1.本发明属于水声技术领域，尤其是涉及一种水下机械式低频噪声生成装置。
背景技术：2.水下低频声源的应用需求非常广泛迫切，尤其是在目标的准确模拟上。但低频特征声源生成和控制是一项技术瓶颈，也是国内外相关领域极为关注的共性问题。
3.目前业内主要依托水声换能装置模拟各类船艇噪声频谱特性，实现探测识别、干扰对抗的目的。常规水声换能装置通过预先录制或数值运算得到噪声频谱，经数字电路处理，再利用电致伸缩效应和压电效应来产生特定频率的噪声。该方法模拟噪声的频率可控性、连续性好，可模拟从启动、变速到稳定航行等多种工况下的噪声频谱特性，但在低频噪声(100hz以下)模拟上却面临技术瓶颈，一般地，频率越低、工作水深越大，水声换能装置的设计难度越大，这是由于要实现低频噪声的模拟，该装置的尺寸与重量较大，搭载平台容纳空间及供能能力有限，形成凸出矛盾；另外在水下使用时该装置的性能还受到水压及温度的制约。
4.当前能实现低频噪声发射的水声环换能器部分种类如下所示：
[0005][0006][0007]
当前水声换能器存在低频限制下受尺寸重量制约，结构复杂，成本高，工作水深温度对性能影响大等问题。
[0008]
水下环境对水声换能器性能的影响主要由静水压力和温度两个方面，静水压力会使换能器材料的机电性能、无源材料的声学和力学性能、结构材料的应力应变特性、电气构件的电气特性发生变化，不同静水压力下水声换能器会有不同的电声性能；深度引起的温度变化会使换能器阻抗、电容等性能发生变化，与电路部件发生失配。
[0009]
另外，深水换能器“在线”测试也受到试验条件的限制，常压水池只能测试换能器在几米水深的性能，仅能做高静压水压试验，验证在深水情况下有无损坏，但无法获得深水下的实际性能。
技术实现要素：[0010]
本发明提供了一种水下机械式低频噪声生成装置，可应用于水下低频噪声信号的
模拟，避免了复杂的电-声转化结构，减小了整体装置的尺寸与重量。
[0011]
本发明的技术方案如下：
[0012]
一种水下机械式低频噪声生成装置，包括低频生成桨、低转速动力电机和至少一个来流干扰器，所述的低频生成桨安装在低转速动力电机的轴伸端，使用锁紧螺母固定；所述的来流干扰器设置在低转速动力电机上靠近低频生成桨一侧的外壳上，来流干扰器与低频生成桨的桨盘面平行；
[0013]
所述低转速动力电机的尾端通过静密封安装有电机控制器，所述的电机控制器采用水密接头与搭载平台传递数据，用于调节低转速动力电机的转速，实现低频频率控制。
[0014]
本发明可根据已有噪声频谱，通过水动力数值模拟湍动来流激励与桨叶流体动力响应，建立低频线谱噪声激励源的理论模型，得到相应的来流干扰器及桨叶叶型设计参数，加上低转速动力电机即可实现特定的低频噪声，避免了复杂的电-声转化结构。
[0015]
上述技术方案中，所述的低转速动力电机用于提供动力，采用来流干扰器扰动低频生成桨的进流流场，通过低频生成桨的旋转叶轮产生低频噪声。
[0016]
可选择地，可采用机械密封的低转速动力电机，也可以替换为屏蔽电机、磁流体密封电机、内置水压或油压循环润滑过滤装置和隔膜补偿平衡的压力平衡式电机等可用于深水的电机方案。
[0017]
可选择地，可采用单一、静态的来流干扰器，也可以替换为若干数量、主动式来流干扰器，以实现扰动桨进流的流场。
[0018]
可选择地，低频生成桨可替换为其他特殊设计的旋转机械，以实现特定低频噪声的产生。
[0019]
进一步地，所述来流干扰器与低频生成桨的桨盘面间距不大于0.1d，d为低频生成桨的直径。
[0020]
进一步地，所述的低转速动力电机设有成对的角推力轴承，用于承受低频生成桨旋转产生的推力。
[0021]
进一步地，所述低转速动力电机的外壳静密封采用o型圈形式，轴伸处的旋转密封采用机械密封形式，用于实现大深度水下工作。
[0022]
进一步地，所述低转速动力电机的轴伸端安装有水润滑轴承来支撑低转速动力电机的主轴。
[0023]
进一步地，水下机械式低频噪声生成装置的工作频率由低转速动力电机的转速与低频生成桨的桨叶数决定，即工作频率＝电机转速
×
叶数。
[0024]
进一步地，水下机械式低频噪声生成装置的最大声源级由来流干扰器与低频生成桨的桨叶叶型设计参数决定，具体为：
[0025]
根据已有噪声频谱，通过水动力数值模拟湍动来流激励与桨叶流体动力响应，建立低频线谱噪声激励源的理论模型，得到相应的来流干扰器与低频生成桨的桨叶叶型设计参数。
[0026]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0027]
(1)常规水声换能装置通过预先录制或数值运算得到噪声频谱，经数字电路处理，再利用电致伸缩效应和压电效应来产生特定频率的噪声。本发明则根据已有噪声频谱，通过水动力数值模拟湍动来流激励与桨叶流体动力响应，建立低频线谱噪声激励源的理论模
型，得到相应的来流干扰器及桨叶叶型设计参数，加上低转速动力电机即可实现特定的低频噪声，避免了复杂的电
‑‑
声转化结构，减小了整体装置的尺寸与重量，并且本发明部件制备成本较低。
[0028]
(2)常规水声换能装置在大水深工作时，性能收到温度与压力的影响。本发明来流干扰器与桨叶均无需密封，电机密封技术已较为成熟，低频噪声产生机理与水压、温度关系较小，因此可实现大水深工作；并且在常规水深得到的性能指标与深水性能基本一致。
附图说明
[0029]
图1为本发明一种水下机械式低频噪声生成装置的整体结构示意图。
[0030]
图中：1-低频生成桨；2-来流干扰器；3-低转速动力电机；4-电机控制器；5-水密接头；6-锁紧螺母；7-水润滑轴承；8-机械密封；9-角推力轴承。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0032]
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
[0033]
当前水声换能器存在低频限制下受尺寸重量制约，结构复杂，成本高，工作水深温度对性能影响大等问题。本发明从螺旋桨、泵喷等推进器的噪声机理出发，采用机械方法生成、模拟低频噪声是一条全新的技术途径，基本原理与常规水声换能器声-电转化模式完全不同。
[0034]
如图1所示，一种水下机械式低频噪声生成装置，包括低频生成桨1、来流干扰器2和低转速动力电机3。
[0035]
来流干扰器2设置在低转速动力电机3的外壳上，低频生成桨1安装在低转速动力电机3的轴伸端，使用锁紧螺母6固定；来流干扰器2与低频生成桨1的桨盘面平行，间距不大于0.1d，其中，d为低频生成桨1的直径。
[0036]
低转速动力电机3设有成对的角推力轴承9，可承受桨旋转产生的推力；电机壳体静密封采用o型圈形式，轴伸处旋转密封采用机械密封8形式，可实现大深度水下工作。
[0037]
轴伸处安装水润滑轴承7支撑低转速动力电机3主轴；电机控制器4采用静密封安装在电机另一端，采用水密接头5与搭载平台传递数据，用于调节电机转速，实现低频频率可控。
[0038]
本发明由低转速动力电机3提供动力，采用来流干扰器2扰动螺旋桨进流流场，通过旋转叶轮产生低频噪声。
[0039]
本发明水下机械式低频噪声生成装置的工作频率由电机转速与桨叶数决定，即工
作频率＝电机转速
×
叶数。
[0040]
本发明水下机械式低频噪声生成装置的最大声源级由来流干扰器与桨叶叶型设计参数决定。
[0041]
常规水声换能装置通过预先录制或数值运算得到噪声频谱，经数字电路处理，再利用电致伸缩效应和压电效应来产生特定频率的噪声。本发明则根据已有噪声频谱，通过水动力数值模拟湍动来流激励与桨叶流体动力响应，建立低频线谱噪声激励源的理论模型，得到相应的来流干扰器及桨叶叶型设计参数，加上低转速动力电机即可实现特定的低频噪声，避免了复杂的电-声转化结构，减小了整体装置的尺寸与重量，并且本发明部件制备成本较低。
[0042]
常规水声换能装置在大水深工作时，性能收到温度与压力的影响。本发明来流干扰器与桨叶均无需密封，电机密封技术已较为成熟，低频噪声产生机理与水压、温度关系较小，因此可实现大水深工作；并且在常规水深得到的性能指标与深水性能基本一致。
[0043]
本发明实施例中，采用了机械密封的动力电机，实际应用中，也可采用屏蔽电机、磁流体密封电机、内置水压或油压循环润滑过滤装置和隔膜补偿平衡的压力平衡式电机等可用于深水的电机方案。
[0044]
本发明实施例中，采用了单一、静态的来流干扰器，实际应用中，可替换为若干数量、主动式来流干扰器，以实现扰动桨进流的流场。
[0045]
本发明实施例中，采用特殊设计叶型的螺旋桨，实际应用中，可替换为其他特殊设计的旋转机械，以实现特定低频噪声的产生。
[0046]
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种水下机械式低频噪声生成装置，其特征在于，包括低频生成桨(1)、低转速动力电机(3)和至少一个来流干扰器(2)，所述的低频生成桨(1)安装在低转速动力电机(3)的轴伸端，使用锁紧螺母(6)固定；所述的来流干扰器(2)设置在低转速动力电机(3)上靠近低频生成桨(1)一侧的外壳上，来流干扰器(2)与低频生成桨(1)的桨盘面平行；所述低转速动力电机(3)的尾端通过静密封安装有电机控制器(4)，所述的电机控制器(4)采用水密接头(5)与搭载平台传递数据，用于调节低转速动力电机(3)的转速，实现低频频率控制。2.根据权利要求1所述的水下机械式低频噪声生成装置，其特征在于，所述来流干扰器(2)与低频生成桨(1)的桨盘面间距不大于0.1d，d为低频生成桨(1)的直径。3.根据权利要求1所述的水下机械式低频噪声生成装置，其特征在于，所述的低转速动力电机(3)设有成对的角推力轴承(9)，用于承受低频生成桨(1)旋转产生的推力。4.根据权利要求1所述的水下机械式低频噪声生成装置，其特征在于，所述低转速动力电机(3)的外壳静密封采用o型圈形式，轴伸处的旋转密封采用机械密封(8)形式，用于实现大深度水下工作。5.根据权利要求1所述的水下机械式低频噪声生成装置，其特征在于，所述低转速动力电机(3)的轴伸端安装有水润滑轴承(7)来支撑低转速动力电机(3)的主轴。6.根据权利要求1所述的水下机械式低频噪声生成装置，其特征在于，所述的低转速动力电机(3)用于提供动力，采用来流干扰器(2)扰动低频生成桨(1)的进流流场，通过低频生成桨(1)的旋转叶轮产生低频噪声。7.根据权利要求1所述的水下机械式低频噪声生成装置，其特征在于，水下机械式低频噪声生成装置的工作频率由低转速动力电机(3)的转速与低频生成桨(1)的桨叶数决定，即工作频率＝电机转速
×
叶数。8.根据权利要求1所述的水下机械式低频噪声生成装置，其特征在于，水下机械式低频噪声生成装置的最大声源级由来流干扰器(2)与低频生成桨(1)的桨叶叶型设计参数决定，具体为：根据已有噪声频谱，通过水动力数值模拟湍动来流激励与桨叶流体动力响应，建立低频线谱噪声激励源的理论模型，得到相应的来流干扰器(2)与低频生成桨(1)的桨叶叶型设计参数。
技术总结本发明公开了一种水下机械式低频噪声生成装置，包括低频生成桨、低转速动力电机和至少一个来流干扰器，所述的低频生成桨安装在低转速动力电机的轴伸端，使用锁紧螺母固定；所述的来流干扰器设置在低转速动力电机上靠近低频生成桨一侧的外壳上，来流干扰器与低频生成桨的桨盘面平行；所述低转速动力电机的尾端通过静密封安装有电机控制器，所述的电机控制器采用水密接头与搭载平台传递数据，用于调节低转速动力电机的转速，实现低频频率控制。本发明可应用于水下低频噪声信号的模拟，避免了复杂的电-声转化结构，减小了整体装置的尺寸与重量。与重量。与重量。
技术研发人员：童威棋 曾赛 刘珏 吴大转 王莹 曹琳琳
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2022.07.25
技术公布日：2022/11/1
