方案設計階段艦艇結構振動聲輻射模型分析與計算方法研究.pdf

1、艦艇是各國海軍的主要裝備，隱蔽性是決定其生存力和戰(zhàn)斗力的主要因素。隨著各海軍強國不斷提高其海、空探測設備的技術水平，艦艇自身的隱蔽性正遭受越來越大的挑戰(zhàn)。作為隱身性能指標之一的輻射噪聲一方面會把艦艇自身暴露給敵方；另一方面會干擾艦艇的主動聲吶探測作業(yè)，艦艇聲隱身性能的軍事重要性越來越突出。因此，艦艇的聲隱身技術對保證艦艇生命力和戰(zhàn)斗力尤為重要，關于艦艇聲隱身的研究也成為一個熱點。
　　艦艇是在水中或水上航行的復雜彈性結構體，不可避

2、免地受到多種激勵，從而誘發(fā)結構振動輻射聲能產生噪聲。艦艇的主要噪聲源包括機械噪聲（主機、輔機、各種電機、泵等），螺旋槳噪聲，水動力噪聲（艦艇航行時，水流與潛艇結構表面等相互作用）等。艦艇一般是由梁、平板、殼等縱橫交叉，一定間距的構件組成的三維細長體結構，且設有縱、橫艙壁。同時艦艇結構上的激勵源分布廣，頻譜范圍寬。船用機械設備和管路系統(tǒng)等通過基座等支撐件以及艙室空氣噪聲激勵船體，引起船體濕表面振動并向船外輻射噪聲。機械設備激勵產生的結構振

3、動尤其在高頻時，以彈性波的方式從激勵源傳遞到艦艇結構外濕表面需要一定的傳播時間，其主傳遞途徑為基座—艇體—流場。高速航行時，由于流場伴流作用螺旋槳葉片會產生非定常的力和力矩，進而引起軸系振動并向船體內傳遞就形成了船體的結構噪聲；作用在船體表面的湍流邊界層脈動壓力亦會激起船體振動，并產生輻射噪聲。
　　艦艇結構的振動噪聲特性是一個經(jīng)典的聲--流--固耦合問題，一直是船舶與海洋工程領域的研究熱點問題。艦艇結構的聲振機理研究涉及聲學、結

4、構動力學、彈性力學、流體力學等理論，屬于多學科交叉領域的研究課題。本文從典型船體梁、板殼結構入手，開展了艦艇典型結構的頻散特性研究，并以Timoshenko梁為模型，分析了艦艇典型結構中的彈性波傳遞特性。針對艦艇減振降噪工程領域的實際問題和艦艇結構聲振分析的劃分依據(jù)，開展了一系列典型艦艇結構的振動和聲輻射傳遞機理研究。
　　基于Timoshenko梁理論及彈性理論，以Timoshenko連續(xù)梁、板及箱型結構為研究對象，探索了振動波

5、在結構中的波傳播特性，同時根據(jù)頻率對艦艇結構聲振特性和計算模型進行劃分。艦艇局部板架結構和環(huán)頻率以上殼體結構均可視為由縱橫加強筋、平板及阻尼層等構件構成的敷阻尼加筋板。以敷設阻尼層的有限長加筋板為分析模型，開展其振動與聲輻射特性研究，開展了相關的模型試驗，對敷設阻尼層的有限長加筋板的聲振特性進行測試。
　　艦艇典型的艙段結構一般可近似為加筋圓柱殼結構，針對任意邊界條件下的水下加筋圓柱殼計算模型，提出一種精細傳遞矩陣方法，開展加筋圓

6、柱殼的振動聲輻射特性研究。討論了結構參數(shù)、邊界條件、激勵力方向及流體介質對圓柱殼聲振特性的影響。
　　盡管低噪聲設備、浮筏隔振等技術的應用，使艦艇機械噪聲水平大為降低，但艦艇艉部的螺旋槳噪聲問題依然突出。以流場中加筋截頂圓錐殼為計算模型，進行截頂圓錐殼的振動聲輻射特性研究。討論了結構參數(shù)、激勵力方向、激勵力偏心、流體介質及邊界條件等對加筋圓錐殼的聲振特性的影響，為潛艇艉部結構聲學設計提供理論支撐。
　　艦艇艉部結構不但受到艇

7、外的螺旋槳通過艉軸、推力軸承傳遞的軸向力，還在艉部艙段布置有推進電機、海水泵等主要機械噪聲源，因此，內部的機械振動、螺旋槳的誘導作用均會激勵艉部結構輻射水下噪聲。以圓錐殼-圓柱殼組合結構來模擬艉部結構，利用精細傳遞矩陣法結合改進波疊加法，開展水下加筋圓錐殼-圓柱殼組合結構的振動聲輻射特性研究。并討論了艙壁布置、激勵力方向、流體載荷、殼體剛度及阻尼對加筋圓錐殼-圓柱殼組合結構的聲振特性的影響，為潛艇艉部結構聲學設計提供理論支撐。