Caratteristiche dello spettro del rumore di gruppi motopompe marini indotto da diverse sorgenti di eccitazione

Jul 12, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 8678 (2022) Citare questo articolo

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Per studiare le caratteristiche dello spettro del rumore delle unità di pompaggio marino indotte da diverse fonti di eccitazione, è stato creato un modello aeroacustico computazionale (CAA) del rumore di campo interno ed esterno di una pompa marina. Il metodo accoppiato acustico-vibrazione è stato utilizzato per ottenere le caratteristiche dello spettro del rumore di campo interno ed esterno. L'accuratezza e la fattibilità del metodo di simulazione per la previsione del rumore sono state confermate attraverso un test del rumore. A causa dei diversi mezzi nei campi interno ed esterno della pompa marina, è stato stabilito un modello acustico del campo esterno basato sulla tecnologia AML (Automatic Matched Layer). Sono state analizzate le caratteristiche spettrali delle diverse sorgenti di eccitazione e la distribuzione spaziale del campo sonoro irradiato, ed è stato rivelato il contributo delle diverse eccitazioni delle sorgenti sonore al campo sonoro interno ed esterno. I risultati mostrano che la frequenza principale del rumore di campo interno generato da diverse eccitazioni è alla frequenza di passaggio della pala, e il rumore di campo interno indotto dalle eccitazioni acustiche del dipolo domina a 180,6 dB. Per il rumore del campo esterno, la frequenza principale si trova ancora sulla frequenza di passaggio della pala. Il rumore radiante indotto dall'eccitazione del fluido (139,2 dB) è superiore a quello indotto dalle eccitazioni del dipolo (dipolo superficiale, 136,3 dB; dipolo rotante, 137,3 dB).

Le pompe centrifughe marine sono apparecchiature ausiliarie essenziali sulle navi e svolgono un ruolo vitale nel regolare funzionamento delle navi. Le pompe marine producono un forte rumore durante il funzionamento e il meccanismo di generazione del rumore è complesso. Il livello di rumore delle pompe marine è fondamentale, soprattutto per le navi militari. Vibrazioni e rumore sono inseparabili durante il funzionamento della pompa. Le vibrazioni generano rumore e anche il rumore influisce sulle vibrazioni. Esistono molte fonti di rumore per le unità pompa e la fonte più comune è il rumore causato dalla vibrazione delle unità pompa, ovvero il rumore delle vibrazioni strutturali. Il rumore generato dal flusso del fluido è chiamato rumore idrodinamico1,2,3,4, che contribuisce maggiormente al rumore delle unità di pompaggio e anche il meccanismo di generazione è complicato.

Il concetto di rumore idrodinamico è stato inizialmente sviluppato grazie alla teoria dell’analogia acustica di Lighthill5. Successivamente, Williams e Hawkings6 applicarono l'equazione governante al problema al contorno del moto solido e proposero la famosa equazione FW-H per dividere le sorgenti sonore idrodinamiche in sorgenti sonore monopolari, dipolari e quadrupolari. Per facilità di comprensione, gli studiosi hanno classificato il rumore in rumore a banda larga e rumore discreto, ovvero rumore a tono singolo7. Tra i rumori indotti dal flusso della pompa, il rumore della sorgente unipolare è indotto dall'effetto di compressione del volume della cavitazione della pompa ed è un rumore discreto. La sorgente del dipolo è causata principalmente dalla forza fluttuante instabile del fluido che agisce sulla superficie della struttura, che include rumore a banda larga e rumore discreto. La sorgente quadrupolare è causata dalla turbolenza generata dal flusso del fluido ad alta velocità, classificata come rumore a banda larga8.

Dong et al.9 hanno studiato le caratteristiche della pulsazione di pressione e della forza radiale nel processo di flusso instabile in diversi stadi di cavitazione attraverso test. Howe10,11 ha sottolineato che la principale sorgente sonora delle macchine rotanti è la sorgente sonora dipolare causata dalla forza instabile e ha proposto che il campo di flusso possa essere risolto prima e poi il campo sonoro possa essere ulteriormente risolto in base ai risultati del campo di flusso ottenuti. Zhou et al.12 hanno proposto che le sorgenti del rumore idrodinamico siano simili quando i numeri di Reynolds del fluido sono simili. I principali calcoli acustici per i campi interni ed esterni delle pompe sono il metodo degli elementi al contorno (BEM) e il metodo degli elementi finiti (FEM). Si et al.13 hanno utilizzato il BEM diretto per calcolare il campo sonoro in una pompa centrifuga e hanno scoperto che la frequenza di passaggio della pala e il moltiplicatore sono le frequenze caratteristiche del rumore indotto dal fluido. Anche Cai et al.14 e Yu et al.15 hanno utilizzato questo metodo per calcolare il rumore interno delle pompe sommergibili per acque reflue e delle pompe autoadescanti a vortice. Allen16 ha proposto l'accoppiamento FEM/BEM per calcolare il rumore irradiato dalla struttura dallo strato limite, utilizzando la pressione fluttuante sulla parete per definire l'eccitazione sul sistema struttura-acustica. Warszawski et al.17 hanno utilizzato il FEM/BEM per studiare le caratteristiche di propagazione delle onde acustiche generate dalle interazioni fluido-struttura. Han et al.18 hanno realizzato il calcolo dell'accoppiamento acustico-vibratorio per la struttura a conchiglia tramite FEM/BEM, hanno ottenuto il livello di pressione sonora nel punto di misurazione e hanno verificato l'accuratezza del risultato del calcolo attraverso esperimenti. Liu et al.19 hanno studiato l'influenza dell'angolo di uscita della pala e della larghezza sul rumore indotto dal fluido della pompa centrifuga mediante il metodo BEM diretto. Dai et al.20 hanno anche calcolato il rumore del campo esterno di una pompa centrifuga mediante vibrazione acustica accoppiata.