 1 %, daher wurde dieser Fall für die nachfolgenden Berechnungen ausgewählt. Abbildung 2 zeigt die Wand y + der statischen Domäne und der rotierenden Domäne der Modellpumpe. Der Durchschnitt von y+ beträgt weniger als 12. Das y+ im statischen Bereich beträgt weniger als 6, während das y+ der inneren Laufradwand weniger als 8 beträgt. Das Turbulenzmodell verwendete das Standard-k-ε-Modell und Druck- Es wurden Einlass- und Massenstrom-Auslassbedingungen übernommen. Die Schnittstelle zwischen den Domänen nutzte die General Grid Interface (GGI). Der Konvektionsterm übernimmt den Aufwind zweiter Ordnung. Der Zeitschritt wurde auf ΔT = 0,565 × 10–4 s eingestellt, dh alle 1° Drehung des Laufrads. Als Anregungsquelle wurden die Druckpulsationsdaten von 10 stabilen Laufradrotationszyklen extrahiert und die Gesamtzeit auf 0,25 s eingestellt. Der Rest wurde auf 10–4 festgelegt.

Gesamtes Strömungsfeldmodell.

Die y+-Verteilung an der Spirale, der Pumpenkammer und dem Laufrad.

Zur Berechnung des internen Feldrauschens der Schiffspumpe wurde die Software LMS Virtual.Lab 13.6 verwendet. Der Lärm der Schiffspumpe kann unterteilt werden in (1) strömungsbedingten Lärm, bei dem es sich um die Flüssigkeitsanregungsquelle handelt, die Schall auf die Struktur abstrahlt, wodurch die Struktur vibriert und so abgestrahlten Lärm erzeugt, und (2) Strömungslärm, bei dem es sich um Strömungsgeräusche handelt direkt von der Dipol-Anregungsquelle abgestrahlt. Darüber hinaus gibt es zwei primäre Dipol-Anregungsquellen für die Pumpe: eine rotierende Dipol-Anregung auf der Laufradoberfläche und eine Oberflächen-Dipol-Anregung an der Spiralwand.

Zur Berechnung des Strömungsgeräusches wurde als Anregung die Druckpulsationswirkung auf die Pumpenwand genutzt. Die Daten zu den Zellknoten wurden in das Gitter des Pumpenstrukturmodells übertragen und der gekoppelte Akustik-Vibrations-Algorithmus wurde verwendet, um die Strukturschwingung der Pumpe zu berechnen und das strömungsinduzierte Geräusch zu erhalten. Für den durch den Oberflächendipol induzierten Lärm wurde zunächst die Pulsation der Pumpwand als Randbedingung des akustischen Dipols verwendet. Anschließend wurde die geometrische Interpolationsmethode ohne Energieverlust verwendet, um die Fluidfeldinformationen auf das akustische Gitter zu übertragen, der Schalldruck an der Innenwand berechnet und der durch den Oberflächendipol induzierte Lärm berechnet. Für den Lärm, der durch den rotierenden Dipol an Rotorblättern verursacht wird, wurden die Pulsationsdaten im Zeitbereich am Rotorblatt extrahiert und die diskrete Rotorblattquelle zur Berechnung des Schallfelds verwendet. Das Laufrad wurde in vier Teile geteilt, und für jeden Teil sind die Last und ihre Wirkposition definiert. Der Schalldruck an der Wand der internen Feldpumpe wurde berechnet und dieses Ergebnis dann als akustische Anregung für die Berechnung der gekoppelten akustischen Vibration verwendet, um das durch den rotierenden Dipol angeregte Geräusch zu erhalten.

Der Einlass und der Auslass des Infield-Akustikmodells wurden als vollständige Schallabsorptionseigenschaften definiert, und die übrigen Oberflächen wurden als vollständig reflektierende Wände definiert. Die charakteristische akustische Impedanz Z = ρc = 1,5 × 106 kg/(m2·s) und die Schallgeschwindigkeit wurde mit 1500 m/s angenommen. Das interne Feldakustik-Vibrationsmodell und die Standorte der Einlass- und Auslassüberwachungspunkte sind in Abb. 3 dargestellt. Der Schalldruckpegel ist der am häufigsten verwendete Indikator für die Intensität akustischer Wellen. Es korreliert gut mit der menschlichen Wahrnehmung von Lautstärke und wird wie folgt ausgedrückt:

Dabei ist p der Schalldruck und pref der Referenzwert des Unterwasserschalldrucks, 1 μPa.

Akustisches Schwingungsmodell und Überwachungspunkte.

Die gekoppelte Akustik-Vibrations-Berechnung der Schiffspumpe erfolgt auf Basis des Modalraums. Zur genauen Berechnung des internen Feldrauschens ist eine umfassende Berücksichtigung der strukturellen und akustischen Modi erforderlich. Der interne akustische Modus der Schiffspumpe ist in Abb. 4 dargestellt. Da die akustische Einheit nur einen Freiheitsgrad im Raum hat und sich das Schallfeldmodell in einem freien Zustand befindet, ist ihr Modus erster Ordnung ein Starrkörpermodus und seine Eigenfrequenz beträgt 0 Hz. Die Modenform zweiter Ordnung zeigt an, dass der Bereich mit hohem Schalldruck im Einlassrohr und im Spiraldiffusor konzentriert ist, jedoch in entgegengesetzten Phasen. Es gibt einen Gradientenabfall vom Einlass zum Auslass. Die Modenform dritter Ordnung hat den höchsten Schalldruck im Auslass und das Einlassrohr hat einen niedrigeren Schalldruck. Darüber hinaus befindet sich die Spirale in der entgegengesetzten Phase zu den anderen Positionen.

Interner Akustikmodus.

Abbildung 5 zeigt das Breitbandspektrum des durch Flüssigkeitsanregung induzierten internen Feldrauschens. Die Trends des Schalldruckpegelspektrums sind im Allgemeinen für den Einlass und den Auslass konsistent. Die Hauptfrequenz liegt bei der Blattdurchgangsfrequenz (BPF), und die harmonischen Frequenzen liegen ebenfalls bei jeder einzelnen Blattdurchgangsfrequenz. Dieses Phänomen wird hauptsächlich durch Rotor-Stator-Interferenzen verursacht, wenn die Schaufel durch die Spiralzunge streicht. Der Schalldruckpegel bei der Rotorblattdurchlauffrequenz beträgt bis zu 144 dB. Bei den charakteristischen Frequenzen treten mehrere Spitzen auf, und die Eigenschaften der Hauptfrequenz und der harmonischen Frequenzen sind nicht ausgeprägt.

Das Spektrum des Infield-Rauschens durch Flüssigkeitsanregung.

Durch Vergleich der Einlass- und Auslassschalldruckspektren kann festgestellt werden, dass die Gesetzes- und Spitzenwerte von 0 bis 590 Hz (2BPF) konsistent sind. Die Einlass- und Auslassschalldruckspektren sind bei der doppelten Rotorblattdurchlauffrequenz und den nachfolgenden Frequenzbändern nahezu identisch, der Breitbandpeak ist jedoch unterschiedlich. Insgesamt ist der Schalldruckpegel am Auslass unter 1000 Hz bei Nennbetriebsbedingungen höher. Allerdings ist der Eintrittsschalldruckpegel bei einigen Sonderfrequenzen zwischen 1000 und 2000 Hz höher.

Abbildung 6 zeigt das Breitbandspektrum des durch den Oberflächendipol induzierten internen Feldrauschens. Die Trends des Schalldruckpegels am Ein- und Auslass sind nahezu gleich; die Hauptfrequenz erscheint bei der Blattdurchlauffrequenz und die harmonische Frequenz liegt auch bei jeder Mehrfachblattdurchlauffrequenz. Der maximale Schalldruckpegel erreicht 149,8 dB. Das vom Oberflächendipol erzeugte interne Feldrauschen erscheint als einzelne deutliche Spitzen bei den charakteristischen Frequenzen. Der durchschnittliche Schalldruck am Auslass ist höher als am Einlass, die Schalldruckpegel am Einlass und am Auslass sind jedoch aufgrund der Umrechnung durch Logarithmen ähnlich.

Das Spektrum des Infield-Rauschens durch Oberflächendipole.

Die Finite-Elemente-Methode wird verwendet, um das interne Schallfeld zu berechnen, das mit der akustischen Anregung des rotierenden Dipols gekoppelt ist, wie in Abb. 7 dargestellt. Die Frequenzgangtrends der Schalldruckpegel am Einlass und am Auslass sind ebenfalls ähnlich. Die Hauptfrequenz erscheint bei der Rotorblattdurchlauffrequenz, und die harmonische Frequenz liegt auch bei jeder einzelnen Rotorblattdurchlauffrequenz. Das interne Feldrauschen des rotierenden Dipols ist in den harmonischen Eigenschaften jeder charakteristischen Frequenz deutlicher zu erkennen als beim Oberflächendipol. Darüber hinaus sind die Spitzen bei jeder Rotorblattdurchlauffrequenz deutlicher zu erkennen als bei anderen Frequenzen. Der Schalldruckpegel bei der Rotorblattdurchlauffrequenz erreicht 150 dB, was darauf hindeutet, dass der rotierende Dipol das interne Feldgeräusch bei der charakteristischen Frequenz stark beeinflusst.

Das Spektrum des Infield-Rauschens durch den rotierenden Dipol.

Die Spektralkurven des durch Flüssigkeitsanregung und akustische Dipole induzierten Feldrauschens am Einlass und Auslass sind in Abb. 8 dargestellt. Der rotierende Dipol-Schalldruckpegel ist am BPF am höchsten und doppelt so hoch wie der BPF (abgekürzt als 2BPF). Allerdings ist der durchschnittliche Schalldruckpegel des Oberflächendipols unterhalb von 1000 Hz höher. Das durch die Flüssigkeitsanregung induzierte interne Feldrauschen weist im gesamten Frequenzband zwischen 1000 und 2000 Hz einen höheren Pegel auf. Der Schalldruck des durch den rotierenden Dipol verursachten Lärms ist relativ gering, und diese Eigenschaft ist am Auslass besonders ausgeprägt.

Das Spektrum des Infield-Rauschens bei unterschiedlichen Anregungen.

Abbildung 9 zeigt die Schalldruckpegel bei jeder charakteristischen Frequenz verschiedener Anregungen. Der Schalldruckpegel des internen Feldgeräuschs, das durch den rotierenden Dipol bei der Rotorblattdurchlauffrequenz (BPF = 295 Hz) verursacht wird, liegt nahe bei dem des Oberflächendipols, nämlich 150 dB bzw. 149,8 dB. Am BPF trägt der strömungsbedingte Lärm mit einem Schalldruckpegel von nur 144 dB am wenigsten bei. Bei 2BPF (590 Hz) liegen die Spitzen der drei Anregungsquellen relativ nahe beieinander und das durch den Oberflächendipol verursachte interne Feldrauschen ist mit 128 dB etwas höher. Bei Überschreitung von 4BPF dominiert allmählich die Fluidanregung, insbesondere bei 5BPF und 6BPF, und der Anteil der Dipolanregungen nimmt ab.

Schalldruckpegel bei jeder charakteristischen Frequenz verschiedener Anregungen.

In diesem Artikel wird das Hydrophon RHSA-10 verwendet, um das Geräuschsignal von Schiffspumpen unter Nennbetriebsbedingungen zu messen. Das Hydrophon hat einen Betriebsfrequenzbereich von 20 Hz bis 200 kHz. Die Schalldruckempfindlichkeit beträgt − 210 dB, die horizontale und vertikale Richtcharakteristik beträgt ± 2 dB bzw. ± 2,5 dB und das Gehäusematerial ist Edelstahl. Wir installieren das Hydrophon vertikal im sechsfachen Rohrdurchmesser des Pumpeneinlassflansches. Diese Installationsmethode kann die durch die Flüssigkeitspulsation in der Pumpe verursachte Dipolschallquelle effektiv messen, die Störung anderer Schallquellen vermeiden und gleichzeitig nur geringe Auswirkungen auf den Flüssigkeitsfluss im internen Feld haben. Das Hydrophon und sein Einbauort sind in Abb. 10 dargestellt.

Hydrophon und Installationsort.

Abbildung 11 zeigt den Vergleich der Simulations- und Testergebnisse für das Breitbandspektrum am Ausgang. Die Amplitude des Rauschens jeder Anregungsquelle bei der charakteristischen Frequenz stimmt im Allgemeinen mit den Testergebnissen überein, und die Simulationsergebnisse für den Oberflächendipol kommen ihnen am nächsten. Die Ergebnisse für drei Anregungsquellen zeigen einen abnehmenden Trend im gesamten Frequenzband. Darüber hinaus deutet dies auch darauf hin, dass es möglich ist, interne Flüssigkeitsgeräusche unter Berücksichtigung der gekoppelten akustischen Schwingungen vorherzusagen. Allerdings ist das Testergebnis über die gesamte Breitbandbreite höher als der simulierte Wert. Die Gründe für diesen Fehler sind folgende:

Es gibt Störungen durch andere Faktoren im Testprozess, wie z. B. Ventilgeräusche, Rohrleitungsresonanzen und mechanische Strukturvibrationen, die sich auf die Ergebnisse des Infield-Geräuschtests auswirken.

Die Schallwellen im Inneren der Pumpe interagieren mit der komplexen Innenstruktur, was zu einer Reflexion und Streuung der Schallwelle führt. Auch bei der Ausbreitung der Schallwellen kommt es zu Verlusten. Darüber hinaus werden die Reflexion und Streuung von Schallwellen ignoriert, was zu Fehlern im Schalldruckpegel führt.

Breitbandspektrum der Simulation und experimentelle Ergebnisse.

Um den Beitrag verschiedener Anregungsquellen zum Lärm der Schiffspumpeneinheiten klar vergleichen zu können, wird der Gesamtschalldruckpegel Lp eingeführt. Die Formel lautet wie folgt:

wobei Δfi die minimale Auflösung ist. f0 und fmax sind die Anfangs- bzw. Grenzwerte der berechneten Frequenz, pa und pi sind der quadratische Mittelwert (RMS) des Schalldrucks Pa und P0 ist der Referenzschalldruck, im Allgemeinen P0 = 1 × 10–6 Pa in Wasser und P0 = 2 × 10–5 Pa in Luft.

Tabelle 3 zeigt die Schalldruckpegel verschiedener Anregungsquellen bei den charakteristischen Frequenzen und vergleicht den Gesamtschalldruckpegel mit dem Prüfwert. Die Dipol-Schallquelle ist der Hauptfaktor bei der Hauptfrequenz. Die rotierende Dipolquelle leistet den dominanten Beitrag bei den charakteristischen Frequenzen, während der Gesamtschalldruckpegel im Frequenzband niedrig ist, was die „monophone“ Eigenschaft der rotierenden Dipolquelle hervorhebt. Der Oberflächendipol trägt am meisten zum internen Feldrauschen der Pumpe bei, gefolgt vom rotierenden Dipol und dann der Flüssigkeitsanregung. Im Vergleich zu den Testwerten betragen die gesamten Schalldruckpegelfehler des Oberflächendipols, des rotierenden Dipols und der Fluidanregung jeweils 1,1 %, 1,25 % und 1,4 %.

Nach der Methode des flüssigkeitsinduzierten Lärms umfasst der externe Feldlärm von Schiffspumpen hauptsächlich Folgendes: (1) Die Vibrationen und Geräusche, die durch die interne Flüssigkeit erzeugt werden, die direkt auf die Pumpe einwirkt. (2) Der Schalldruck der akustischen Dipolquelle, der auf die Pumpenstruktur einwirkt, führt dazu, dass die Struktur vibriert und Geräusche in den Außenraum abstrahlt. Die Anregung ist die gleiche wie beim internen Feldrauschen, allerdings breiten sich die Schallwellen in einer anderen Richtung und Form aus. Darüber hinaus sind die internen und externen Feldmedien von Schiffspumpen unterschiedlich. Das Innenmedium der Pumpe ist Wasser und das Außenmedium ist Luft; Daher wird zur Berechnung des externen Feldrauschens die Schall-Vibrations-Kopplungsmethode FEM/AML verwendet. Abbildung 12 zeigt das externe Schallfeldmodell.

Externes Schallfeldmodell.

Im AML befindet sich das Finite-Elemente-Modell der Struktur. Die erste Schicht des AML-Netzes schmiegt sich eng an die Außenfläche der inneren Strukturschale an und eine symmetrische Fläche dient als Untergrund. Die Schallausbreitung weist eine ausgeprägte Richtwirkung auf und auch die an verschiedenen Orten gemessenen Schalldruckpegel sind unterschiedlich. Um die Schalldruckpegelverteilung im Außenfeld der Schiffspumpenaggregate zu erhalten, werden radiale und axiale Überwachungsflächen mit dem Modellkoordinatenursprung erstellt. Sechsunddreißig Überwachungspunkte sind 1 m vom Koordinatenursprung entfernt und der Winkel zwischen jedem Überwachungspunkt beträgt 10°, um die Richtverteilung des externen Feldrauschens zu analysieren. Wie in Abb. 13 dargestellt, wird ein Überwachungspunkt p1 eingerichtet, um die Frequenzgangkurve des externen Feldschalldrucks zu analysieren.

Externes Schallfeldgitter.

Das durch die Flüssigkeitsanregung induzierte externe Feldgeräusch wirkt sich direkt auf die Innenfläche der Pumpe aus und verursacht Vibrationen und Lärm. Abbildung 14 zeigt die Frequenzgangkurve der Flüssigkeitsanregung. Die Hauptfrequenz des externen Feldgeräusches liegt bei der Rotorblattdurchlauffrequenz mit einem Spitzenwert von 51,3 dB. Die harmonischen Frequenzen liegen bei den Vielfachen. Die zweite Hauptfrequenz liegt bei 4 BPF (1180 Hz) und erreicht einen Spitzenwert von 40 dB.

Das Spektrum des Außenfeldrauschens durch Flüssigkeitsanregung.

Die räumliche Verteilung des vom externen Feld abgestrahlten Lärms durch die Flüssigkeitsanregung bei der charakteristischen Frequenz ist in Abb. 15 dargestellt. Die Einlass- und Auslasswasserleitungen beeinflussen die Schallfeldverteilung um die Schiffspumpe erheblich. Der radiale ebene Schalldruck am BPF wird von den Einlass- und Auslasswasserrohren ähnlich einer Wasserwellenform verteilt und gleichmäßig nach außen abgestrahlt. Der Schalldruckpegelgradient nimmt gleichmäßig ab. Die Schalldruckverteilungen für 3BPF und 4BPF auf der Axialebene sind ähnlich und die Schalldruckpegel am Einlass und am Auslass sind relativ hoch. Der Schalldruckpegel am Auslassrohr erreicht 62 dB bei 3BPF und 68 dB bei 4BPF. Der durch Flüssigkeitsanregung erzeugte Lärm hat unterschiedliche Schalldruckpegel bei unterschiedlichen charakteristischen Frequenzen und verursacht unterschiedliche akustische Schwingungskopplungsmuster, sodass auch seine Schalldruckverteilung unterschiedlich ist. Abbildung 16 zeigt, dass die Richtwirkungsverteilung verschiedener Frequenzen nicht gleich ist und der externe Feldschalldruck bei jeder Frequenz kein regelmäßiger Kreis ist. Das äußere Feldgeräusch interagiert mit der Strukturschwingung und strahlt in das Fernfeld ab, wodurch die umgebende Schalldruckverteilung unregelmäßig wird.

Verteilung von Außenfeldgeräuschen durch Flüssigkeitsanregung.

Richtwirkungsverteilung von Außenfeldgeräuschen durch Fluidanregung.

Abbildung 17 zeigt die Frequenzgangkurve des Schalldruckpegels durch den Oberflächendipol. Der vom Oberflächendipol erzeugte Schalldruck wirkt auf die Strukturwand, verursacht Strukturvibrationen und strahlt Lärm nach außen ab. Die Hauptfrequenz des Strahlungsgeräusches liegt bei der Rotorblattdurchlauffrequenz mit einem Spitzenwert von 41 dB. Die zweite Hauptfrequenz tritt bei der vierfachen Blattdurchlauffrequenz von 1180 Hz auf und der Spitzenwert liegt bei 39 dB. Die Eigenschaften jeder harmonischen Frequenz sind ausgeprägt. Aufgrund des Einflusses der Eigenfrequenz der Struktur gibt es viele weitere Spitzen bei der Resonanzfrequenz.

Das Spektrum des Außenfeldrauschens durch den Oberflächendipol.

Die räumlichen und gerichteten Verteilungen des vom Oberflächendipol bei der charakteristischen Frequenz erzeugten externen Feldrauschens sind in den Abbildungen dargestellt. 18 und 19. Die räumlichen und gerichteten Verteilungen des vom Oberflächendipol verursachten externen Feldrauschens sind denen sehr ähnlich, die durch Fluidanregung bei der charakteristischen Frequenz induziert werden. Allerdings sind die Schalldruckpegel des Oberflächendipols an jedem Überwachungspunkt im Durchschnitt 10 dB geringer als die Flüssigkeitsanregung am BPF. Beim 3BPF und 4BPF ist der Unterschied zwischen den Schalldruckpegeln an jedem Überwachungspunkt für Oberflächendipol und Flüssigkeitsanregung gering. Dies zeigt, dass die charakteristischen Frequenzen und die Pumpstruktur eine dominierende Rolle bei der räumlichen Verteilung des abgestrahlten Lärms im Außenfeld spielen. Darüber hinaus bestimmen vor allem die unterschiedlichen Anregungsquellen die Größe des Schallfeldes.

Druckverteilung des Außenfeldrauschens durch den Oberflächendipol.

Richtverteilung des Außenfeldrauschens durch den Oberflächendipol.

Abbildung 20 zeigt die Frequenzgangkurve des durch den rotierenden Dipol induzierten externen Feldschalldruckpegels. Die Hauptfrequenz des externen Feldrauschens durch den rotierenden Dipol liegt beim BPF, und die harmonischen Frequenzen sind bei jedem Vielfachen des BPF verteilt. Der maximale Spitzenwert liegt beim BPF von 51 dB und der Schalldruckpegel nimmt mit steigender Frequenz ab. Darüber hinaus weisen die durch den rotierenden Dipol induzierten externen und internen Feldrauschspektren ähnliche Merkmale auf. Der Schalldruckpegel bei der Eigenfrequenz ist besonders ausgeprägt und bei anderen Frequenzen niedriger. Dies weist auch darauf hin, dass das durch den rotierenden Dipol induzierte Rauschen die Eigenschaften eines Einzeltons hat und sein Beitrag nur bei den charakteristischen Frequenzen reflektiert wird.

Das Spektrum des Außenfeldrauschens durch den rotierenden Dipol.

Die räumlichen und Richtungsverteilungen des vom rotierenden Dipol bei der charakteristischen Frequenz erzeugten externen Feldrauschens sind in den Abbildungen dargestellt. 21 und 22. Der durch den rotierenden Dipol an jedem Überwachungspunkt induzierte Schalldruckpegel ist etwas höher als die Flüssigkeitsanregung am BPF. Beim 3BPF und 4BPF ist der Schalldruck deutlich geringer als die Flüssigkeitsanregung. Das räumliche Verteilungsmuster des durch verschiedene Anregungen induzierten externen Feldstrahlungsrauschens ist nahezu identisch. Allerdings ist das externe Feldrauschen durch Flüssigkeitsanregung im Fernfeld am größten. Da die durch die Fluidanregung erzeugten Pumpenvibrationen im Vergleich zur akustischen Anregung am stärksten sind, dominiert das durch die Fluidanregung erzeugte externe Feldgeräusch. Die von den drei Anregungsquellen erzeugten Schwingungseigenschaften der Pumpe sind jedoch ähnlich. Daher ist auch die räumliche Verteilung des Rauschens bei jeder charakteristischen Frequenz konsistent.

Druckverteilung des Außenfeldrauschens durch den rotierenden Dipol.

Richtungsverteilung des Außenfeldrauschens durch den rotierenden Dipol.

Abbildung 23 vergleicht die Frequenzgangkurven des externen Feldschalldrucks, der durch verschiedene Anregungen erzeugt wird. Das durch unterschiedliche Anregungen induzierte externe Feldgeräusch ist grundsätzlich gleich, und die Hauptfrequenz ist die Blattdurchlauffrequenz, gefolgt von der vierfachen Blattdurchgangsfrequenz. Unterhalb von 1200 Hz ist der Anteil jeder Anregungsquelle relativ konstant. Zwischen 1200 und 2000 Hz dominiert jedoch das externe Feldrauschen durch Flüssigkeitsanregung. Bei der Hauptfrequenz leistet der durch die Fluidanregung und den rotierenden Dipol induzierte Schalldruckpegel einen besseren Beitrag, während der Oberflächendipol einen geringeren Anteil ausmacht.

Breitbandspektrum des Außenfeldrauschens bei unterschiedlichen Anregungen.

Der Schalldruckpegel bei charakteristischen Frequenzen und der Gesamtschalldruckpegel werden verwendet, um den Beitragssatz verschiedener Anregungen zum externen Feldrauschen intuitiv zu bewerten, wie in Tabelle 4 dargestellt. Beim BPF und beim 2BPF die Flüssigkeitsanregung und der rotierende Dipol tragen erheblich zum externen Feldgeräusch der Schiffspumpe bei. Die entsprechenden Schalldruckpegel bei der Hauptfrequenz betragen 51,3 dB und 51,6 dB. Am niedrigsten ist der Oberflächendipol mit 41 dB. Bei 3BPF und 4BPF ist der durch die Flüssigkeitsanregung induzierte Schalldruckpegel ausgeprägt. Darüber hinaus ist der Gesamtschalldruckpegel bei Flüssigkeitsanregung höher als bei Dipolanregung. Daher dominiert das durch die Flüssigkeitsanregung induzierte externe Feldgeräusch das externe Feldgeräusch von Schiffspumpen.

Zur Berechnung des internen Feldrauschens durch Fluidanregung und akustische Anregungen wird die akustische Finite-Elemente-Methode verwendet, und das externe Feldrauschen durch verschiedene Anregungsquellen wird auf Basis der AML-Methode berechnet. Analysiert werden die spektralen Eigenschaften verschiedener Anregungsquellen und die Verteilung des abgestrahlten Schallfeldes. Es werden die Beiträge verschiedener Anregungsquellen zu den internen und externen Schallfeldern aufgezeigt. Die Schlussfolgerungen lauten wie folgt:

Die Hauptfrequenz des durch verschiedene Anregungsquellen induzierten internen Feldrauschens verteilt sich auf den BPF (295 Hz). Die zweite Hauptfrequenz liegt bei 2BPF (590 Hz), und jede charakteristische Frequenz ist auf jedes Vielfache des BPF verteilt. Bei der Hauptfrequenz nimmt das durch den Dipol induzierte interne Feldrauschen eine dominierende Stellung ein. Oberhalb von 3BPF (885 Hz) dominiert allmählich die Flüssigkeitsanregung.

Das breitbandige Spektrum des durch den Oberflächendipol induzierten internen Feldrauschens stimmt mit dem Testergebnis überein. Die gesamten Schalldruckpegelfehler des Oberflächendipols, des rotierenden Dipols und der Fluidanregung betragen 1,1 %, 1,25 % bzw. 1,4 %. Der Beitrag zum Gesamtschalldruckpegel des Innenfeldlärms ist wie folgt geordnet: Oberflächendipolanregung (180,6 dB) > rotierende Dipolanregung (180,4 dB) > Flüssigkeitsanregung (180,2 dB).

Die Hauptfrequenz des externen Feldrauschens ist die Rotorblattdurchlauffrequenz, wobei die rotierende Dipolanregung mit 51,6 dB den größten Beitrag leistet und der Oberflächendipol mit 41 dB am niedrigsten ist. Das durch die Flüssigkeitsanregung induzierte externe Feldrauschen ist dominant, insbesondere zwischen 1200 und 2000 Hz. Darüber hinaus ist die äußere Schallfeldverteilung bei verschiedenen Anregungen im Allgemeinen gleich. Der gesamte Schalldruckpegelbeitrag des externen Felds ist wie folgt geordnet: Flüssigkeitsanregung (129,2 dB) > rotierende Dipolanregung (137,3 dB) > Oberflächendipolanregung (136,3 dB).

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Die Autoren bedanken sich für finanzielle Unterstützung durch die National Natural Science Foundation of China (Nr. 51879122, 51779106), das National Key Research and Development Program of China (Grant Nos. 2016YFB0200901, 2017YFC0804107), den Zhenjiang Key Research and Development Plan (GY2017001, GY2018025), Offenes Forschungsthema des Schlüssellabors für Fluid- und Energiemaschinen, Bildungsministerium, Universität Xi-hua (szjj2017-094, szjj2016068), Schlüssellabor der Provinz Sichuan für Prozessausrüstung und -steuerung (GK201614, GK201816), Programm zur Ausbildung junger Talente der Universität Jiangsu- Hervorragender junger Backbone-Lehrer, Programmentwicklung der Jiangsu Higher Education Institutions (PAPD) und Jiangsu Top-6-Talent-Gipfelprojekt (GDZB-017).

Nationales Forschungszentrum für Pumpen, Jiangsu-Universität, Zhenjiang, 21.2013, China

Houlin Liu & Liang Dong

Forschungszentrum für Fluidmaschinentechnik und -technologie, Jiangsu-Universität, Zhenjiang, 21.2013, China

Runze Zhou, Qi Pan, Qijiang Ma, ZhiMing Cheng und Xiaolin Wang

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HL war für die Initiierung von Ideen und die Leitung der Forschungsdurchführung verantwortlich. RZ hat zum Schreiben beigetragen – Originalentwurf, Überprüfung und Bearbeitung. QP führte die numerische Simulation und das Experiment durch. LD, QM, ZC und XW trugen konstruktive Diskussionen, Korrekturen und Kommentare bei, um die Qualität der Veröffentlichung zu verbessern.

Korrespondenz mit Liang Dong.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Liu, H., Zhou, R., Pan, Q. et al. Eigenschaften des Rauschspektrums von Schiffspumpeneinheiten, die durch verschiedene Anregungsquellen induziert werden. Sci Rep 12, 8678 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12755-8

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Eingegangen: 26. November 2021

Angenommen: 16. Mai 2022

Veröffentlicht: 23. Mai 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12755-8

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