基于表面振動(dòng)監(jiān)測(cè)的大型水下結(jié)構(gòu)輻射噪聲預(yù)報(bào)研究.pdf

1、水下結(jié)構(gòu)輻射噪聲預(yù)報(bào)是水聲領(lǐng)域一項(xiàng)重要研究內(nèi)容，是定量聲學(xué)設(shè)計(jì)、減振降噪設(shè)計(jì)等工作的理論基礎(chǔ)與重要依據(jù)。對(duì)于潛艇這類大型水下結(jié)構(gòu)而言，輻射噪聲的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)或者快速預(yù)報(bào)是提高其戰(zhàn)斗力與生存力的有力保障。因此，輻射聲場(chǎng)預(yù)報(bào)研究具有重要的理論價(jià)值和廣泛的應(yīng)用背景。本文以大型結(jié)構(gòu)輻射噪聲的快速預(yù)報(bào)為目標(biāo)，遵循理論研究和工程應(yīng)用相結(jié)合的研究思路，開展了輻射聲場(chǎng)快速預(yù)報(bào)的理論與試驗(yàn)研究。 深入分析了表面振動(dòng)與輻射聲場(chǎng)之間的傳遞規(guī)律，聲場(chǎng)聲壓等

2、于表面振速向量與聲傳遞向量的內(nèi)積，聲傳遞向量的元素等于與輻射面共形的剛性障板表面對(duì)應(yīng)活塞以單位速度振動(dòng)時(shí)的輻射聲壓。討論了以規(guī)則障板表面活塞輻射聲場(chǎng)近似實(shí)際障板表面活塞輻射聲場(chǎng)的合理性。對(duì)于實(shí)際障板尺度遠(yuǎn)小于或者遠(yuǎn)大于聲波波長的情況，其表面活塞的輻射可以分別看作點(diǎn)聲源或者平面波的輻射。即便規(guī)則障板與實(shí)際障板擬合程度不高，擬合前后表面活塞的輻射聲場(chǎng)差別很小。對(duì)于實(shí)際障板尺度與聲波波長可比擬的情況，其表面活塞的輻射聲場(chǎng)主要取決于以活塞為中心

3、、尺度與聲波波長相當(dāng)?shù)木植空习逍螤?，?guī)則障板與該局部障板的擬合程度決定了聲場(chǎng)預(yù)報(bào)精度。只要保證對(duì)輻射聲場(chǎng)起主要貢獻(xiàn)的單元所對(duì)應(yīng)的聲傳遞向量元素是準(zhǔn)確的，便可以較好地近似總輻射聲場(chǎng)。最終，建立了一個(gè)具有堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)、可應(yīng)用于大型水下結(jié)構(gòu)輻射噪聲快速預(yù)報(bào)的理論算法--單元輻射疊加法。該方法沒有非唯一性、奇異積分以及高維矩陣求逆等問題的困擾，計(jì)算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于邊界元等其它數(shù)值積分方法。一系列算例表明，該方法的計(jì)算結(jié)果從甚低頻直至高頻均與解析數(shù)值

4、解或者邊界元結(jié)果符合得很好。 從理論上分析了平面、圓柱面兩類典型輻射面表面振動(dòng)空間采樣所引起的聲場(chǎng)預(yù)報(bào)誤差向題。將平面、圓柱面振速分布分別變換到二維波數(shù)域或者軸向、周向波數(shù)域，建立變換譜與輻射聲場(chǎng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，再根據(jù)空間采樣后變換譜的混疊程度確定輻射聲場(chǎng)的預(yù)報(bào)誤差。對(duì)于固定觀察方位與分析頻率，平面輻射面聲場(chǎng)預(yù)報(bào)精度是由空間采樣前、后表面振速的二維波數(shù)譜在特定波數(shù)上的比值決定的；圓柱輻射面聲場(chǎng)預(yù)報(bào)精度是由空間采樣前、后表面振速的

5、軸向、周向波數(shù)譜在特定軸向波數(shù)上、特定周向波數(shù)范圍內(nèi)的比值決定的。數(shù)值分析了簡(jiǎn)支矩形板、簡(jiǎn)支圓柱殼表面振動(dòng)空間采樣間隔與輻射聲場(chǎng)預(yù)報(bào)誤差之間的關(guān)系，并將有關(guān)結(jié)論推廣到一般矩形板、圓柱殼表面振動(dòng)空間采樣情況。 與國內(nèi)有關(guān)單位聯(lián)合開展了水下多艙段殼體結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲輻射的試驗(yàn)研究。針對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的振動(dòng)相位信息缺失情況討論了輻射噪聲的工程預(yù)報(bào)問題，因?yàn)檫@種情況具有實(shí)際意義。根據(jù)聲場(chǎng)疊加原理，將輻射聲壓級(jí)表示為表面單元獨(dú)立振動(dòng)時(shí)輻射聲壓級(jí)與修

6、正因子之和的形式，其中修正因子反映了由于表面振動(dòng)的相位關(guān)系引起的輻射聲壓相關(guān)性。再通過理論和試驗(yàn)研究，分析了修正因子與觀察距離、表面振速插值密度等因素之間的關(guān)系。對(duì)于距離足夠遠(yuǎn)的同一觀察方位而言，修正因子與測(cè)量距離無關(guān)；隨著表面插值、細(xì)化單元的增多，修正因子相應(yīng)增大。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于特定工況修正因子預(yù)報(bào)其它工況輻射噪聲的工程預(yù)報(bào)方法。對(duì)于在工作頻段或者源強(qiáng)度上可以區(qū)分的多臺(tái)設(shè)備激勵(lì)情況，根據(jù)設(shè)備全開工況的修正因子可以預(yù)報(bào)其它工

7、況的輻射噪聲；對(duì)于多臺(tái)設(shè)備在工作頻段、強(qiáng)度上無法區(qū)分的情況，根據(jù)特定工況的修正因子在某些頻率范圍內(nèi)可以預(yù)報(bào)其它工況的輻射噪聲。 本文對(duì)表面振動(dòng)與輻射聲場(chǎng)之間傳遞規(guī)律進(jìn)行了較深入的理解和闡述。提出了一種新的輻射聲場(chǎng)預(yù)報(bào)方法，適用于大型水下結(jié)構(gòu)輻射噪聲的快速預(yù)報(bào)，為定量聲學(xué)設(shè)計(jì)或者減振降噪控制提供了新的理論依據(jù)。從空間信號(hào)的離散與重建角度，分析了表面振動(dòng)空間采樣與輻射聲場(chǎng)預(yù)報(bào)精度之間的關(guān)系，對(duì)于表面振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布放方案的設(shè)計(jì)與評(píng)估具有一