運用AutoSEA分析潛艇結構的高頻聲輻射特性

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(海軍工程大學 船舶與動力學院，武漢 430033)

高頻振動及其引起的潛艇結構聲輻射在潛艇結構的整體聲輻射中占有重要地位。一方面，潛艇結構本身龐大復雜，可以看作由大特征尺寸結構(板、梁等)所組成，即便到高階模態，固有頻率仍會很低；另一方面，潛艇結構中的各種激勵則具有寬頻帶分布特性[1]，見表1。

表1 船舶典型激勵的頻帶分布 Hz

統計能量法是分析結構高頻振動及其引起的聲輻射的有效方法。AutoSEA2是基于統計能量法而開發的用于中、高頻結構振動、噪聲分析和優化設計的有效工具，其在航空航天和汽車工業上的應用，相對來說已經比較成熟[2-5]，而在船舶和潛艇上的應用則處于起步階段。

1 建立潛艇結構統計能量分析模型

在UG中建立suboff單殼體潛艇的幾何模型，同時，為了使分析結果更具有實際應用價值，參考實際潛艇的艙段設計，在幾何模型中進行粗略的艙段劃分。從頭部到尾部，共劃分了5個艙段，依次標記為艙段1～5，見圖1。

在此基礎上，將建立的suboff潛艇幾何模型導入AutoSEA2，建立統計能量分析模型。

圖1 潛艇體結構子系統劃分

在建立的統計能量分析模型中，所有殼體、艙壁采用鋼材料，厚度為1 cm, 外部介質為海水。整個模型共劃分為29個子系統。

艙段1采用雙曲率板進行模擬；與指揮臺圍殼相連接的中間開孔艙段2沿中線剖開，劃分為兩個單曲率板子系統(2,3);尾部與舵相連接的艙段5采用相似的處理方法，劃分為4個單曲率板子系統(8,9,10,11)；艙段3和艙段4采用圓柱殼子系統進行模擬；指揮臺圍殼劃分為兩個對稱的單曲率板子系統(6,7);4個舵采用同樣的處理方法，共劃分為8個單曲率板子系統(13～20)。指揮臺圍殼和舵上方的封閉結構采用了平板子系統模擬(12,21～25)；艙段之間的艙壁，采用平板子系統(25～28)進行模擬。處理后的模型可以方便地利用AutoSEA2中提供的自動連接功能，建立子系統之間的連接。

實際上，考慮到當外部激勵作用在殼體上激勵艇體振動時，殼體的振動很難傳遞到艙壁結構。在對較復雜結構進行統計能量分析子系統劃分時，結合研究需要，可以適當地略去這種類艙壁結構的子系統建模。對省略前和省略后兩種狀況下的結構聲輻射分別進行試算，所得結果驗證了此考慮的可信性。

在艙段4(子系統5)內作用有徑向單位激勵力。

2 數值分析

由于研究的是潛艇的殼體聲輻射，建立的潛艇殼體結構模型主要由板、殼、圓柱結構組成，故能量大部分通過彎曲波傳輸[6]。在研究中只考慮彎曲波傳輸能量，計算和分析潛艇殼體結構外聲場輻射特性。

利用AutoSEA提供的振源排序功能，對各振源引起的聲輻射在總輻射聲功率中的貢獻大小進行排序，明確主要振源和減振降噪措施的主要施加對象；之后針對性地采取一定的減振隔振措施(增大動力艙殼體的厚度和結構損耗因子)，分析其效果。

圖2反映的是對外聲場輻射有較顯著貢獻的各子系統向聲介質中的輸入功率大小。

圖2 各振源貢獻排序

由圖2可以對各振源的貢獻進行排序。輸入外聲場的總功率主要來自于激勵力直接作用的子系統5向其輸出的聲功率。因此，為了提高潛艇隱蔽性，滿足潛艇聲學性能指標時，首先需考慮的是對動力艙段采取減振、隔振措施。

明確了對外場聲輻射貢獻較大的主要振源，接下來有針對性地對選定的對象采取隔振、減振措施。本文主要考慮殼體厚度和阻尼因子的變化對結構聲輻射的影響。

圖3反映的是動力艙外殼(子系統5)的結構阻尼損耗因子(DLF)分別縮小和擴大10倍后，外聲場中輻射聲壓的大小。

圖3 動力艙阻尼因子對聲輻射影響

由圖3看出，阻尼值越大，則輻射聲壓越小，對提高潛艇隱蔽性越有利，并且，隨著阻尼值的增加，減振效果更加明顯。在對潛艇進行減振降噪處理時，應盡可能地增大結構阻尼損耗因子以取得較理想的減振效果。

圖4反映的是只對動力艙結構阻尼損耗因子擴大10倍和對整艇結構阻尼損耗因子全部擴大10倍后，外聲場中輻射聲壓級的大小。

圖4 動力艙和整艇阻尼因子擴大對聲輻射影響

從圖4可以看出，對整艇結構施加阻尼處理后的消聲效果要好于只對動力艙進行阻尼處理所取得的效果，但并不是十分顯著。尤其是在高頻段，效果更是微乎其微。在工程實際中，從經濟性角度考慮，在對實艇進行阻尼消聲處理時，可以有所取舍，著重對在總體聲輻射中貢獻較大的結構進行針對性的阻尼處理。

圖5反映的是動力艙殼體厚度分別為5、10、20 mm時的潛艇殼體聲輻射。

圖5 動力艙殼體厚度對聲輻射影響

由圖5可以看出，殼體越厚，外聲場的輻射總聲壓越小。在潛艇設計建造中，綜合考慮各方面影響因素，盡可能增大殼體厚度，在滿足強度需求的同時，也可以取得較好的振聲特性。

圖6反映的是只對動力艙段殼體加厚和對整艇結構全部加厚后，潛艇外聲場輻射聲壓的變化。

圖6 整體和部分艙段增厚對聲輻射影響對比

從圖6可以看出，兩者效果差別不是太大。并且只對動力艙加厚時，輻射聲壓級較整艇殼體結構厚度相同時要小，這是因為阻抗和結構失匹使子系統之間的能量傳遞變得困難。在對潛艇進行聲學性能優化時，合理應用這一特性，既可取得較好的減振降噪效果，又經濟節約。

3 結論

1) 動力艙殼體振動引起的聲輻射是外場聲輻射的主要貢獻者，在進行潛艇減振降噪處理時，動力艙應是首要考慮對象。

2) 增加殼體厚度和增大結構損耗因子都可以降低潛艇結構的聲輻射量級。

3) 在對實艇進行聲學優化設計時，并不必要對全部結構整體采取減振降噪措施；應首先對各振源貢獻進行排序，確定主要振源，從主要振源入手，針對性處理，既可以取得比較理想的消聲效果，又經濟可行。

[1] 伍先俊，朱石堅.統計能量法及其在船舶聲振預測中的應用綜述[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版,2004(2)：212-215.

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