基于表面振動監(jiān)測的大型水下結(jié)構(gòu)輻射噪聲預(yù)報研究.pdf

1、水下結(jié)構(gòu)輻射噪聲預(yù)報是水聲領(lǐng)域一項重要研究內(nèi)容，是定量聲學(xué)設(shè)計、減振降噪設(shè)計等工作的理論基礎(chǔ)與重要依據(jù)。對于潛艇這類大型水下結(jié)構(gòu)而言，輻射噪聲的實時監(jiān)測或者快速預(yù)報是提高其戰(zhàn)斗力與生存力的有力保障。因此，輻射聲場預(yù)報研究具有重要的理論價值和廣泛的應(yīng)用背景。本文以大型結(jié)構(gòu)輻射噪聲的快速預(yù)報為目標(biāo)，遵循理論研究和工程應(yīng)用相結(jié)合的研究思路，開展了輻射聲場快速預(yù)報的理論與試驗研究。 深入分析了表面振動與輻射聲場之間的傳遞規(guī)律，聲場聲壓等

2、于表面振速向量與聲傳遞向量的內(nèi)積，聲傳遞向量的元素等于與輻射面共形的剛性障板表面對應(yīng)活塞以單位速度振動時的輻射聲壓。討論了以規(guī)則障板表面活塞輻射聲場近似實際障板表面活塞輻射聲場的合理性。對于實際障板尺度遠(yuǎn)小于或者遠(yuǎn)大于聲波波長的情況，其表面活塞的輻射可以分別看作點聲源或者平面波的輻射。即便規(guī)則障板與實際障板擬合程度不高，擬合前后表面活塞的輻射聲場差別很小。對于實際障板尺度與聲波波長可比擬的情況，其表面活塞的輻射聲場主要取決于以活塞為中心

3、、尺度與聲波波長相當(dāng)?shù)木植空习逍螤?，?guī)則障板與該局部障板的擬合程度決定了聲場預(yù)報精度。只要保證對輻射聲場起主要貢獻(xiàn)的單元所對應(yīng)的聲傳遞向量元素是準(zhǔn)確的，便可以較好地近似總輻射聲場。最終，建立了一個具有堅實理論基礎(chǔ)、可應(yīng)用于大型水下結(jié)構(gòu)輻射噪聲快速預(yù)報的理論算法--單元輻射疊加法。該方法沒有非唯一性、奇異積分以及高維矩陣求逆等問題的困擾，計算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于邊界元等其它數(shù)值積分方法。一系列算例表明，該方法的計算結(jié)果從甚低頻直至高頻均與解析數(shù)值

4、解或者邊界元結(jié)果符合得很好。 從理論上分析了平面、圓柱面兩類典型輻射面表面振動空間采樣所引起的聲場預(yù)報誤差向題。將平面、圓柱面振速分布分別變換到二維波數(shù)域或者軸向、周向波數(shù)域，建立變換譜與輻射聲場之間的對應(yīng)關(guān)系，再根據(jù)空間采樣后變換譜的混疊程度確定輻射聲場的預(yù)報誤差。對于固定觀察方位與分析頻率，平面輻射面聲場預(yù)報精度是由空間采樣前、后表面振速的二維波數(shù)譜在特定波數(shù)上的比值決定的；圓柱輻射面聲場預(yù)報精度是由空間采樣前、后表面振速的

5、軸向、周向波數(shù)譜在特定軸向波數(shù)上、特定周向波數(shù)范圍內(nèi)的比值決定的。數(shù)值分析了簡支矩形板、簡支圓柱殼表面振動空間采樣間隔與輻射聲場預(yù)報誤差之間的關(guān)系，并將有關(guān)結(jié)論推廣到一般矩形板、圓柱殼表面振動空間采樣情況。 與國內(nèi)有關(guān)單位聯(lián)合開展了水下多艙段殼體結(jié)構(gòu)振動聲輻射的試驗研究。針對試驗中出現(xiàn)的振動相位信息缺失情況討論了輻射噪聲的工程預(yù)報問題，因為這種情況具有實際意義。根據(jù)聲場疊加原理，將輻射聲壓級表示為表面單元獨立振動時輻射聲壓級與修

6、正因子之和的形式，其中修正因子反映了由于表面振動的相位關(guān)系引起的輻射聲壓相關(guān)性。再通過理論和試驗研究，分析了修正因子與觀察距離、表面振速插值密度等因素之間的關(guān)系。對于距離足夠遠(yuǎn)的同一觀察方位而言，修正因子與測量距離無關(guān)；隨著表面插值、細(xì)化單元的增多，修正因子相應(yīng)增大。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于特定工況修正因子預(yù)報其它工況輻射噪聲的工程預(yù)報方法。對于在工作頻段或者源強(qiáng)度上可以區(qū)分的多臺設(shè)備激勵情況，根據(jù)設(shè)備全開工況的修正因子可以預(yù)報其它工

7、況的輻射噪聲；對于多臺設(shè)備在工作頻段、強(qiáng)度上無法區(qū)分的情況，根據(jù)特定工況的修正因子在某些頻率范圍內(nèi)可以預(yù)報其它工況的輻射噪聲。 本文對表面振動與輻射聲場之間傳遞規(guī)律進(jìn)行了較深入的理解和闡述。提出了一種新的輻射聲場預(yù)報方法，適用于大型水下結(jié)構(gòu)輻射噪聲的快速預(yù)報，為定量聲學(xué)設(shè)計或者減振降噪控制提供了新的理論依據(jù)。從空間信號的離散與重建角度，分析了表面振動空間采樣與輻射聲場預(yù)報精度之間的關(guān)系，對于表面振動測點布放方案的設(shè)計與評估具有一