弹性充液管道声传输特性研究

摘要

弹性充液管道在船舶及飞行器的液体输送管路、石油系统的长距离传输、化工液体的存贮与输送、城市供水与供暖系统以及核电站冷却水管路等等多个方面都有着重要的应用。在应用过程中往往会遇到管道内声波信息的传输与检测、管路的减振降噪等问题。但是由于声波在充液管道中传播问题的研究相对较少，所以这也成为了相关研究的瓶颈问题。正是因为声波在充液管道中传播问题的相关研究相对较少，所以在实际应用中经常会借用声波在空气管道中传播的相关结论进行操作。但是由于空气与金属管壁的特性阻抗相差较大而液体与金属管壁的特性阻抗相差较小的原因，充气管道的管壁可以认为是刚性边界，而充液管道的管壁则很难用刚性边界来处理。这就导致了很多声波在充气管道中传播问题的结论在充液管道中并不正确。所以，对于充液弹性管道的声传输特性进行研究是十分有必要的。
　　本文以充液管道传输系统的能量传输为研究背景，对弹性充液管道中的声场进行建模。利用严格的数学物理方法获得了弹性充液管道中的本征方程、本征值以及管道内的声传输特性。证明了弹性充液管道声场的通解中没有平面波的本征值，从而证明了弹性充液管道中声波低频截止的特性。并且用一种管道壁厚与管道内径相等的声管进行了实验验证。同时针对弹性充液管道开展了管道参数及安装方式对声传输特性影响的研究。
　　根据弹性充液管道内的声传播特性设计了一种新型管路消声器，并提出了一种消声器插入损失定量测量的方法。消声器利用细管截止频率更高的特点，采用多根细管并联的形式作为消声器的主体部分，两侧采用变截面管进行连接，有效的提高了消声器的截止频率，拓宽了消声器的工作频段。同时，采用细管并联的形式可以对管道内的流体进行整流，降低管道内湍流的脉动压力，从而对充液管路内液体流动时激发的流噪声起到一定的消声作用。所以新型消声器具有工作频带宽，消声效果好，对低频声波可以有效的抑制，对流噪声也有消声作用的特点。另外，分别测量管道中是否存在消声器时，声源辐射的声波经过管道传输后在管道口向外辐射的声功率，可以通过计算插入损失的形式对消声器的消声效果进行评价。
　　在实验过程中发现，当将水泵作为声源连接在管道一端时，水泵叶片工作时产生的脉动压力会以液体内脉动压力的形式通过管道，并在管道口以质量源的形式向混响箱内辐射声能。并且由于管道中存在湍流，所以管道中布放水听器进行测量管道声传输特性的做法并不可取。这是由于管道中的脉动压力作用在水听器表面会产生一定的“伪声”。而通过混响法测量管道口辐射的由脉动压力转化而成声波的声功率，可以有效的避免“伪声”引入的测量误差。而且由于理论上混响箱中测量得到的声能量与管道中的声能量是相等的。所以采用混响法进行测量时，可以有效的降低测量误差的同时也提高了测量的效率。

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第 1 章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容

第 2 章 弹性管道内的声场

2.1 柱坐标下弹性体中的波动方程

2.2 充液管道内声场两种理想计算模型

2.3 弹性充液管道内的声场的严格解

2.4 弹性充液管道内部声场的一般特性

2.5 弹性充液管道声传输特性的实验验证

2.6 本章小结

第 3 章 管壁参数对于声传播特性的影响

3.1 弹性体材质对声传输特性的影响

3.2 弹性充液管道管壁厚度对声传播特性的影响

3.3 弹性充液管道纵振动对声传输特性的影响

3.4 本章小结

第 4 章 管道连接方式对于声传输特性的影响

4.1 管道与箱体的连接方式与影响

4.2 橡胶圈与缝隙对于声场的影响

4.3 声源安装方式对于声场的影响

4.4 本章小结

第 5 章 新型消声器的声传输特性

5.1 管道消声器的评价

5.2 新型充液管道消声器结构

5.3 消声器结构的评价

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

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