水面艦艇寬頻振動噪聲結構影響因子量化分析

所　俊，張文光

（海軍裝備研究院，北京100161）

水面艦艇寬頻振動噪聲結構影響因子量化分析

所俊，張文光

（海軍裝備研究院，北京100161）

在水面艦艇聲隱身論證階段，由于設計輸入不足，難以對振動噪聲情況進行數值預報。文章提出了一種表征船體不同部位機械振源影響情況的結構影響因子方法，進行了典型水面艦艇主要振源、結構部位對局部自噪聲的影響分析，建立了主要振源工況、結構部位與局部自噪聲的量化關系，可為水面艦艇聲隱身論證提供量化支撐。

聲隱身；振動噪聲；結構影響因子

水面艦艇不僅受到水面以上艦艇、戰機的威脅，還受到水下潛艇的探測和攻擊，威脅日益嚴峻[1-2]。為使水面艦艇能更好地適應未來作戰需要，完成其作戰使命任務，就必須增強聲隱身性能，控制其水下輻射噪聲等聲學目標特性[3-4]。

在水面艦艇中低速航行時，水下輻射噪聲主要為機械噪聲。機械噪聲是艦上各機械設備運轉激勵船體結構振動，由船體外濕表面向水中輻射的噪聲[5-7]。加強水下輻射噪聲特別是機械噪聲的控制是提高水面艦艇聲隱身性能的關鍵所在。在水面艦艇論證階段和設計階段，科學準確地掌握振源與全船振動噪聲之間的量化關系，這是水面艦艇聲隱身論證、設計過程中的一個重要環節[8]。

在艦船論證階段，由于設計輸入不足，對全艦聲隱身水平進行精確的數值預報和計算還缺乏有效方法[9-10]，對論證的科學性和準確性帶來影響。為了能夠在缺少精確設計數據的前提下，恰當描述水面艦艇機械振源設備不同工況條件、不同結構部位與局部自噪聲之間的關系，需要建立一種方法加以定量描述。

盡管每型船有各自特點，但主要振源設備工況與局部自噪聲之間存在著一定的定性、定量關系。這些關系可用不同振源所產生的局部結構自噪聲在總機械噪聲中的比值加以定量描述[11]。本文由上述概念出發，應用筆者對典型水面艦艇局部結構自噪聲的數值分析結果，通過定義結構影響因子，分析主要機械振源工況條件與局部結構自噪聲的量化關系，并對典型水面艦艇機械振動引起的局部結構自噪聲進行計算與校核，得到振源的結構影響因子，建立通過結構影響因子分析水面艦艇機械噪聲源引起局部結構自噪聲的方法，可為水面艦船聲隱身論證提供量化支撐。

1 結構影響因子的定義

在相同的激勵源條件下，船體不同部位的剛度、強度等參數的變化對其自噪聲的影響程度是不同的。船體結構參數的變化對局部結構自噪聲的影響程度可用結構影響因子來表征。結構影響因子反映了噪聲源安裝位置、結構自噪聲對總機械噪聲的貢獻影響以及在不同結構位置處對噪聲源能量貢獻變化的敏感程度影響。

根據本文的研究目的，水面艦艇寬頻機械噪聲結構影響因子（Structural Influence Factors，SIF）定義為：一定頻段下，水面艦艇某局部結構處自噪聲級與水面艦艇各振源設備虛擬全開情況下總機械振動引起水下輻射噪聲級之間的比值，即

式（1）中：βi為一定頻段下第i個結構部位處的結構影響因子；Ii為一定頻段下第i個結構部位處的自噪聲聲強；I為一定頻段下全艦各機械振源設備虛擬全開時的水下輻射噪聲聲強。

從上述定義可知，某一局部結構處的結構影響因子是該部位自噪聲能量占全船虛擬全開總機械振動產生的水下輻射噪聲能量的比例。這里需要特別說明的是，“虛擬全開”的定義方式是為了能夠使影響因子在同一基準條件下進行表征，相當于歸一化處理，因而結構影響因子與局部自噪聲在總輻射噪聲中的比值是不同的。

根據考察頻段的不同，結構影響因子還可分為低頻結構影響因子β1和高頻結構影響因子βh。

2 平均聲壓級和平均結構影響因子

設全艦“虛擬全開”機械噪聲源的總水下輻射噪聲聲壓級為L，根據能量疊加原理，L可表示為

式（2）中：L1為低頻（10Hz～1kHz）全艦水下輻射噪聲聲壓級；Lh為高頻（1～10kHz）全艦水下輻射噪聲聲壓級。

設βh,i為第i個結構部位處的高頻結構影響因子，Lh,i為第i個結構部位處的高頻自噪聲聲壓級，共n個部位，則根據βh,i的定義，有

全艦考察結構部位高頻自噪聲平均聲壓級是全艦各考察結構部位高頻自噪聲聲壓級的算術平均值，全艦考察噪聲源設備高頻平均結構影響因子是全艦各噪聲源設備寬頻機械噪聲結構影響因子的幾何平均值。可見，全艦高頻水下輻射噪聲聲壓級等于全艦考察結構部位高頻自噪聲平均聲壓級與全艦考察噪聲源設備高頻平均結構影響因子的10倍對數之差。

同理可得

式（6）中：Lˉl為考察結構部位低頻自噪聲平均聲壓級；βˉl為考察噪聲源設備低頻平均結構影響因子。

通過上述分析可以看到，結構影響因子在聲壓級的計算中，具有對數線性屬性，對應于能量計算中的線性屬性。這對后續分析不同條件下的結構影響因子和水下輻射噪聲性能關系具有重要的數學意義。

3 工況、位置與結構影響因子的關系

由式（7）可見，某單一設備雖然在不同工況下，其受迫位移共振頻率可認為不發生明顯改變[11，14]，但是，對于不同的振源設備，由于其所處位置的剛度、密度有所不同，因而不同位置處不同設備的受迫位移共振頻率有明顯不同，由此造成的不同設備對不同位置的綜合振動效果也有所不同[15-16]。為了便于問題的分析，需要針對不同的位置進行結構影響因子分析。

各個設備對不同位置噪聲的貢獻受到其結構影響因子的控制。顯然，設備在不同工況下的結構影響因子是不同的，并且與相互之間的位置關系呈函數關系。高頻結構影響因子βh和低頻結構影響因子β1的討論方法相同，故以下省去高頻h、低頻l下標符號。

設βi0是第i個設備在基準狀態下的結構影響因子，G是設備系統的工況參量，x是設備與相應位置的距離。為了便于問題的討論，不失一般性，可設G是設備系統主振動設備的轉子速度v。在G工況下，系統各設備進行協調運轉。

通過仿真計算結果和工程經驗，在一定條件下，設備的結構影響因子與系統工況、相應位置距離存在一定關聯關系。第i個設備在不同工況下結構影響因子βi與工況參量Gi、位置距離參量xi的函數關系為：

通過數據歸納與分析，有可能得到式（8）的具體函數形式，便可以從某設備的基準結構影響因子和系統工況、相應位置出發，推算出該設備在某一工況下、不同位置的結構影響因子，從而為計算不同結構位置處噪聲提供計算途徑。gi的具體形式在后續計算校核過程中近似給出。

結構影響因子反映了噪聲源安裝位置、結構對水下輻射噪聲的貢獻影響，以及在不同結構位置處對噪聲源能量貢獻變化的敏感程度影響。由定義及后續分析可知，某噪聲源的結構影響因子受到的影響因素不僅包括噪聲源的運行工況，還包括噪聲源與相應位置之間的位置參數。因此，結構影響因子可以與工況和設備位置距離建立一定的關系。

3.1高頻結構影響因子（HFSIF）

從關系趨勢的角度出發，本節討論主柴油機、齒輪箱、柴油發電機組的位置與工況、高頻結構影響因子的關系，如圖1～3所示。

圖1 主柴油機位置-工況-高頻結構影響因子關系Fig.1 Relationship ofmain dieselposition-working condition-HFSIF

圖2 齒輪箱位置-工況-高頻結構影響因子關系Fig.2 Relationship of gearbox position-working condition-HFSIF

圖3 柴油發電機組位置-工況-高頻結構影響因子關系Fig.3 Relationship of dieselgenerator setposition-working condition-HFSIF

1）主柴油機。使用Oingin7.0對由典型水面艦艇各部位自噪聲數值仿真結果得到的主柴油機高頻結構因子數據進行擬合，可得：

2）齒輪箱。根據齒輪箱高頻結構因子數據，可得：

3）柴油發電機組。根據柴油發電機組高頻結構因子數據，可得：

3.2低頻結構影響因子（LFSIF）

從關系趨勢的角度出發，本節討論主柴油機、齒輪箱、柴油發電機組的位置、工況與低頻結構影響因子關系，如圖4～6所示。

圖4 主柴油機位置-工況-低頻結構影響因子關系Fig.4 Relationship ofmain dieselposition-working condition-LFSIF

圖5 齒輪箱位置-工況-低頻結構影響因子關系Fig.5 Relationship of gearbox position-working condition-LFSIF

圖6 柴油發電機組位置-工況-低頻結構影響因子關系Fig.6 Relationship of dieselgenerator setposition-working condition-LFSIF

1）主柴油機。根據主柴油機低頻結構因子數據，可得：

2）齒輪箱。根據齒輪箱低頻結構因子數據，可得：

3）柴油發電機組。根據柴油發電機組低頻結構因子數據，可得：

4 權重影響因子的校核計算

根據上述結構影響因子的構建方法和相互關系，計算不同工況、不同位置下的全艦水下輻射噪聲，與仿真數據相對比，對結構影響因子法估算全艦水下輻射噪聲進行校核。

由分析可知，通過考察結構部位低頻自噪聲平均聲壓級Lˉ和考察噪聲源設備低頻平均結構影響因子βˉ，可以計算虛擬全開設備條件下的水下輻射噪聲總聲壓級L，繼而求出其它部位的自噪聲。

只有1臺噪聲源設備開啟的工況下，某位置處的設備結構影響因子即為全艦考察噪聲源設備低頻平均結構影響因子，所產生的自噪聲即為全艦考察結構部位低頻自噪聲平均聲壓級。因此，可根據只有1臺噪聲源設備開啟的工況條件，算出不同轉速工況下的某位置處的全艦虛擬全開設備高頻總聲壓級。

根據結構影響因子的定義，有

式（15）中：L1,x、βˉ1,x分別是工況1條件下x部位結構處的總聲壓級、平均結構影響因子；L0,x、βˉ0,x分別是基準工況條件下x部位結構處的總聲壓級、平均結構影響因子。

應用結構影響因子分別對高頻和低頻水下輻射噪聲總聲級進行校核計算可知，利用結構影響因子法估算艦艇在不同工況下不同部位的自噪聲聲壓級，具有一定的精度能力，特別是在對沒有初始條件的工況計算時，也具有一定精度的估算效果，誤差不大于3dB，如圖7～12所示。圖7～12中：G1為開2臺主柴油機（v1轉速工況）；G2為開2臺主柴油機（v2轉速工況）；G3為開2臺主柴油機（v3轉速工況）；G4為四主機推進，發電機組開2臺（v4轉速工況）；G5為僅1臺主柴油機、1臺齒輪箱、1臺柴油發電機組聯合工作（v2轉速工況）；G6為僅開1臺主柴油機（v2轉速工況）；G7為僅開1臺齒輪箱（v2轉速工況）；G8為僅開柴油發電機組；G9為僅開1臺主柴油機（v1轉速工況）；G10為僅開1臺齒輪箱（v1轉速工況）；G11為僅開1臺主柴油機（v4轉速工況）；G12為僅開1臺齒輪箱（v4轉速工況）。

圖7 球鼻艏自噪聲仿真原始值與因子法計算值比較（1～10kHz）Fig.7 Comparison between simulation and SIF of self noiseon bulbousbow（1～10kHz）

圖8 船舯部自噪聲仿真原始值與因子法計算值比較（1～10kHz）Fig.8 Comparison between simulation and SIF of self noise onm idship（1～10kHz）

圖11 船舯部自噪聲1仿0H真z原～始1k值Hz）與因子法計算值比較（Fig.11 Comparison between simulation and SIF of self noise onm idship（10Hz～1kHz）

圖12 船艉部自噪聲1仿0H真z原～始1k值Hz）與因子法計算值比較（Fig.12 Comparison between simulation and SIF of self noise on stern（10Hz～1kHz）

本方法的目的在于利用母型或類似艦船影響因子，對新型艦船論證提供先期支撐。由于是通過理論方法進行分析預估，因子法計算結果與仿真分析法類似，也會受輸入條件的完備性影響，計算結果與實測結果會有一定偏差，偏差程度視新型船體結構與母型結構的差異而定。而對具有母型相似船體結構的艦船部位自噪聲預估具有較好的精度，但對結構差異較大的船型預估，可能存在偏差，需要通過不同類型的母型進行校正[17]。利用實船測試各主要噪聲源的振動數據，可進一步對不同船型結構影響因子進行校正，以進一步減小后續艦船理論值與實測數據的偏差。

5 結論

本文應用對典型水面艦艇水下輻射噪聲及不同結構部位處的自噪聲數值分析結果，提出了結構影響因子概念和定義；通過多工況比較，使用數值方法得到了水面艦艇主要噪聲源設備在不同結構部位的結構影響因子；通過理論分析和推導，建立了結構影響因子與結構、工況之間的關系，以及結構影響因子與水下輻射噪聲之間的關系，建立了通過結構影響因子分析水面艦艇機械噪聲源引起水下輻射噪聲及不同結構部位自噪聲的方法；高頻和低頻主要機械振源引起的不同部位自噪聲結構影響因子校核計算表明，估算效果誤差不大于3dB。

在后續的水面艦艇聲隱身論證及相關研究中，將進一步收集整理不同類型水面艦艇主要機械噪聲源的相關數據，充實擴展結構影響因子數據庫的規模，進一步為水面艦艇聲隱身論證提供量化支撐，使之成為一種可選擇的新型論證手段。

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Reasearch on Structural Influence Factors of Broadband Vibration and Noise ofa Typical Surface Ship

SUO Jun,ZHANGWenguang

（Naval Academy of Armament,Beijing 100161,China）

The numerical forecasting of vibration and noise ofsurface ship is hardly operated for lack ofdata in the stage of demonstration.A forecastingmethod by structural influence factorsof vibration and noise of surface ship was presented in this paper.The quantitative relationships between working conditions,position structure and self noise at certain position ofa typical surface ship were established,and could support the quantitative demonstration for the acoustic stealth of sur?face ships.

acoustic stealth;vibration,noise;structural influence factors

E925.6；TB533+.2

A

1673-1522（2016）02-0179-06

10.7682/j.issn.1673-1522.2016.02.016

2016-01-06；

2016-02-23

國家部委科學技術青年基金資助項目（NAA-J201102-QJ0-JC001）

所俊（1976-），男，工程師，博士。