聲吶平臺噪聲控制機理分析

李東升，徐海賓，蔡衛豐，劉漢文

（1.中國船舶科學研究中心 船舶振動噪聲重點實驗室，江蘇無錫214082；

2.海鷹企業集團有限責任公司，江蘇無錫 214061）

聲吶平臺噪聲控制機理分析

李東升1，徐海賓2，蔡衛豐2，劉漢文2

（1.中國船舶科學研究中心 船舶振動噪聲重點實驗室，江蘇無錫214082；

2.海鷹企業集團有限責任公司，江蘇無錫 214061）

文章針對艦艇聲吶平臺的噪聲問題，研究了三大噪聲源對聲吶自噪聲的影響。研究表明，聲吶艙水動力噪聲分量主要受肋骨結構影響，在設計中應避免肋骨的形函數與湍流脈動壓力波數—頻率譜耦合。艦艇自身的螺旋槳噪聲和輻射噪聲主要從后部和底部向聲吶平臺傳遞，在聲吶壁面附近和聲吶區域產生較高噪聲，為提高聲吶自噪聲控制效果，應在非透聲壁面采取隔聲措施。舷側聲吶受艇體振動影響較大，應在聲吶單元安裝導軌的振動傳遞途徑上采取阻尼控制措施，有效降低聲吶單元的振動響應。

聲吶；聲吶罩；聲吶自噪聲；水動力噪聲

0 引 言

聲吶基陣部位的噪聲，就是通常所說的聲吶自噪聲，主要是艦船機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲以及海洋環境噪聲對聲吶基陣產生的一種背景干擾。為降低這些干擾對聲吶探測的影響，國內外在聲吶艙內外主要采用了吸聲結構、阻尼材料、聲障板等手段控制聲吶自噪聲。但這些措施具體控制效果如何，如何合理布置、優化減振降噪材料，需從噪聲源、頻率特征、傳遞途徑等角度綜合考慮聲吶平臺的噪聲控制效果。對聲吶平臺的噪聲預報和控制分析，Maidanik[1]和Kuo[2]等采用無限大平板模型，分別計算了機械力和湍流脈動壓力激勵下聲吶罩內的噪聲；Muer[3]和Vassas[4]采用統計能量法建立了聲吶罩在湍流脈動壓力激勵下自噪聲計算方法。俞孟薩[5]采用解析法建立了加肋平板在湍流脈動壓力激勵下肋骨對自噪聲的影響。

因此，為解決聲吶平臺噪聲問題，本文從噪聲源傳遞途徑的角度出發，采用解析和數值混合法研究透聲窗肋骨對自噪聲的影響，振動和輻射噪聲向聲吶平臺的傳遞規律，為聲吶平臺低噪聲設計提供參考。

1 聲吶自噪聲控制措施及機理分析

1.1 湍流激勵透聲窗的水動力噪聲

透聲窗水動力噪聲是加肋薄殼結構在表面湍流脈動壓力激勵下，殼板彈性振動將水動力能量轉換為寬帶連續譜的噪聲能量。文獻[5-6]將透聲窗簡化為無限周期加肋殼板，分析了殼板材料、肋骨對水動力噪聲的影響，指出肋骨使平板彎曲波數向高波數遷移，其與湍流脈動壓力波數—頻率譜的峰值重合，將在聲吶艙內產生高噪聲峰值，起到放大自噪聲的作用。考慮到透聲窗具有雙向加肋的復雜結構，采用理論解難以直接分析。因此，為解決復雜結構的水動力噪聲分析問題，本文利用有限元分析復雜加肋結構的模態響應，采用理論解分析復雜加肋結構形函數和湍流脈動壓力波數頻率—譜的耦合關系，為透聲窗肋骨優化提供設計方法。

為使本方法具有通用型，建立圖1所示彈性板振動模型，彈性板單元面積為Ap，長為Ly，寬為Lx，其上方受湍流脈動壓力激勵pt，下方受聲波pa作用。彈性薄板結構彎曲振動位移方程滿足[7]：

式中：D為板彎曲剛度，ms為板面密度，Cd為板阻尼系數。pa（x， y，z，t）為作用在板上的聲壓，pt為湍流脈動壓力激勵力。

上式對應的振動位移自由解為：

式中：ψmnx，（ ）

y 為彈性板的模態本征函數。由彈性板的邊界條件和Fourier變換，可得作用在彈性板上的模態聲壓：

圖1 彈性結構振動模型Fig.1 Modelofflexible structure vibration

式中：ρ0為水介質密度，c0為水中傳播聲速，Smn（ k1，k2）為模態波函數，σmn為模態輻射效率，mmn為模態附加質量。Vmn（ω ）為模態振速。

因為湍流脈動壓力為隨機過程，彈性板結構的振動特性需用功率譜密度描述，模態振速的自譜密度φVmn可用模態力的自譜密度表示[5]：

式中：Ap為彈性板的面積，Φppk1，k2，（ ）ω 為彈性板表面湍流脈動壓力的波數—頻率譜函數。

由（6）式可知，模態力的自譜密度取決于湍流脈動壓力的波數—頻率譜和模態波函數乘積的波數積分，反映了湍流脈動壓力與結構振動模態的空間耦合程度。由速度自譜密度和模態振速的關系，可得模態輻射聲功率：

相應的聲功率級為：

式中：P0為參考聲功率，P0=0.67×10-18瓦。

折算到參考距離1 m處的均方聲壓級為：

根據上述建立的方法，利用有限元軟件建立加肋彈性板的數值模型，由加肋彈性板結構的振動模態可得各階模態的本征函數ψmn（ x， y ）、模態波函數Smn（ k1，k2）、模態輻射效率σmn（ω）等，分析肋骨和湍流波數譜的耦合關系，最終可得加肋彈性板結構在湍流脈動壓力激勵下的模態輻射聲壓SPLmn。

采用有限元建立1 m×1 m彈性雙向加肋殼板，肋骨尺寸見表1。

表1 加肋平板肋骨尺寸Tab.1 Scale of stiffener for plate

圖2 加肋平板的模態波函數Smn（ k1，k2）Fig.2 Modal wave function Smn（ k1 ，k2）of stiffened plate

圖3 湍流脈動壓力譜和模態波函數的相互作用Fig.3 Interaction of modal wave function and turbulence pressure wave-number spectrum

圖4 平板和加肋平板各模態的輻射聲壓Fig.4 Comparison of radiation sound pressures of structure mode between plate and stiffened plate

1.2 輻射噪聲對聲吶自噪聲的影響

艦艇輻射噪聲包含艇體輻射噪聲和螺旋槳輻射噪聲，其噪聲傳播途徑比較復雜，還沒有較好的理論能準確描述輻射噪聲從艇艉到艇艏的傳播。但考慮到輻射噪聲主要是從導流罩后部和底部向聲吶平臺傳遞，因此建立導流罩數值模型，采用數值有限元的方法計算分析導流罩內的聲場分布特征。針對某艦艏聲吶平臺，采用結構有限元和聲學有限元的方法建立數值模型，見圖5，分別分析聲吶平臺后部和底部噪聲源對聲吶自噪聲的影響。

圖5 聲吶平臺聲學有限元模型Fig.5 FEM model of sonar platform

圖6 輻射噪聲后部傳遞途徑分析模型Fig.6 Transfer Path Analysis model of radiation sound for the tail of the platform

圖7 吸隔聲對后部入射噪聲的降噪效果Fig.7 Noise reduction effect of absorption and isolation scheme on sound incident from the heel-wall of the platform

圖8 輻射噪聲底部傳遞途徑分析模型Fig.8 Transfer Path Analysis model of radiation sound for the bottom of the platform

圖9 吸隔聲對底部入射噪聲的降噪效果Fig.9 Noise reduction effect of absorption and isolation scheme on sound incident from the bottom-wall of the platform

計算表明，噪聲傳遞到聲吶平臺區域，會激勵聲吶平臺非透聲界面的鋼結構、透聲窗和內外水耦合振動，振動噪聲傳遞到聲吶基陣部位。從噪聲分布圖可見，罩內后部區域噪聲較高，越靠近殼板結構區域的噪聲較大，而中間區域噪聲相對較低。為降低罩內聲吶自噪聲，在非透聲界面采取吸聲和隔聲綜合措施，可有效阻擋外界噪聲對聲吶自噪聲的影響，見圖6～9。因此，在聲吶導流罩內采取吸聲措施降低聲反射的同時，應注重在非透聲界面根據噪聲頻率采取隔聲措施，抑制外界噪聲激勵殼體結構對聲吶自噪聲的影響。

1.3 艇體振動對聲吶自噪聲的影響

艦艇艏部聲吶離主要振動源較遠，受艦艇振動影響相對較小。而舷側聲吶在艇體側部寬區域內分布，受艦艇機械設備振動影響較為明顯，高振動噪聲會在舷側聲吶部位產生假目標等現象。因此，在艇體與聲吶導軌安裝方式確定的條件下，利用有限元建立舷側聲吶安裝結構的數值模型（見圖10），在艇內采用多點激勵作用在耐壓殼體內側，數值分析在導軌及其附近區域采取抑振措施對聲吶單元振動響應的影響。

分析結果表明，舷側陣附近耐壓殼體振動對聲吶單元振動影響較大。考慮到舷側聲吶工作頻率通常在幾百赫茲，增大聲吶安裝導軌的阻尼損耗，可使聲吶單元振動響應降低5 dB以上。在聲吶安裝導軌和輕外殼連接的附近區域采用阻尼抑振措施，能有效降低聲吶單元振動10 dB左右，見圖11。

圖10 舷側聲吶陣布置示意圖Fig.10 Sonar Array installation on the sideboard of the ship

圖11 不同減振措施對聲吶單元振動的影響比較Fig.11 Comparison of vibration reduction effect of various vibration-reduce measurements

2 結 論

本文針對艦艇聲吶自噪聲問題，分析了水動力噪聲、輻射噪聲和艇體振動三大噪聲源對聲吶自噪聲的影響。研究結論主要如下：

（1）聲吶部位的水動力噪聲主要由透聲窗受湍流激勵產生，其作用機理主要為湍流波數—頻率譜和透聲窗加肋殼板的模態波函數耦合，產生各模態輻射噪聲。耦合強度由橫向肋骨剛度決定，橫向肋骨剛度大，肋骨在模態波函數上產生較高峰值，模態輻射噪聲高。因此，為降低透聲窗水動力噪聲，應減小橫向肋骨，適當增大流向肋骨以保證整體強度；

（2）輻射噪聲主要從聲吶平臺的后部和底部向艏聲吶傳遞，計算分析表明，為抑制輻射噪聲對聲吶自噪聲的干擾，在聲吶平臺壁面敷設吸隔聲結構，能有效降低輻射噪聲對聲吶自噪聲的影響；

（3）針對舷側聲吶的安裝方式，計算分析了聲吶安裝導軌減振措施對聲吶單元振動響應的影響，計算表明，耐壓殼振動對聲吶單元振動影響較大，應在振動傳遞途徑上采取阻尼抑振措施，減弱殼體振動向舷側聲吶的傳遞。

[1]Maidanik G.Domed sonar system[J].J Acoust.Soc.Am.,1968,44(1)：113-124.

[2]Kuo E Y T.Acoustic field generated by a vibrating boundary,I.General formulation and sonar-domed noise loading[J].J Acoust.Soc.Am.,1968,43(1)：25-31.

[3]Muet I LE.Bruit dorigine hydrodynamique rayonnéàl’intérieur d’un dǒme sonar：études expérimentales etévaluation S. E.A.[J].Journal d’Acoustic,1987,21：111-116.

[4]Vassas M.Evaluation of flow noise on a hull mounted sonar array,UDT’99,1999：356-359.

[5]俞孟薩.隨機聲彈性理論及聲吶罩聲學設計研究[D].無錫：中國船舶科學研究中心,2007.Yu Mengsa.Theory of random acoustoelasticity and its application in acostic design of sonar domes[D].China Ship Scientific Research Center,2007.

[6]俞孟薩,李東升.聲吶罩夾芯式透聲窗的聲學設計研究[J].聲學學報,2005,30(5)：427-434.Yu Mengsa,Li Dongsheng.Design of sandwich acoustic window for sonar dome[J].ACTA Acustica,2005,30(5)：427-434.

[7]何祚鏞.結構振動與聲輻射[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社,2001.

Mechanism analysis of noise control for Sonar Platform

LI Dong-sheng1,XU Hai-bin2,CAI Wei-feng2,LIU Han-wen2
(1.National Key Laboratory on Ship Vibration&Noise,China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China, 2.Hai Ying Co.Ltd.,Wuxi 214061,China)

To investigate the sound characteristics of the ship sonar platform,the effect of the three typical noise source on the sonar self-noise is researched.The results show that the hydrodynamic noise factor is mainly affected by the stiffener of the dome,and hence in order to avoid the resonance,it is suggested that the wave-number shape function of the stiffener should be designed to differ from peak of the turbulence wave-number spectrum.Noise of propeller and mechanical radiation sound is transferred through the bottom and tail of the platform,thus the noise near the wall of the platform is higher,which means in order to control the self-noise of the platform,the non-transmission wall should have a sound-isolation layer.The vibration and sound radiation of the hull is the main factor of broadside sonar noise,thus in the vibration transmission path some damping work should be done to lower down the broadside sonar noise.

sonar;sonar dome;sonar self-noise;hydrodynamic noise

TB53

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2017.07.013

1007-7294（2017）07-0907-07

2017-05-28

李東升（1977-），男，高級工程師，E-mail：kysma@163.com；

徐海賓（1975-），男，高級工程師。