聲吶平臺自噪聲特性及降噪措施優(yōu)化研究

，,2， ，

(1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001;2.中國人民解放軍92857部隊，北京 100007)

艦船的隱蔽性與先敵發(fā)現(xiàn)的能力是艦船保存自己、有效打擊敵人的前提。降低聲吶部位的自噪聲，改善聲吶的工作環(huán)境，就意味著提高聲吶的作用距離，而提高聲吶平臺的作用距離則是提高艦船先敵發(fā)現(xiàn)能力的關(guān)鍵。由此可見，聲吶自噪聲的研究非常重要[1]。近年來越來越多的人學(xué)者開始關(guān)注聲吶自噪聲的研究[2-5]，但目前基于統(tǒng)計能量法(SEA)對聲吶自噪聲研究的還很少見。為此，基于統(tǒng)計能量分析法(SEA)[6]討論聲吶平臺自噪聲特性及降噪措施。

1 分析模型的建立

根據(jù)設(shè)計圖紙在有限元軟件ANSYS中建立有限元模型。該船體模型長120.1 m、型寬14.4 m、型深8.2 m，船殼厚度6.8 mm、加強肋板厚度4.4 mm。殼體材料為鋼材，材料屬性：彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 800 kg/m3，船殼內(nèi)壁布置加強筋以增加模型殼體的強度。在實際計算中考慮到附加質(zhì)量的影響，對密度做適當(dāng)加大處理。將有限元模型導(dǎo)入統(tǒng)計能量軟件VAONE中，根據(jù)統(tǒng)計能量分析采用統(tǒng)計能量平均的特點對部分結(jié)構(gòu)細節(jié)進行適當(dāng)簡化，建立相應(yīng)SEA分析模型，見圖1。

圖1 某艦船SEA板殼子系統(tǒng)

全船子系統(tǒng)共3 205個，其中板殼子系統(tǒng)為3 175個，聲腔子系統(tǒng)30個。

根據(jù)統(tǒng)計能量分析方法的基本出發(fā)點，將復(fù)雜的船體結(jié)構(gòu)劃分為3 205個子系統(tǒng)(包括結(jié)構(gòu)和聲場)，在外界激勵作用下產(chǎn)生振動時，子系統(tǒng)間通過接觸邊界進行能量交換，見圖2。聲吶平臺模型的SEA簡化模型見圖3。每個子系統(tǒng)的振動參數(shù)如：位移、加速度、聲壓均可由能量求得，所以“能量”是分析結(jié)構(gòu)噪聲的基本未知量。

圖2 艦船子系統(tǒng)之間的振動能量傳遞示意

圖3 某艦船聲吶平臺SEA聲腔簡化模型

進行統(tǒng)計能量分析的第一步就是確定由相似模態(tài)群構(gòu)成的子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)必須能夠清楚地表示出能量的輸入、儲存、耗散和傳輸?shù)忍匦浴Ｃ枋鲞@些子系統(tǒng)的參數(shù)有：模態(tài)密度、輸入功率、損耗因子(包括內(nèi)損耗因子和耦合損耗因子)等，這樣對每個子系統(tǒng)都能列出一個能量平衡方程，最終得到一個高階線性方程組，解此方程組求得每個子系統(tǒng)的能量，進而由能量得到需要的各個子系統(tǒng)的振動參數(shù)，如位移、速度、加速度和聲壓等。

對結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)，其振動均方速度為

(1)

式中：Ei——子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的模態(tài)振動能量;

Mi——子系統(tǒng)質(zhì)量。

振動速度級為

(2)

式中：v0——參考速度值，v0=1×10-9m/s。

據(jù)此相應(yīng)地可求出系統(tǒng)的加速度級。

對聲場子系統(tǒng)，其聲壓均方值為

(3)

聲壓級為

(4)

式中：p0——水介質(zhì)中的參考聲壓，p0=1×10-6N/m2。

由此建立能量與響應(yīng)之間的關(guān)系，由能量得到響應(yīng)量，由響應(yīng)量計算出能量。

2 聲吶平臺自噪聲特性分析

由于全船的損耗因子并未具體給出，文中按照工程項目經(jīng)驗，初步將全船的損耗因子定為0.000 1，在此基礎(chǔ)上，對艦船聲吶平臺自噪聲特性進行分析。

1)驗證計算條件是否滿足，模態(tài)密度類似于熱力學(xué)中的熱容量，它是描述振動系統(tǒng)儲存能量能力大小的一個物理量。統(tǒng)計能量法要求子系統(tǒng)帶寬內(nèi)的模態(tài)數(shù)(子系統(tǒng)模態(tài)密度)大于或者等于4。由圖4可知，大部分子系統(tǒng)的帶寬模態(tài)數(shù)大于5，滿足統(tǒng)計能量法的計算要求。

圖4 部分子系統(tǒng)的帶寬模態(tài)數(shù)

2)根據(jù)噪聲源類型分析本艦船的主要載荷。對機械載荷噪聲源的影響主要考慮主機、齒輪箱、風(fēng)機、水泵、消防泵；對螺旋槳噪聲源只考慮螺旋槳激勵載荷；對于水動力噪聲源，主要考慮海水對艦船產(chǎn)生的湍流脈動干擾。全船的主要設(shè)備激勵載荷有前主機、后主機、輔機、齒輪箱、螺旋槳、前消防泵、后消防泵、風(fēng)機以及前水泵。以上載荷對聲吶平臺自噪聲的影響見表1。

表1 幾種載荷對聲吶平臺自噪聲的影響

在驗證計算條件以后，對噪聲源類型與相對應(yīng)載荷進行梳理，計算分析載荷對于聲吶平臺自噪聲的影響，見圖5。

圖5 不同工況下聲吶平臺自噪聲的影響

由圖5可見，不同的工況下與湍流脈動對聲吶平臺自噪聲的影響不一樣。在單機工況下，水泵對聲吶平臺自噪聲的貢獻量最大，其次是風(fēng)機，接下來是齒輪箱與主機，最小的是螺旋槳。因此，可以得出機械載荷噪聲源為聲吶平臺自噪聲的主要噪聲源。不同機械載荷對聲吶平臺自噪聲的影響見圖6。

圖6 不同機械載荷對聲吶平臺自噪聲的影響

通過圖6可知，所有載荷全開時，聲吶平臺的自噪聲聲壓級為96.9 dB，而單開水泵時候?qū)β晠绕脚_自噪聲聲壓級為96.3 dB，比其余4種單機工況的影響都大，因此可以確定水泵機械載荷是噪聲的主傳導(dǎo)途徑，其次是風(fēng)機載荷。

通過對主要噪聲源與主傳導(dǎo)途徑分析可知，離聲吶換能艙室越近的激勵載荷對聲吶自噪聲的貢獻越大，反之越小。本艦船的聲吶平臺工作頻率為6.3 kHz，因此最后只需要考核在6.3 kHz下載荷對聲吶平臺自噪聲影響的大小。從圖6可知，所有載荷全開工況下在6.3 kHz下的聲吶平臺自噪聲的聲壓級為96.9 dB，而在6.3 kHz下的聲吶平臺自噪聲的考核聲壓級為90 dB，因此不符合考核要求。

3 聲吶平臺自噪聲優(yōu)化

由上述分析可見，聲吶平臺的自噪聲的聲壓值超過了考核要求。因此，要對聲吶平臺進行減振降噪的優(yōu)化措施。由于經(jīng)過各艙室結(jié)構(gòu)的主要噪聲源與其布置密切相關(guān)，故聲吶平臺自噪聲改進控制措施方法不能一概而論，而應(yīng)在噪聲源、傳遞途經(jīng)、艙室防護等綜合環(huán)節(jié)進行考慮。由以上分析可知，機械載荷噪聲源為聲吶平臺的主要噪聲源。因此主要有以下優(yōu)化途徑。

1)噪聲源。對主要噪聲源進行減振隔振措施，由于在進行計算分析時，所施加的機械載荷均是經(jīng)過隔振以后的數(shù)值，因此該途徑在計算時已經(jīng)被考慮。

2)傳遞途徑。分析主傳導(dǎo)途徑可知，水泵為主傳導(dǎo)途徑，由能量的傳遞原理可知，能量在傳遞過程中存在耗散和被材料吸收的現(xiàn)象，因此，可以通過在主要傳遞途徑上采用玻璃纖維、石棉纖維等吸聲材料、減振鋼板、減振材料等手段來適當(dāng)增大材料的損耗因子，以達到在傳遞路徑上吸收更多的能量，減少到達目標(biāo)艙室的能量。

3)艙室防護。當(dāng)振動能量傳遞到聲吶換能艙室時，可在艙室內(nèi)敷設(shè)吸聲尖劈，吸收能量，降低艙室的自噪聲。

通過比較上述優(yōu)化途徑，確定出3種優(yōu)化方案：①為將材料損耗因子增大到0.01，增加能量傳遞途徑中的耗散量，使到達聲吶平臺的能量達到最低，進而降低聲吶平臺自噪聲。②對聲吶換能艙敷設(shè)吸聲尖劈[7-8]進行艙室防護，當(dāng)能量傳遞到聲吶換能艙室時，吸聲尖劈將吸收一部分能量，進而降低聲吶平臺自噪聲。③在對聲吶換能艙室加吸聲尖劈的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)貙⒉牧蠐p耗因子增大到0.002。

表2為將整船的材料損耗因子增大到0.01時在考核頻點下艦船聲吶平臺自噪聲聲壓。表3為在聲吶換能艙敷設(shè)吸聲尖劈下艦船聲吶平臺自噪聲聲壓。表4給出了對聲吶換能艙室加吸聲尖劈的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)貙⒉牧蠐p耗因子增大到0.002時聲吶平臺自噪聲聲壓。3種不同方案下聲吶平臺自噪聲對比見圖7。

表2 材料損耗因子為0.01時聲吶平臺自噪聲聲壓 dB

表3 聲吶換能艙室敷設(shè)吸聲尖劈后聲吶平臺自噪聲聲壓 dB

表4 材料損耗因子為0.002，敷設(shè)吸聲尖劈后聲吶平臺自噪聲聲壓

圖7 3種不同優(yōu)化方案對聲吶平臺自噪聲的影響

通過表2～4可知，在將整船的損耗因子增大到0.01與在聲吶換能艙室敷設(shè)吸聲尖劈都可以達到一定的降噪效果，符合設(shè)計要求，且將整船的損耗因子增大到0.01比在聲吶換能艙室加吸聲尖劈的降噪效果更明顯。然而從可行性與經(jīng)濟原則來看，敷設(shè)吸聲尖劈比增大材料的損耗因子更加合理。故在達到一定的設(shè)計要求的前提下，應(yīng)該更加關(guān)注經(jīng)濟效益，因此，在對聲吶換能艙室敷設(shè)吸聲尖劈的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)貙⒉牧蠐p耗因子增大到0.002更加合理。通過表4與圖7可知，第3種方案能達到設(shè)計要求，因此第3種方案為最佳優(yōu)化方案。

4 結(jié)論

1)機械載荷是聲吶平臺自噪聲的主要噪聲源，其次為水動力，最小的是螺旋槳載荷。并且不同的激勵載荷對聲吶平臺自噪聲的影響不一樣。

2)離聲吶平臺艙室越近，則對聲吶平臺自噪聲影響越大。

3)與在聲吶換能艙室敷設(shè)吸聲尖劈相比，增加材料損耗因子對聲吶平臺自噪聲的影響效果更為顯著。工程中在主傳導(dǎo)路徑上采取控制措施從而增大損耗因子得到的降噪效果最優(yōu)。

[1] 王柄輝，陳敬軍.聲吶換能器的新進展[J].聲學(xué)技術(shù)，2004，23(1):67-71.

[2] 錢德進，繆旭弘，賈 地.敷設(shè)尖劈的艦船聲吶腔自噪聲特性仿真研究[C]∥2012年第14屆中國系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)術(shù)年會論文集，三亞:中國自動化學(xué)會、中國系統(tǒng)仿真學(xué)會，2012:480-483.

[3] 愈孟薩，朱正道.集成統(tǒng)計能量法計算聲吶自噪聲水動力噪聲分量[J].船舶力學(xué),2007,11(2):274-283．

[4] 和衛(wèi)平，陳美霞，高 菊，等.基于統(tǒng)計能量法的環(huán)肋圓柱殼中、高頻振動與聲輻射性能數(shù)值分析[J].中國艦船研究,2008，3(6):7-12.

[5] 吳曉光，石仲堃.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的艦船聲吶自噪聲預(yù)報[J].華中科技大學(xué)學(xué)報,2006,34(8):46-48.

[6] 伍先俊，朱石堅.統(tǒng)計能量法及其在船舶聲振預(yù)測中的應(yīng)用綜述[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2004，28(2):212-215.

[7] 朱石堅，何 琳.船舶減振降噪技術(shù)與工程設(shè)計[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[8] 龐福振，姚熊亮，賈 地，等.吸聲尖劈對板柱組合結(jié)構(gòu)水下聲學(xué)特性影響的試驗研究[J].船舶力學(xué)，2011，15(5)：570-576.