基于工況TPA的艦船輻射噪聲預報與試驗研究

馬中存，張永祥

(1.中國人民解放軍91202部隊，遼寧 葫蘆島 125000；2.海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430000)

0 引言

艦船本身是一個十分復雜的噪聲源，主要分為機械噪聲、水動力噪聲以及螺旋槳噪聲[1]。通常艦船在中低速航行下機械噪聲占主要成分，對艦船的輻射噪聲貢獻最大。機械噪聲主要是由艦船上的機械設備(發動機、空壓機、空調和各種泵等)運轉而產生的噪聲[2-3]，這些設備在工作過程中產生振動，通過設備基座或者內部的支架傳遞到艦船殼體，從而引起艦船殼體振動并向海洋中輻射聲波[3]。艦船機械噪聲控制往往從兩個方面來進行，即振源控制和傳遞路徑控制。由于艦船機械設備眾多，機械噪聲源數目多且復雜，源與源之間耦合嚴重，振動噪聲源的傳遞路徑極其復雜，其前提便是進行艦船振動噪聲的傳遞路徑分析方法研究。一方面可以識別艦船機械噪聲的主要振動噪聲源以及傳遞路徑，指導艦船減振降噪措施的合理實施；另一方面可以完成艦船的輻射噪聲預報以及設備故障診斷，提高艦船聲學性能[4-5]。

傳遞路徑分析方法(Transfer Path Analysis, TPA)是近些年快速發展的一種基于試驗的振動系統中能量傳遞路徑的研究與控制方法[6-7]，其雛形自1993年被Van der Linden P J G等提出，應用在汽車的結構傳遞噪聲診斷。該方法歷經了20余年的研究和發展，廣泛應用汽車NVH、船舶、航天等領域，核心就是研究系統傳遞特性，解決任何振動噪聲源—傳遞路徑—響應點的問題[8-10]。針對艦船設備眾多、源與源之間耦合嚴重等特點，本文結合偏相干分析方法，采用工況TPA方法[11]，通過對艦船振動噪聲的傳遞特性分析，確定一個多輸入輸出系統中主要的振動噪聲源以及傳遞路徑，實現振動噪聲的合成，為艦船的噪聲控制、故障診斷以及噪聲預報提供理論指導，并通過消聲水池的艙段模型試驗進行驗證。

1 傳遞路徑理論分析

1.1 工況TPA分析

工況TPA方法按照各子路徑響應來表現目標點處的響應。當艦船系統受到外在或內在激勵時必然會產生響應，而在此表征這種激勵與系統響應之間的關系便為系統的傳遞函數。由于艦船振動系統會受到多種振動噪聲源同時激勵，每種激勵都會通過不同的傳遞路徑傳遞到多個目標響應點。工況TPA方法應用不同工況下所得的振源信號，從而建立目標響應點與每個振源間的傳遞關系[7]，利用艦船正常運行時的振動信號便能合成艦船內或者船體外目標點的聲場信號。

設艦船系統內某一目標點處的聲壓信號為p(w)，振源振動加速度信號為xj(w)，其通過艦船的振動衰減系統Tj(w)可得：

(1)

式中：m為振源的個數。

設艦船船體結構系統船體函數Tj(w)為線性，工況載荷為任意r個，目標點的聲壓信號為pk(w)(k=1,2,…,r)與振源處的加速度信號xkj(w)通過計算產生r個線性方程組為：

pk=xk1T1+xk2T2+…+xkjTi+…+xkmTm

(2)

式(2)還可以表示成矩陣形式為：

P=XT

(3)

式中：P為輸出聲壓矩陣；X為輸入振源；T為系統傳遞函數。

矩陣各種輸入工況被看作輸入矩陣X的各個行向量，不同的振源輸入被看作該行向量的各個元素。適當選取工況及工況類型的組合是準確獲得艦船振動系統傳遞函數矩陣T的前提。在選取工況時，遵循r≥m的原則，其所選工況相互之間不相干。當各個輸入工況僅僅為幅值或者相位的變化時，其不利于傳遞函數T的準確求取，而是需要施加不同結構載荷如發動機或者其他設備等在不同轉速、不同負載下的工況[7,10]。所以，在進行試驗時，各種輸入工況的參考信號的測量傳感器應該盡可能地放置在激勵源附近，以求最大限度的來獲取互不相干的激勵信號。另外，當載荷工況的組合導致矩陣X各行向量存在較強的相關性或者加性噪聲包含在所測的振動加速信號矩陣X和聲壓信號矩陣P時，傳遞函數矩陣T的準確性則會受到較大的影響，此時應用偏相干函數法可以有效地解決此類問題[5,12]。

1.2 偏相干分析

簡單來說，在艦船振動傳遞路徑分析系統中，假設用一組有序的時域信號x1(t)，x2·1(t)，…，xn·(n-1)!(t) 表示偏相干分析方法得到的條件輸入，以此來表示已知的原始輸入。則xi·(i-1)!(w)，i=1,2,…，n，N(w)、Y(w) 分別表示有序條件輸入下的輸入信號的傅里葉變換、系統噪聲的傅里葉變換和輸出信號的傅里葉變換，Lxiy(w)表示有序條件輸入下的一組最優的系統傳遞函數[13]，下標i·(i-1)!表示的是應用最小二乘法原理去掉前(i-1)個輸入信號的線性影響之后的第i個條件輸入。此時系統輸出可表示為：

(4)

輸入信號xi(t)與輸出響應信號y(t)之間的偏相干函數被定義為它們的條件譜密度的常相干函數。則偏相干函數為：

(5)

在各個輸入信號之間存在相干的情況下，則系統輸出自功率譜密度函數表示為：

(6)

在式(6)中：公式左端Gyy(w)表示系統輸出自功率譜密度函數；公式右端第一項代表x1(t)對y(t)的相干輸出功率譜，第二項代表在去掉x1(t)對y(t)的影響下，x2(t)對y(t)的偏相干輸出功率譜[13]；下面的以此類推。

通過以上的分析，應用偏相干以及條件功率譜分析可以解決輸入信號之間耦合的問題，并且不改變原始輸入信號與輸出信號之間固有的相干性，從而優化工況TPA模型，提高傳遞函數矩陣T的準確度，解決耦合振動噪聲源之間的艦船振動傳遞路徑分析問題[14]。

2 艙段模型試驗分析

2.1 試驗系統

以縮比的艙段模型為試驗對象，模型長3.5 m，外直徑為2.5 m。在艙段內底部安裝1套浮筏隔振裝置，兩端各安裝1臺振動電機，通過隔振器與隔振裝置相連。在艙段中間，激振器通過減振器安裝在艙段內水平橫梁的基座上，減振器可以通過螺桿來選擇剛性連接或彈性軟連接。激振器的激勵力為500 N，頻率可調，最高激振頻率為5 000 Hz。

試驗系統主要由兩部分組成：振動發射系統和振動測量系統。同時，避免在反映同一振動信息的位置布置多個加速度振動傳感器，以便減少信號之間的耦合，提高試驗的精度。加速度傳感器布置見圖1。在設備機腳、艙壁內測及外側共計布置30個加速度傳感器，分別表示為p1～p30； 1#與2#水聽器布置在激振器一側，與艙段模型中軸線深度等同，距艙段模型正橫方向9 m和11 m處。

圖1 傳感器布置示意圖

試驗過程中，設計設備單機運行以及設備組合運行，具體見表1。分別進行岸上及水下測試，水下模型吊放深度(中心軸距離水平面)5 m。試驗采樣頻率為20 kHz，采樣長度70 s，數據以tdms格式保存在計算機中。

表1 工況設計表

2.2 輻射噪聲合成與實測值對比分析

試驗中，選擇工況5激振器與振動電機A同時開啟，激振器發射從20 Hz到2 000 Hz的1/3倍頻程(1/3 oct)信號，分別在不同幅值和頻率的激勵下，分析艙段模型中設備經減振器到艙壁，艙壁到外部1#、2#目標點水聽器的傳遞特性。利用已建立的工況TPA模型，對目標點噪聲進行合成，試驗假設傳遞函數不隨激振器輸入激勵信號的激勵幅值與激勵的先后順序的變化而變化，認為該艙段模型滿足系統的線性不變性。

比較圖2可以看出，除50、25、20 Hz等個別頻點受系統及設備耦合作用較強外，1#與2#測點噪聲合成值與實測值相差較大，其余頻點處的噪聲合成值與實測值基本吻合，相差在2 dB以下。試驗中：一方面振動電機產生以49.96 Hz為中心頻率的窄帶信號，伴隨50 Hz的工頻電干擾，兩者都會影響噪聲合成；另一方面，激振器發射低頻信號激勵殼體時，殼體發生諧振也會影響噪聲合成。因此，通過單獨開啟激振器，結合偏相干分析，先進行解耦再進行艦船振動傳遞特性分析，見圖3。

圖2 1#、2#測點輻射噪聲各個頻率處合成與實測值

圖3 偏相干優化后1#、2#測點輻射噪聲各個頻率處合成與實測值

由圖3可以看出，經偏相干優化后，1#目標點50 Hz處振動噪聲合成值與實測值相差小于2 dB，2#目標點振動噪聲合成值與實測值相差小于1.8 dB，其他低頻處噪聲合成精度也有所提高，都小于3 dB。優化后的目標點噪聲合成值與實測值吻合較好，滿足水下振動噪聲分析的基本要求。以1#目標點為例，優化前和優化后振源對目標點貢獻量的分析見圖4。從圖中發現，振動電機較激振器的能量傳遞衰減量要大，貢獻比小于激振器；而經偏相干分析優化后，振動電機對1#目標點的貢獻比約為40.1%，較優化前提高約10.1%，激振器的貢獻比約為59%，提高了評估的準確度。

圖4 偏相干優化前后各傳遞路徑對1#測點的

3 結論

本文通過偏相干優化方法優化了艦船噪聲傳遞路徑分析，解決了耦合噪聲源合成時誤差較大的問題，主要結論如下：

(1)本文根據艦船實際環境，模擬多種振源信號，結合偏相干分析，建立了艦船工況傳遞路徑分析模型，并通過縮比艙段模型試驗驗證了該方法的有效性。

(2)基于源分離的工況TPA噪聲合成結果要優于耦合信號合成結果，前者與實測值吻合較好，全頻帶合成誤差均小于3 dB。