空化噪声声压级差与相对能量关系的测量

空化噪声声压级差与相对能量关系的测量1

曲景学，许唯临，王韦

水力学与山区河流开发保护国家重点实验室（四川大学）（610065）

E-mail: xu_wl@

摘要：本文研究了高速水流空化初生的两种噪声判别指标，即声压级差和相对能量之间的关系。以有压泄洪洞内消能孔板和泄洪洞有压转无压弧形工作闸门出口为例，进行了空化噪声测试。研究表明，对于同一体型的过水建筑物，声压级差最大值、平均值和相对能量三者相互之间存在良好的对应关系。对不同体型的过水建筑物，这种关系有所不同。但这种关系对于同一体型的适当修改并不敏感，对于水听器的布置亦不敏感。这些结果有助于在分别采用这两种指标来判别空化初生时，合理确定空化初生标准，使两种指标能够相互协调和比较。关键词：空化初生，噪声，声压级，声能

1. 引言

空化与空蚀是高坝工程中最为关心的水力学问题之一。长期以来，对此问题的研究一直为水利水电设计和科研人员所重视。除空化与空蚀的机理和工程防护措施外，实验技术也是一个重要的方面。其中空化初生的实验判别问题直接与实际工程的空化预测密切相关。

在研究实际工程空化问题的减压模型实验中，初生空化的判定方法主要是目测法和声学法。由于目测法受人为因素影响较大，且只适用于水流为清水的情况，因此声学法常被作为判定空化初生的最主要的方法。声学法利用空泡溃灭时产生的高频噪声来辩识空化是否发生。在具体运用时，声学法又可分为声压级法和能量—真空度法等[1]。声压级法是将不同真空度下高频部分的噪声声压级与无空化时的背景噪声声压级加以比较，当声压级差达到一定程度时，即认为发生了空化。能量—真空度法是根据噪声能量随真空度的变化，当噪声能量开始显著增加时，即认为空化初生。虽然空化初生时声压级差（一般采用高频各频段的最大差值，即声压级差最大值）或相对噪声能量（空化初生时的噪声能量与背景噪声能量之比）的临界值与空化类型、被测对象的尺度等有关，难以确定统一的标准[2]，但许多情况下，这种临界值应是较为接近的。在一般的水工泄水建筑物减压模型实验中，采用较多的空化初生判别标准如：声压级差最大值（∆SPL）max = 5dB或10dB等；或相对能量E/E0=2等。

显然，不同的判别指标之间需要协调一致。当不同的研究者或同一研究者分别采用声压级差最大值和相对能量两种指标来判别空化初生时，必须了解两种指标之间的相互关系，这正是本文所要研究的问题。

2. 实验布置

1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金资助（20020610017）。

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2.1减压箱

本次试验在四川大学高速水力学国家重点实验室的大型减压箱中进行，箱体长20米，宽1米。自下游箱体底板起算，下游箱体高2.8米，上游箱体高4米，进水塔顶部高出上游箱体顶部1.2米。最大流量0.75立方米/秒。运行操作在中心控制室进行，观察、操作方便。

2.2噪声测量系统

噪声测量采用丹麦B&K公司制造的8103型水听器、2635型电荷放大器、2636型测量放大器和JV5200动态信号分析仪。由水听器采集的噪声信号经电荷放大器和测量放大器进入动态信号分析仪，经空化噪声专用软件分析处理后获得所需的声压级和噪声能量数据。噪声测量系统配置如图1所示。

图1 噪声测量系统配置图

2.3测试对象

实验分别针对有压泄洪洞内消能孔板和泄洪洞有压转无压弧形工作闸门出口进行[3]。模型泄洪洞由10mm有机玻璃制作，孔板用有机玻璃经车床加工而成。有压洞横截面为圆形，直径36.25cm，洞内有三道消能孔板，孔板厚5.63cm，收缩断面直径分别为25.0cm、26.25cm 和26.25cm。弧形闸门前有压洞出口顶压坡1:5, 底部有坡度1:4，坎高0.5cm的底挑坎，孔口分左右两孔，每孔宽度12.0cm。

3. 实验结果与分析

图2和图3分别为消能孔板和闸门室的噪声相对能量随相对真空度的变化。其中图2（a）、（b）、（c）分别来自前、中、后三个孔板；图3（a）、（b）、（c）分别来自闸门室的边墙、中墩和底板。这里的相对真空度系某真空度（η）与相似真空度（ηm）之比，相对能量系某相对真空度下的噪声能量（E）与相对真空度为0.8时测得的背景噪声能量（E0）之比。图2和图3的测试条件为：以有压流出口底高程计，总水头约3.25m，流量约0.16m3/s。

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图2 孔板噪声相对能量与相对真空度关系图3闸门室噪声相对能量与相对真空度关系

由图2和图3可见，消能孔板和闸门室的相对真空度与相对能量之间的关系有所不同。孔板段的η/ηm~E/E0曲线在η/ηm=1处抬升很微弱，在η/ηm=1.01处大致增加到E/E0=2附近，在η/ηm=1.02时，E/E0已经历了一个陡增过程。相对于孔板段而言，闸门室的η/ηm~E/E0曲线在η/ηm=1附近的变化相对不很陡峻，在η/ηm=1处已增至E/E0=2以上，在η/ηm=1.01时，E/E0已增至4以上，而在η/ηm=1.02之前，未如孔板段那样出现η/ηm~E/E0曲线的陡增。

图4为试验测得的孔板段噪声声压级频谱图，其中图4(a)、(b)、(c)分别为前、中、后三个孔板。各图中最下方一条曲线是在相对真空度为0.8的条件下测得的背景噪声曲线，随着真空度的增加，曲线逐渐抬升。由于空化噪声系高频噪声，因此曲线的低频段基本稳定。在频率大于160KHz的特高频段，由于超出了测试系统的量程范围，因此该段曲线不具分析价值。

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图4 消能孔板噪声声压级频谱图

由于噪声声压级和噪声能量均为反映噪声强度的指标，因此噪声声压级差平均值和噪声相对能量之间应存在对应关系。问题是噪声声压级差平均值和最大值之间的相关性如何。只有在噪声声压级差平均值和最大值之间也存在良好对应关系的情况下，噪声声压级差最大值和噪声相对能量之间才会存在良好对应关系。由图5可见，噪声声压级差平均值和最大值之

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间的相关性很好。

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图5 声压级差最大值与平均值的关系

另一个问题是上述关系对于过流体型的依赖性如何，对于不同的过流体型，这种关系是否相同；对于同一过流体型的适当修改，这种关系是否敏感。前已述及，消能孔板和闸门室的相对真空度与相对能量之间的关系有所不同，因此可以预计，对于不同的过流体型，噪声声压级差最大值和噪声相对能量之间的关系将有所不同。对同一体型的过水建筑物，由图2~4可见，噪声声压级频谱曲线和相对能量与相对真空度的关系曲线具有类似的分布规律。因此同样可以预计，对同一体型的过水建筑物，在声压级差最大值、平均值（在10KHz~160KHz 范围内）和相对能量三者相互之间应存在相对稳定的对应关系。

图6和图7证实了上述分析，图中的噪声声压级差平均值和噪声相对能量之间的关系以及噪声声压级差最大值和噪声相对能量之间关系的相关性均很好。相比之下，噪声声压级差平均值和噪声相对能量之间关系的相关性又较噪声声压级差最大值和噪声相对能量之间关系的相关性更好，这也和上述分析是一致的。

由图6和图7可见，对于不同体型的过水建筑物，（∆SPL ）max ~E/E 0关系确有所不同。从图中还可看到，对于同一体型过水建筑物的适当修改，（∆SPL ）max ~E/E 0关系并不敏感。对于前述三个在体型上有微小差异的消能孔板，以及在孔板上游面加与未加消涡环，（∆SPL ）

max ~E/E 0关系均可统一绘成一个图（图

7a ）。

同时，（∆SPL ）max ~E/E 0关系对于水听器的布置亦不敏感。对于闸门室边墩、底板和中墩，（∆SPL ）max ~E/E 0关系亦可统一绘成一个图（图7b ）。