低速物体入水溅落声特性研究

　　0 引言

　　物体从空气中投入到水中时所产生的水下噪声,一般被称为物体溅落声。对物体溅落声的研究可分为对低速物体溅落声的研究和对高速物体溅落声的研究两个方面。对低速物体溅落声的研究,如Rich-ardson对低速球体溅落引起的空气传导声和水下噪声进行了实验研究和分析; Franz对水滴、球体、锥体和楔体等形状物体的溅落声进行了研究,并给出了定性分析和定量分析结果。对高速物体溅落声的研究,Leslie对高速弹头入水噪声的机理和能量分布进行了研究,指出声能主要来自各次气泡脉动声;鲍筱玲和汤渭霖等侧重对高速物体的初始击水声的波形特征、方向性、谱特性以及斜入射时幅值变化规律等进行研究,并建立了用以估算击水声压幅度和第一次气泡脉动出现时刻的无因次量关系式。

　　本文主要对低速物体入水产生的溅落声进行实验研究,了解溅落声的强度与入水角度和物体尺度的关系以及溅落声的声脉冲形状和频谱特性的特点。实验模型为5个两端带半球壳帽的圆柱壳体,模型之间具有一定缩比关系。

　　1 实验概况

　　实验是在10mX5mX4m的室内水池中进行。实验用的接收水听器为声压水听器B&K8101和复合式的二维低频矢量水听器。B&K8101是一种内置前置放大器的宽频程通用测量水听器,它的灵敏度为-184dB,可用频率范围为(在+1.5~-2.5dB起伏范围内)0.1Hz~60kHz。矢量水听器的声压灵敏度为-190dB,振速x和振速y灵敏度均为-190dB(在1kHz处),可用频率范围为10Hz~1. 5kHz。接收水听器的布放示意图见图1所示,其中A为声压水听器B&K8101,吊深约1. 5m, B为矢量水听器,吊深约1m,二者相距1m。

　　声压水听器B&K8101接收到的信号经过测量放大器B&K2636输出给程控滤波放大器,矢量水听器输出的各路信号直接输出给程控滤波放大器,程控滤波放大器再将各路信号输出至磁带记录仪进行数据记录。实验仪器连接框图如图2所示。

　　实验的几何关系如图3所示。取入水点O为坐标原点,xy平面与水平面重合,z轴垂直水平面向下。假设模型速度矢量U始终在xz平面内,在此规定入水角度θ为模型中轴线与x轴正向的夹角。对于低速物体,当其在空中自由飞行时,由于自由落体的作用,在模型入水时刻其中轴线与矢量U之间将存在一个攻角α。

　　实验主要测量模型入水角度H分别取30°C,40°C,50°C, 60°C, 70°C, 90°C的溅落声,每个入水角度投放5次,其中入水角度H为90°C,即模型从3.4m高处自由落入水中。五个实验模型的有关几何参数见表1。

　　2 实验结果分析

　　实验结果表明,从低速自由落体至高速弹头的溅落声,主要由击水声和气泡脉动信号串组成,而在二者之间又存在一个明显的“寂静”区间,其间没有重要的噪声辐射[2, 3]。击水声和气泡脉动声与物体撞击水面及其在水中的运动过程紧密相关,因此分析起来较为困难。根据击水声的形成机理右知,决定击水声的主要参数为:流体密度、声速;物体尺度、密度、入水速度和角度。另外,击水声相对气泡脉动声起伏不大,但气泡脉动声的起伏却很大,一般有±5dB,这也给分析带来一定困难。基于上述原因,一般主要从时域和频域两个方面对溅落声的特性进行分析。