水下復(fù)雜結(jié)構(gòu)全頻段聲振預(yù)報(bào)與特性分析＊

亢澤陽(yáng)，齊憲國(guó)，鄭衛(wèi)剛

（武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢430063）

水下復(fù)雜結(jié)構(gòu)全頻段聲振預(yù)報(bào)與特性分析＊

亢澤陽(yáng)，齊憲國(guó)，鄭衛(wèi)剛

（武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢430063）

當(dāng)下結(jié)構(gòu)被激勵(lì)影響產(chǎn)生振動(dòng)問(wèn)題時(shí)，會(huì)在水介質(zhì)中產(chǎn)生輻射形成聲場(chǎng)。其與氣體反應(yīng)不同，水介質(zhì)的在這一系統(tǒng)中具有不可壓縮性，在表面外殼中形成反作用力，產(chǎn)生一個(gè)聲振耦合體系，導(dǎo)致潛艇自身在水中實(shí)際運(yùn)作性能和安全受到影響，需要加以關(guān)注，增加對(duì)水下復(fù)雜結(jié)構(gòu)全頻段聲振預(yù)報(bào)與特性關(guān)注度，確保潛艇的實(shí)際應(yīng)用性。主要就水下復(fù)雜結(jié)構(gòu)全頻段聲振預(yù)報(bào)與特性進(jìn)行了分析和研究。

水下復(fù)雜結(jié)構(gòu)；全頻段聲振；預(yù)報(bào)特性；流噪

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外眾多研究人員增加了對(duì)水下復(fù)雜結(jié)構(gòu)全頻段聲振預(yù)報(bào)與特性分析和研究，加深了對(duì)單雙層圓柱殼潛艇高頻段和低頻段全頻段聲振特點(diǎn)研究。潛艇噪聲主要來(lái)自與螺旋槳、機(jī)械裝置、流噪等，對(duì)潛艇戰(zhàn)能力帶來(lái)影響較大，因此，國(guó)內(nèi)外研究人員應(yīng)該深入分析和研究水下復(fù)雜結(jié)構(gòu)全頻段聲振預(yù)報(bào)與特性，保證在水下避免受到噪聲的影響。

1 背景闡述

潛艇具有隱蔽性，這對(duì)自身作戰(zhàn)能力造成了較大影響，是影響潛艇作戰(zhàn)關(guān)鍵因素?，F(xiàn)階段世界對(duì)潛艇的探測(cè)技術(shù)主要是水聲探測(cè)技術(shù)。因此，我們可以說(shuō)潛艇自身的噪聲水平對(duì)其隱性性能有影響。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，為聲納技術(shù)帶來(lái)了全新的發(fā)展契機(jī)，促進(jìn)了聲納技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)下水系統(tǒng)中聲學(xué)性能給出了全新的要求和標(biāo)準(zhǔn)。所以，社會(huì)的不同領(lǐng)域、不同學(xué)者增加了對(duì)聲振預(yù)報(bào)工作關(guān)注度，研究利用優(yōu)化和完善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低噪聲和輻射。在不斷研究和分析后，國(guó)內(nèi)外研究人員總結(jié)了眾多經(jīng)驗(yàn)與理論知識(shí)，提出潛艇在水下運(yùn)作期間，噪聲主要來(lái)自與螺旋槳、機(jī)械裝置、流噪等等。在這3種不同的潛艇噪聲來(lái)源中，潛艇機(jī)械噪聲影響最大，是最為關(guān)鍵的噪聲來(lái)源。所以，詳細(xì)和科學(xué)地預(yù)報(bào)潛艇結(jié)構(gòu)聲音輻射與振動(dòng)，可在軍事領(lǐng)域發(fā)揮積極影響，意義重大。潛艇結(jié)構(gòu)形式包括單圓柱殼潛艇、雙圓柱殼潛艇。在水下系統(tǒng)中，單圓柱殼影響雙圓柱殼潛艇輻射振動(dòng)研究具有實(shí)際意義，是未來(lái)水下振動(dòng)與噪聲、輻射主要研究方向[1]。

2 水下復(fù)雜結(jié)構(gòu)全頻段聲振預(yù)報(bào)與特性

2.1 水下復(fù)雜結(jié)構(gòu)全頻段聲振預(yù)報(bào)研究

在對(duì)下復(fù)雜結(jié)構(gòu)全頻段聲振預(yù)報(bào)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，其可以依據(jù)SEA理論方法開(kāi)展，在中頻和高頻段中，降低了高頻和中頻內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)邊界元和有限元高密度模態(tài)預(yù)報(bào)局限。在實(shí)際分析環(huán)節(jié)，可以節(jié)省工作時(shí)間，不必對(duì)全部階段模態(tài)詳細(xì)求解，也不必對(duì)每個(gè)階段模態(tài)振動(dòng)貢獻(xiàn)量分析。單一站在統(tǒng)計(jì)角度，把振動(dòng)產(chǎn)生能量作為基礎(chǔ)系數(shù)，依據(jù)能量傳遞特點(diǎn)和性質(zhì)，分析研究振動(dòng)能量運(yùn)作情況。利用SEA理論方法時(shí)，在高頻內(nèi)部（高頻處于高模態(tài)和高密度環(huán)節(jié)）流場(chǎng)和耦合力問(wèn)題解決中發(fā)揮作用最大[2]。

SEA理論主要是對(duì)下復(fù)雜結(jié)構(gòu)全頻段聲振能量統(tǒng)計(jì)和分析，在實(shí)際分析期間，構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)完整的工程，包括聲學(xué)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的模態(tài)群，依據(jù)模態(tài)形式與特點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則，把整個(gè)系統(tǒng)劃分為多個(gè)部分，利于獨(dú)立法線性耦合系統(tǒng)的子系統(tǒng)。模態(tài)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與準(zhǔn)則就是振型，需具有相同性模態(tài)能量，消耗與損失因子與阻尼，這樣模態(tài)就具備了與動(dòng)力學(xué)相似的特征。SEA子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)存儲(chǔ)目標(biāo)，把振動(dòng)能量整合后存儲(chǔ)。SEA子系統(tǒng)參數(shù)包括模態(tài)密度、內(nèi)耗損因子、耦合損耗、輸入和輸出功率等，SEA系統(tǒng)參數(shù)與系數(shù)分析模型展示圖如圖1所示。

在利用SEA理論對(duì)下復(fù)雜結(jié)構(gòu)全頻段聲振能量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析期間，需加以關(guān)注CLE意義，分析CLE物理屬性，把被激勵(lì)的對(duì)象系統(tǒng)中能量運(yùn)作到其他系統(tǒng)中。比如，把子系統(tǒng)中能量運(yùn)作到不同間接激勵(lì)子體系中，利用CLE描述2個(gè)系統(tǒng)之間耦合能力和耦合程度，CLE是這2個(gè)耦合系統(tǒng)之間聯(lián)系紐帶，代表了子系統(tǒng)耦合能力大小和作用強(qiáng)弱，證明了能量從這一系統(tǒng)運(yùn)作到另一系統(tǒng)。

2.2 層間關(guān)聯(lián)形式的影響

對(duì)于航行器而言，如果其在水下系統(tǒng)中利用圓柱結(jié)構(gòu)類型時(shí)，其具有自身的特征。結(jié)構(gòu)屬于雙層加肋布局，內(nèi)部是抗壓殼，外部為輕外殼。2個(gè)不同層次、殼之間利用拖板以橫向形式關(guān)聯(lián)和支撐。在實(shí)際工作中的內(nèi)部系統(tǒng)和外部系統(tǒng)中，圓柱殼間有流體介質(zhì)，形成振動(dòng)力沿著內(nèi)殼運(yùn)作到托板中，再經(jīng)由托板運(yùn)作外殼。因此，需要全面考慮不同層間受到介質(zhì)影響的程度；分析充液對(duì)工程的影響，在層間開(kāi)展充液工作時(shí)，托板支撐系統(tǒng)闡述的結(jié)構(gòu)功率與分頻帶整個(gè)系統(tǒng)中存在的功率相同，即流體單獨(dú)影響與作用和層間的作用相同，與2種關(guān)聯(lián)形式整合運(yùn)作的結(jié)果相同。在中頻系統(tǒng)中，層間流體發(fā)揮傳遞作用，但在這一頻段內(nèi)，托板發(fā)揮的實(shí)際作用小，2種關(guān)聯(lián)形式與單獨(dú)關(guān)聯(lián)流體運(yùn)作發(fā)揮的作用接近。然而，相互關(guān)聯(lián)的共振系統(tǒng)的子系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)目標(biāo)。因此，子系統(tǒng)是指有限區(qū)域內(nèi)具有相同的共振形式和模態(tài)的系統(tǒng)。詳細(xì)而言，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)全頻段聲振預(yù)報(bào)分析中，SEA理論方法具有優(yōu)勢(shì)，其可以結(jié)合實(shí)際情況建立一個(gè)系統(tǒng)或多個(gè)系統(tǒng)，在受到外界影響后，可形成穩(wěn)定振動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)能量，利用子系統(tǒng)邊界發(fā)揮子系統(tǒng)耦合作用，實(shí)現(xiàn)能量交換目標(biāo)，對(duì)每個(gè)系統(tǒng)中存在的折振動(dòng)物理量詳細(xì)分析并預(yù)報(bào)。

3 結(jié)論

在水下結(jié)構(gòu)中，輻射和噪聲主要來(lái)自內(nèi)部動(dòng)力設(shè)備，包括齒輪箱設(shè)備、推進(jìn)設(shè)備、閥門(mén)和主要輔助設(shè)備等。把振動(dòng)運(yùn)作到外殼中，會(huì)導(dǎo)致下水體系出現(xiàn)振動(dòng)和噪聲，使螺旋槳受到影響，在實(shí)際運(yùn)行期間出現(xiàn)噪聲，對(duì)汽艇的運(yùn)行造成較大的影響。對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)全頻段聲振預(yù)報(bào)可以利用SEA理論運(yùn)用，其主要是對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)全頻段聲振能量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，并在實(shí)際分析期間構(gòu)建系統(tǒng)、完整的工程，包括聲學(xué)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的模態(tài)群，可以節(jié)省工作時(shí)間，不必對(duì)全部階段模態(tài)進(jìn)行詳細(xì)求解，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

［1］馮娜.水下復(fù)雜結(jié)構(gòu)的聲振預(yù)報(bào)方法與特性分析［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.

［2］樂(lè)瀚洋.潛艇結(jié)構(gòu)模型的全頻段振動(dòng)聲輻射分析［D］.大連：大連理工大學(xué)，2015.

［3］劉林波.船舶復(fù)合阻振結(jié)構(gòu)的阻振性能實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用研究［D］.鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2015.

TB56

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.14.029

2095－6835（2017）14－0029－02

亢澤陽(yáng)（1996—），男，武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院2014級(jí)本科生，輪機(jī)工程專業(yè)，研究方向?yàn)檩啓C(jī)工程、機(jī)械（第一作者）。齊憲國(guó)（1994—），男，武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院2014級(jí)本科生，輪機(jī)工程專業(yè)。鄭衛(wèi)剛（1967—），男，湖北武漢人，技師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電技術(shù)。

〔編輯：張思楠〕

武漢理工大學(xué)自主創(chuàng)新基金項(xiàng)目（編號(hào)：175205008）