论文部分内容阅读
声隐身性是水下舰艇发挥自身机动突袭作用的基本保证，舰艇辐射噪声水平直接影响其生存力和战斗力。机械噪声作为水下舰艇低速巡航时最主要的辐射噪声源，其产生一方面是由于艇内机械设备通过支撑件、基座、浮筏等隔振系统激励艇体振动向水中辐射噪声，另一方面是机械设备作为声源直接向艇内辐射空气噪声并通过艇体结构透射引起水下辐射噪声。以往对机械噪声的研究主要集中在机械设备作为力激励源引起结构的振动和声辐射特性，而忽略机械设备引起舱室内部空气噪声的变化与水下辐射噪声之间的关系。而事实上，舱室空气噪声中蕴含着大量舰艇内部机械设备运转的噪声信息和艇体结构自身的振动信息，部分空气噪声则会透过艇体结构引起水下辐射噪声。由于水下舰艇内部机械设备密度大、舱室空间狭窄，极大地增强了舱室空气噪声的强度，尤其当舰艇处于低速航行状态或隐蔽状态时，舱室内空气噪声引起的水下透射噪声与舰艇自身的声隐身性密切相关。而随着安静型机电设备和减振隔振技术的发展和运用，舱室空气噪声引起水下辐射噪声的问题愈发突显出来，成为水下舰艇声学设计不可忽略的问题。
针对水下舰船舱室噪声引起的水下辐射噪声问题，本文开展了水下圆柱壳内外声场的噪声传递特性研究，结合圆柱壳内声场空间分布特性和结构振动响应规律，分频段建立了壳体结构内外声场噪声传递模型;在噪声传递模型的基础上，研究了力源激励、声源激励及其混合激励下舱室结构内外声场分布特性，计算分析了大型机械设备作为体积源的指向性和表面声散射影响，分析了不同类型噪声源对壳体内外噪声的贡献规律;进一步建立了非规则内部空间的壳体声透射理论模型，开展了大量机械设备占据舱室内部空间情况下声透射特性研究，分析了设备占据内部空间大小对内外声场及噪声传递的影响;最后开展了舱段模型内外声场特性与辐射噪声预报水池试验，利用试验验证了复杂激励下壳体内外声场特性主要结论的可靠性，并基于舱段模型内声场的监测对外辐射噪声进行预报，验证壳体结构内外声场噪声传递模型的有效性。本文的具体研究内容如下:
1、圆柱壳内外噪声传递特性研究:壳体内声场特性和结构声振响应是圆柱壳内外噪声传递的两个重要方面。从圆柱壳内部声场特性出发，研究壳体结构内声场简正模态密度，根据模态密度函数分别用简正模式理论和扩散声场理论分析不同频段封闭空间声场特性，其中简正模式理论适合低频段的声场模型，而在中高频段可以采用扩散声场理论进行分析。对于壳体振动响应，基于Donnell薄壳振动方程和Helmholz方程推导了壳体结构被激振动方程，阐述了薄壳理论在高频段计算的局限性，并进而给出壳体结构的板近似模型。在上述结论的基础上，进一步结合不同频段壳体内声场特性和结构声振响应特性，提出了根据壳体结构环频分频段对壳体内外噪声传递进行建模，并分析了壳体结构在不同频段噪声传递特性，明确了在环频以下，圆柱壳内声场模态和壳体振动模态之间的耦合关系主导其结构的声透射特性;在环频以上，壳体结构的隔声质量对声透射特性起主要作用。
2、不同激励方式对圆柱壳内外声场的影响:根据壳体结构声透射模型，研究激励方式对壳体内外声场的影响。本文将壳体结构内部噪声源分别力源激励和声源激励两类，分别以局部力和分布力的作用形式加载到壳体结构内表面，对比分析了不同激励方式下壳体内声场特性、结构振动响应和外辐射噪声特性的区别，并讨论了混合激励下不同激励方式对壳体内外噪声的贡献，发现了壳体的振动响应更容易反映力源激励下壳体的振动信息，而壳体结构内声场的强弱对声源激励强弱更敏感;对激励源进行了详细分类研究，阐述了线力源、面力源、偶极子声源、四极子声源等复杂激励对壳体内外声场的影响;针对大型机械设备，提出了一种具有空间分布及指向性的体积源激励下声透射建模方法，揭示了体积源指向性及表面声散射作用对声透射的影响。
3、非规则内部空间对圆柱壳内外声场的影响:针对舰艇内部设备众多，占据舱室空间这一问题，本文在Donnell薄壳理论模型基础上，结合集成模态法，提出了考虑设备空间占据的非规则内部结构的壳体声透射模型，理论分析了机械设备空间占据改变了声腔模态振型和对应的声腔共振频率，进而影响了声腔模态与壳体振动模态的耦合关系，对通过改变内部机械设备的体积，数值计算不同机械设备空间占据下，圆柱壳内外声场的变化，给出了其对内外声场噪声传递的影响，并研究了机械设备容积与圆柱壳水下辐射噪声指向性之间的关系。
4、开展相关试验研究:为了验证水下圆柱壳结构内外噪声传递模型的有效性及不同类型噪声源对壳体内外声场的贡献规律，在消声水池开展了舱段模型内外声场特性与辐射噪声预报试验研究。采用激振器和音箱分别进行单机和组合激励壳体振动引起舱段模型内部空气噪声及外部水下辐射噪声，利用舱段内壁面附近的传声器和外壁面附近的水听器验证舱段模型结构内外声场噪声传递模型的有效性，进一步结合舱段内壁面的加速度传感器，通过研究复杂激励下壳体结构内外噪声之间的关系，验证了不同激励方式对壳体结构内外噪声贡献的主要结论。舱段试验研究对本文所得到的水下舰船内外声场耦合特性的主要结论在工程实用性方面提供了支撑，该试验结果对水下舰艇结构的声透射预报一定的指导意义和工程应用价值。
针对水下舰船舱室噪声引起的水下辐射噪声问题，本文开展了水下圆柱壳内外声场的噪声传递特性研究，结合圆柱壳内声场空间分布特性和结构振动响应规律，分频段建立了壳体结构内外声场噪声传递模型;在噪声传递模型的基础上，研究了力源激励、声源激励及其混合激励下舱室结构内外声场分布特性，计算分析了大型机械设备作为体积源的指向性和表面声散射影响，分析了不同类型噪声源对壳体内外噪声的贡献规律;进一步建立了非规则内部空间的壳体声透射理论模型，开展了大量机械设备占据舱室内部空间情况下声透射特性研究，分析了设备占据内部空间大小对内外声场及噪声传递的影响;最后开展了舱段模型内外声场特性与辐射噪声预报水池试验，利用试验验证了复杂激励下壳体内外声场特性主要结论的可靠性，并基于舱段模型内声场的监测对外辐射噪声进行预报，验证壳体结构内外声场噪声传递模型的有效性。本文的具体研究内容如下:
1、圆柱壳内外噪声传递特性研究:壳体内声场特性和结构声振响应是圆柱壳内外噪声传递的两个重要方面。从圆柱壳内部声场特性出发，研究壳体结构内声场简正模态密度，根据模态密度函数分别用简正模式理论和扩散声场理论分析不同频段封闭空间声场特性，其中简正模式理论适合低频段的声场模型，而在中高频段可以采用扩散声场理论进行分析。对于壳体振动响应，基于Donnell薄壳振动方程和Helmholz方程推导了壳体结构被激振动方程，阐述了薄壳理论在高频段计算的局限性，并进而给出壳体结构的板近似模型。在上述结论的基础上，进一步结合不同频段壳体内声场特性和结构声振响应特性，提出了根据壳体结构环频分频段对壳体内外噪声传递进行建模，并分析了壳体结构在不同频段噪声传递特性，明确了在环频以下，圆柱壳内声场模态和壳体振动模态之间的耦合关系主导其结构的声透射特性;在环频以上，壳体结构的隔声质量对声透射特性起主要作用。
2、不同激励方式对圆柱壳内外声场的影响:根据壳体结构声透射模型，研究激励方式对壳体内外声场的影响。本文将壳体结构内部噪声源分别力源激励和声源激励两类，分别以局部力和分布力的作用形式加载到壳体结构内表面，对比分析了不同激励方式下壳体内声场特性、结构振动响应和外辐射噪声特性的区别，并讨论了混合激励下不同激励方式对壳体内外噪声的贡献，发现了壳体的振动响应更容易反映力源激励下壳体的振动信息，而壳体结构内声场的强弱对声源激励强弱更敏感;对激励源进行了详细分类研究，阐述了线力源、面力源、偶极子声源、四极子声源等复杂激励对壳体内外声场的影响;针对大型机械设备，提出了一种具有空间分布及指向性的体积源激励下声透射建模方法，揭示了体积源指向性及表面声散射作用对声透射的影响。
3、非规则内部空间对圆柱壳内外声场的影响:针对舰艇内部设备众多，占据舱室空间这一问题，本文在Donnell薄壳理论模型基础上，结合集成模态法，提出了考虑设备空间占据的非规则内部结构的壳体声透射模型，理论分析了机械设备空间占据改变了声腔模态振型和对应的声腔共振频率，进而影响了声腔模态与壳体振动模态的耦合关系，对通过改变内部机械设备的体积，数值计算不同机械设备空间占据下，圆柱壳内外声场的变化，给出了其对内外声场噪声传递的影响，并研究了机械设备容积与圆柱壳水下辐射噪声指向性之间的关系。
4、开展相关试验研究:为了验证水下圆柱壳结构内外噪声传递模型的有效性及不同类型噪声源对壳体内外声场的贡献规律，在消声水池开展了舱段模型内外声场特性与辐射噪声预报试验研究。采用激振器和音箱分别进行单机和组合激励壳体振动引起舱段模型内部空气噪声及外部水下辐射噪声，利用舱段内壁面附近的传声器和外壁面附近的水听器验证舱段模型结构内外声场噪声传递模型的有效性，进一步结合舱段内壁面的加速度传感器，通过研究复杂激励下壳体结构内外噪声之间的关系，验证了不同激励方式对壳体结构内外噪声贡献的主要结论。舱段试验研究对本文所得到的水下舰船内外声场耦合特性的主要结论在工程实用性方面提供了支撑，该试验结果对水下舰艇结构的声透射预报一定的指导意义和工程应用价值。