Características do espectro de ruído de unidades de bombas marítimas induzidas por diferentes fontes de excitação

Jul 12, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 8678 (2022) Citar este artigo

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Para estudar as características do espectro de ruído de unidades de bombas marítimas induzidas por diferentes fontes de excitação, foi estabelecido um modelo aeroacústico computacional (CAA) do ruído de campo interno e externo de uma bomba marítima. O método de vibração acústica acoplada foi utilizado para obter as características do espectro de ruído de campo interno e externo. A precisão e a viabilidade do método de simulação para previsão de ruído foram confirmadas por meio de um teste de ruído. Devido aos diferentes meios nos campos interno e externo da bomba marítima, um modelo acústico de campo externo foi estabelecido com base na tecnologia de camada automaticamente combinada (AML). As características espectrais de diferentes fontes de excitação e a distribuição espacial do campo sonoro irradiado foram analisadas, e a contribuição de diferentes excitações de fontes sonoras para o campo sonoro interno e externo foi revelada. Os resultados mostram que a frequência principal do ruído de campo interno gerado por diferentes excitações está na frequência de passagem da pá, e o ruído de campo interno induzido pelas excitações acústicas dipolo domina em 180,6 dB. Para o ruído de campo externo, a frequência principal ainda está localizada na frequência de passagem da pá. O ruído de radiação induzido pela excitação do fluido (139,2 dB) é maior do que o induzido pelas excitações do dipolo (dipolo de superfície, 136,3 dB; dipolo rotativo, 137,3 dB).

As bombas centrífugas marítimas são equipamentos auxiliares essenciais em navios e desempenham um papel vital na operação regular dos navios. As bombas marítimas produzem ruído alto durante a operação e o mecanismo de geração de ruído é complexo. O nível de ruído das bombas marítimas é crítico, especialmente para embarcações militares. Vibração e ruído são inseparáveis ​​durante a operação da bomba. A vibração gera ruído e o ruído também afeta a vibração. Existem muitas fontes de ruído para unidades de bombeamento, e a fonte mais comum é o ruído causado pela vibração das unidades de bombeamento, que é o ruído de vibração estrutural. O ruído gerado pelo escoamento do fluido é chamado de ruído hidrodinâmico1,2,3,4, que tem maior contribuição para o ruído das unidades bombeadoras, e o mecanismo de geração também é complicado.

O conceito de ruído hidrodinâmico foi inicialmente desenvolvido devido à teoria de analogia acústica de Lighthill5. Posteriormente, Williams e Hawkings6 aplicaram a equação governante ao problema de contorno do movimento sólido e propuseram a famosa equação FW-H para dividir as fontes de ruído hidrodinâmico em fontes de som monopolo, dipolo e quadrupolo. Para facilitar a compreensão, os estudiosos classificaram o ruído em ruído de banda larga e ruído discreto, ou seja, ruído de tom único7. Entre o ruído induzido pelo fluxo da bomba, o ruído da fonte monopolo é induzido pelo efeito de compressão de volume da cavitação da bomba e é um ruído discreto. A fonte dipolo é causada principalmente pela força flutuante instável do fluido atuando na superfície da estrutura, que inclui ruído de banda larga e ruído discreto. A fonte quadrupolo é causada pela turbulência gerada pelo fluxo de fluido em alta velocidade, que é classificada como ruído de banda larga8.

Dong et al.9 estudaram as características de pulsação de pressão e força radial no processo de escoamento não estacionário em diferentes estágios de cavitação por meio de testes. Howe10,11 apontou que a principal fonte de som de máquinas rotativas é a fonte de som dipolar causada pela força instável e propôs que o campo de fluxo pode ser resolvido primeiro e depois o campo de som pode ser resolvido de acordo com os resultados obtidos do campo de fluxo. Zhou et al.12 propuseram que as fontes de ruído hidrodinâmico são semelhantes quando os números de Reynolds do fluido são semelhantes. Os principais cálculos acústicos para campos internos e externos de bombas são o método dos elementos de contorno (BEM) e o método dos elementos finitos (FEM). Si et al.13 usaram o BEM direto para calcular o campo sonoro em uma bomba centrífuga e descobriram que a frequência de passagem da pá e o multiplicador são as frequências características do ruído induzido pelo fluido. Cai et al.14 e Yu et al.15 também utilizaram esse método para calcular o ruído interno de bombas submersíveis de esgoto e bombas autoescorvantes de vórtice. Allen16 propôs o FEM/BEM acoplado para calcular o ruído irradiado da estrutura pela camada limite, usando a pressão flutuante na parede para definir a excitação no sistema acústico estrutura. Warszawski et al.17 usaram o FEM/BEM para estudar as características de propagação de ondas acústicas geradas por interações fluido-estrutura. Han et al.18 realizaram o cálculo do acoplamento acústico-vibração para a estrutura con-shell pelo FEM/BEM, obtiveram o nível de pressão sonora no ponto de medição e verificaram a precisão do resultado do cálculo por meio de experimentos. Liu et al.19 estudaram a influência do ângulo de saída da pá e da largura no ruído induzido pelo fluido da bomba centrífuga pelo método BEM direto. Dai et al.20 também calcularam o ruído de campo externo de uma bomba centrífuga por vibração acústica acoplada.