بخشی از مقاله
مطالعات مروري بر منابع تولید و انتشار نویز و بررسی روشهاي عددي جهت ارائه روش مناسب
براي شبیهسازي میدان فشار آکوستیکی
چکیده
یکی از اصلی ترین منابع نویز شناورها، نویز پروانهي آنها است.پایه حل انتشار نویزروابط لایت هیل و چگونگی استخراج آنها از روابط پیوستگی و مومنتوم میباشد. مهمترین روش جهت حل و تحلیل معادله لایت هیل کاربرد روشهاي عددي میباشدروشهاي عددي براي حل مسائل با عدد ماخ کمتر مربوط به هندسه کلیتر و منابع آکوستیکی غیرفشرده نیاز شده است. روشهاي محاسباتی آیروآکوستیکی با تاکید بر آنالوژي لایت هیل و استفاده از آن براي شبیه سازي عددي نویز جریانی القا شده جهت انتشار نویز در هوا به کار گرفته شده است.این مقاله در دو بخش بررسی شده است. بخش اول مروري بر شناسایی منابع تولید نویز در شناور و تحقیقات صورت گرفته بر اساس آن میباشد و در بخش دوم این مقاله به استخراج معادلات لایت هیل جهت انتشار منابع نویز و روشهاي عددي جهت اندازهگیري میدان فشار آکوستیکی پرداخته شده است. از مهمترین نکات مهم در این مقاله گردآوري مجموعهاي پیوسته از معرفی نویز شناور، منابع تولید نویز، انتشار نویز و تشریح روشهاي عددي موجود جهت استخراج میدان فشار آکوستیکی با استفاده از معادله لایت هیل خواهد بود.
کلمات کلیدي:
منابع تولید نویز، انتشار نویز،میدان فشار آکوستیکی، معادلات لایت هیل،روشهاي عددي.
مقدمه
معمولا هنگام به کاربردن کلمه نویز و صوت ذهن به طرف صداهاي آزاردهنده محیط منحرف می گردد.نویز در زیر آب صدایی است که در داخل آب تولید شده و در آن انتشار پیدا میکند.در بررسیهاي مهندسی نویزها در دریا به دو قسمت عمده تقسیم می شوند: نویزهاي پس
1
زمینه(یا محیطی) و نویزهاي سازهاي.[1]نویزهاي پس زمینه توسط جانداران و یا شرایط مختلف دریایی تولید می گردند. مقدار نویزهاي تولید
شده توسط شرایط دریایی به ارتفاع موج، سرعت باد، بارش باران، شکستن یخ ها و عوامل مشابه بستگی دارد.[1]
عامل دیگر تولید نویز در دریا وجود سازههاي دریایی و حرکت شناورهاي سطحی و زیر سطحی در آن می باشد. اخیرا این قسمت از نویز بیشتر مورد توجه بشر قرار گرفته است، که سعی در کنترل،کاهش و اندازه گیري آنها دارد. با اندازه گیري آنها میتوان به وجود سازه ، نوع و نحوه و کار آن پی برد که کاربردهاي مختلفی در زمینه مهندسی و نظامی دارد. از کاربردهاي مهندسی آن میتوان به تشخیص خرابی و عیوب موجود در سکوهاي دریایی اشاره کرد. همچنین از کاربردهاي نظامی این روش شناسایی شناورهاي دریایی و جهت حرکت آنها می باشد.
دسته بندي منابع نویز شناور
اصولا هرگونه ناهمگنی در محیط سیال و یا ارتعاش جسم در آن منابع تولید نویز و امواج آکوستیکی در آب خواهد بود. منابع نویز حاصل از شناور را با در نظر گیري منبع فیزیکی تولید آن می توان به دو دسته کلی همراه با زیرمجموعه هاي آن تقسیم بندي کرد، که در زیر به آن
اشاره شده است:[2 ]
نویزهاي مکانیکی
- موتور دیزل
- ماشینهاي کمکی مرتبط با موتور دیزل مثل پمپها، ژنراتورها و غیره
- جعبه دنده ها
- ارتعاش حاصل از اثر پروانه بر روي بدنه شناور
نویزهاي هیدرو دینامیکی
• نویزهاي تولیدي حاصل از تداخل بدنه شناور و سیال متحرك اطراف آن
• ورتکس ها و جریانهاي گردابی پشت جسم متحرك در سیال
• توربولانس جریان اطراف بدنه شناور
• کاویتاسیونهاي تولیدي در اثر تداخل جسم متحرك و سیال
• نویزهاي تولیدي توسط پروانه
براساس تقسیم بندي ارائه شده در بالا نویزهاي مکانیکی به دلیل ارتعاش پوسته شناور تولید میشوند. منبع اصلی تولید نویزها در این حالت وجود نیروهاي دینامیکی در شناور است که باعث تحریک و ارتعاش بدنه آن می گردند. نویزهاي هیدرودینامیکی به خاطر حرکت جسم و یا
2
بدنه شناور در سیال تولید میشوند. منبع اصلی این نوع از نویزها نوسانات فشا ر سیال در اطرا ف شناور متحرك است. در نمودار شکل 1
محدوده فرکانسی مربوط به هر یک از عوامل مهم و عمده تولید نویز در شناوره ا ترسیم شده است. همچنین این شکل نشان میدهد که فرکانس مربوط به منابع مکانیکی از 10 هرتز تا 1 کیلوهرتز گست رده است در حالتی که فرکانس نویزهاي مربوط به کاویتاسیون پ روانه از 10
ک یلوهرتز هم بیشتر می شود.[1 ]
شکل : 1 محدوده فرکانسی براي نویزهاي انتشار یافته از شناور.
کنترل نویز
بر اساس قانون دوم ترمودینامیک ، هیچ فرآیند مکانیکی به صور ت عملی اتفاق ن خواهد افتاد، مگر اینکه مقداري گرما در حین فرآیند تولید
گ ردد. این قانون دقیقا معادل تولید ارتعاشات و در نهایت مقداري نویز هنگام انجام کار مکانیکی است. کنترل نویز عملی است که با استفاده از
روشهاي مختلف و با در نظرگیري هزینه و عملی بودن طرح سعی در کاهش میزان نویز تولیدي از سیستمهاي مکانیکی تا حد قابل قبولی می-
شود. بنابراین اولین مرحله در کاهش تولید نویز و کنترل آن شناخ ت مکانیزم هاي تولید و انتشار آن میباشد. براي کاهش نویز میتوان موارد زیر را در نظر گرفت:
- کاهش نسبت تبدیل انرژي مکانیکی به انرژي ارتعاشاتی در ماشین آلات مکانیکی.
- ایزوله کردن منبع نویز از سطح انتشار صوت و یا کاهش ارتعاشات در سط ح خارجی ماشین.
- کاهش بازدهی انتشار سطح خارجی مرتعش ماشین.
3
از میان سه روش ذکر شده روش دوم معمولا بهترین و راحترین روش کاهش نویز براي ماشین آلات در حین کار است. براي شناورها نیز می-
توان با شناختی که از منابع و نحوه تولید نویز بدست میآید روشها و پیشنهاداتی را بر اساس روشهاي ذکر شده در بالا در مراحل مختلف طراحی، شرایط کاري متفاوت و حتی براي هر یک از منابع ارائه کرد.
تحقیقات صورت گرفته بر منابع تولید و انتشار نویز
در یک بررسی کلی صورت گرفته توسط میاسنیکف (Miasnikov)منبع نویزهاي تولیدي توسط زیردریایی به سه قسمت کلی، نویزهایحاصل
از ارتعاش بدنه، نویزهاي جریانی و نویزهاي پروانه تقسیم شده است[3] .در این تحقیق که به بررسی نویزهاي اندازه گیري تجربی زیردریایی هاي روسی پرداخته شده است عملکرد انواع مختلف زیر دریاییها از لحاظ نویز تولیدي به سه دسته زیردریایی هاي پرسر و صدا ، زیردریایی هاي ساکت و زیردریایی هاي خیلی ساکت تقسیم کرده است. که در جدول 1 این تقسیم بندي ها مشاهده میگردد.
جدول : 1 تقسیمبندي زیردریاییها بر اساس نویز تولیدي از آنها بر حسب دسی بل.
همچنین در این بررسی ذکر شده است که نویزهاي فرکانس پایین از اهمیت بیشتري در شناسایی شناورها از فواصل دور برخوردار هستند. این قسمت از نویزها به اثر آکوستیکی زیردریایی معروف هستند. علاوه بر آن در کار صورت گرفته، بررسیهاي انجام شده روي دادههاي تجربی نشان میدهد براي نویزهاي حاصل از ارتعاش بدنه در زیردریایی قدیمی که در محدوده چندین هرتز تا چند صد هرتز است یک پیک در مقدار نویز تولیدي بین فرکانس هاي 50 تا 60 هرتز مشاهده می گردد.این پیک مربوط به فرکانس غالب موتور دیزل و ژنراتور الکتریکی است.
همچنین براي فرکانسهاي بالاتر در ضرایبی از این فرکانس پیک هایی مشاهده می شود که به هارمونیهاي کارکرد موتور و ژنراتور مربوط می
شود[3] .در همین گزارش به بررسی تاثیر عمر زیردریایی به نویزهاي تولید شده نیز پرداخته شده است. افزایش این مقدار به طور متوسط 10
دسی بل براي زیردریاییها مختلف است. دلیل این امر نامیزانی ایجاد شده در مکانیزم هاي مختلف و پوشیده شدن سطح پوسته زیردریایی توسط جانداران دریایی است که باعث افزایش نویز می گردد.
4
شکل 2 :میزان نویزهاي انتشار یافته از شناور زیرسطحی بر حسب سرعت.
در گزارش دیگري که توسط پارکومنکو (Parkhmenko)آمده است سیر تحولی نویزهاي زیردریایی بررسی شده است. [ 4] در این گزارش تنها به صورت کیفی دلیل کاهش نویزهاي تولیدي از زیردریایی از سال 1970 به بعد را تکنولوژیهاي جدید مورد استفاده در ساخت و اسمبل قطعات آن عنوان شده است. در کار دیگري مقادیر نویزهاي تولید شده از شناور زیرسطحی بر حسب نوع طراحی آن براي زیردریاییهاي
روسی ارائه شده است[5] که در جدول 2 مقادیر گزارش شده در این کار نشان داده شده است. از آنجایی که در طرحهاي جدیدتر طراحیهاي بهتر و تکنولوژي جدیدتري صورت گرفته است مقدار نویزهاي تولیدي نیز کاهش داشته است که در جدول 2 مشاهده میشود. یکی از
فاکتورهاي مهم در کاهش نویز در مدلهاي جدیدتر کاهش قطر پروانه و افزایش بازدهی آن میباشد. [5]
جدول :2 میزان نویزهاي انتشار یافته از زیردریایی روسی بر حسب نوع طراحی. [5 ]
5
در گزارش دیگر توسط باسران و همکارش (Basaran)اثرات آکوستیکی از یک سطح بدون حرکت و شناورهاي زیرسطحی در یک سیستم مختصات قطبی بررسی شده است. در این کار دو منبع تولید نویز با دو فرکانس مختلف مدل شده یکی به عنوان موتور دیزل و دیگري نویزهاي پروانه. قسمتهایی از سطح و شناورهاي زیرسطحی بعنوان مواد فولادي نفوذناپذیر مدل شده است. فرض شده است که این شناورها در آب عمیق قرار گرفته و اثراتی از نویز جریانی و ارتعاشات ماشین آلات با اثرات آکوستیکی از شناورها از محاسبات مدل حذف شده است.دو منطقه
زمانی ابعادي معادله موج براي موج آکوستیکی توسط استفاده از روش FDMحل شده است.[6] اساسیترین مسئله در تعیین میدان صوت و انتشار آکوستیکی چگونگی در نظر گرفتن منابع تولید نویز میباشد که در اکثر تحقیقات صورت گرفته منبع تولید به صورت نقطهاي در نظر گرفته شده و یا به آن اشاره نشده است که از لحاظ تحقیقاتی قابل توجه است.
شکل :3 مدلهاي استفاده شده در گزارشbasran براي کشتی و زیردریایی. [6]
شکل : 4 میدانهاي فشار آکوستیکی براي :a کشتی و :b زیردریایی در گزارش. [6]basran
شکل :5 اثرات آکوستیکی براي :a کشتی و :b زیر دریایی براي نویزهاي موتور و پروانه در فرکانسهاي 500هرتز و 1 کیلو هرتز.[6]
6
از آنجا که میتوان شناور را بعنوان منبع مکانیکی نویز صوتی بشمار آورد، می توان توان صوتی تشعشی آنرا با توان مکانیکی موتور مقایسه کرد.
بطور مثال در مورد شناور جنگی (destroyer)که در سرعت 20 گره داراي توان کل 10 میلیون وات یا 1400 اسب بخار در شفت است تنها
حدودا یک میلیونیوم این توان بصورت نویز در زیر آب منتشر میشود.بر اساس تحقیق انجام شده توسط Haineتوان تابشی ناشی از موتورهایدیزلی کشتیها با مجذور حاصلضرب توان موتور و فرکانس پایه سرعت احتراق متناسب میباشد .[7]
در تحقیق انجام شده توسط اسماعیلی و همکاران تحلیل اثر آکوستیکی کارکرد موتور بر روي بدنه کشتی و چگونگی اثرگذاري مواد
ویسکوالاستیک در کاهش نویز کابین سرنشین مورد مطالعه قرار گرفته است .[13]در این تحقیق چگونگی استفاده از روش المان محدود براي بررسی نویز یک محفظه آکوستیک تحت بارهاي دینامیکی ارائه میشود.
نمودارشکل 6 غلبه کلی منابع نویز در شناور را در فرکانس و سرعتهاي مختلف نمایش میدهد. مشاهده میشود که در سرعت هاي بالا، نویز پروانه و ماشینآلات و در سرعتهاي پائین نویز ماشین آلات و نویز محیطی، موثرتر و غالب هستند.
شکل:6محدوده غلبه منابع نویز.
نویز پروانه
یکی از اصلی ترین منابع نویز شناورها، نویز پروانه ي آنها است. هر چند پروانه بخشی از سیستم پیشرانه شناور محسوب می گردد ولی بدلیل نحوه تولید صوت آن در گروه جداگانهاي بررسی می گردد. تعداد پروانه و تعداد پره هر پروانه، در شناورهاي متفاوت یکسان نیست. همچنین گام پروانه در برخی شناورها قابل تغییر میباشد. این نویز سه منشا اصلی دارد .
کاویتاسیون
محل وقوع نویز کاویتاسیون روي و اطراف پروانه شناور میباشد. در حین چرخش پروانه فشار بر روي لبه تیغه و یا صفحه جلویی و پشتی پرهها
کمتر و حتی منفی میگردد. اگر فشار منفی یا کشش (Tensile)، از حد مشخصی بیشتر گردد، تعداد زیادي حباب کوچک بر روي و اطراف پروانه شکل میگیرند. این حبابهادر فواصل زمانی بسیار کوچک، بزرگ شده و پس از ورود به محدوده پرفشار اطراف پروانه (و همچنین درون
7
