艦艇結(jié)構(gòu)的流激振動(dòng)與聲學(xué)特性研究.pdf

1、艦艇結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與水下聲輻射是影響其生命力與戰(zhàn)斗力的重要因素，隱身性能是海軍裝備研制中的一項(xiàng)重要指標(biāo)。數(shù)十年來，各國針對(duì)海軍艦艇的噪聲控制，在噪聲源的控制、噪聲振動(dòng)的傳遞途徑控制以及噪聲振動(dòng)的響應(yīng)特性控制等方面開展了深入的研究，并且在隔振、消聲等方面取得了一系列的進(jìn)展。國內(nèi)的研究部門也針對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和聲學(xué)特性控制開展了大量的研究，以期大幅度地降低艦艇的水下噪聲。 然而，以往對(duì)艦艇結(jié)構(gòu)的振動(dòng)及聲學(xué)預(yù)報(bào)的研究集中在艦艇的主要振動(dòng)噪

2、聲源,重點(diǎn)在動(dòng)力設(shè)備激勵(lì)引起的機(jī)械振動(dòng)噪聲以及螺旋槳噪聲方面。對(duì)于艦艇的非機(jī)械振動(dòng)噪聲以及由于湍流水動(dòng)力引起的輻射噪聲研究較少，尤其是艦艇在水下武器發(fā)射條件下的振動(dòng)特性與聲學(xué)預(yù)報(bào)方面，迄今未見與此相關(guān)的報(bào)道。因此，在這領(lǐng)域的研究工作急需深入進(jìn)行。 本文借助于有限元技術(shù)，首先建立武器發(fā)射過程中的發(fā)射管內(nèi)外的流體動(dòng)網(wǎng)格模型，對(duì)其流場(chǎng)特性以及水動(dòng)力噪聲特性進(jìn)行分析；通過調(diào)整發(fā)射壓力、發(fā)射深度等參數(shù)，探討降低水動(dòng)力噪聲的途徑；通過建立一

3、個(gè)帶發(fā)射管的潛艇及其外部流場(chǎng)模型，考慮流固耦合作用，計(jì)算得到潛艇水下發(fā)射武器時(shí)的瞬態(tài)過程中潛艇艇體的振動(dòng)特性以及相關(guān)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)傳遞特性；運(yùn)用邊界元技術(shù)，分析潛艇在發(fā)射條件下的艙室噪聲和遠(yuǎn)場(chǎng)的水下噪聲情況，預(yù)報(bào)潛艇的聲學(xué)特性。課題中重點(diǎn)是計(jì)算水下發(fā)射魚雷時(shí)，發(fā)射管內(nèi)的壓力急劇變化造成的湍流流場(chǎng)引起的噪聲以及探討降低發(fā)射噪聲的途徑。 通過計(jì)算與分析，得到以下結(jié)論： (1) 高壓水推動(dòng)魚雷出管時(shí)，外部海水的運(yùn)動(dòng)類似于空氣中的擾動(dòng)

4、波，由于擾動(dòng)后方魚雷壁面、發(fā)射管壁面以及艦艇殼體的影響，擾動(dòng)向后方的傳播受到一定的阻礙，因此前方形成了馬赫錐狀的速度分界面，且高速度區(qū)域逐漸前移；由壓力云圖可以發(fā)現(xiàn)魚雷前方高壓區(qū)慢慢前移，但是前移位置一直滯后于速度矢量，所有位置的壓力水頭與速度水頭變化都是相反的。 (2) 魚雷的水下發(fā)射噪聲是潛艇的特殊噪聲源。發(fā)射噪聲既可能將發(fā)射艇的位置暴露給敵方，又可能使目標(biāo)易于規(guī)避魚雷的攻擊。隨著水聲對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展，對(duì)魚雷發(fā)射噪聲的研究應(yīng)該引

5、起重視。魚雷的水下發(fā)射噪聲受到環(huán)境以及發(fā)射參數(shù)的影響。噪聲既隨著發(fā)射深度的增加而逐漸增強(qiáng)，又隨著魚雷出管速度的變化而變化。本文的仿真結(jié)果可為潛艇的魚雷發(fā)射裝置設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。魚雷發(fā)射噪聲產(chǎn)生的主要原因在于魚雷出管形成的內(nèi)外流場(chǎng)變化引起的水動(dòng)力噪聲，其影響因素還在于不同的水深環(huán)境所導(dǎo)致的海水密度與壓力的改變。 (3) 增加發(fā)射管厚度以及材料阻尼、增加潛艇外殼厚度和材料阻尼以及增加發(fā)射管支撐的材料阻尼等措施，都對(duì)降低振動(dòng)和輻射噪聲有

6、一定的效果，但是作用并不很明顯。因此，初始設(shè)計(jì)階段，在保證輕型艦艇的前提下，略增加潛艇外殼厚度是效果最好的。艦艇流固耦合模型與干模態(tài)模型相比，由于附加的流體質(zhì)量和阻尼與結(jié)構(gòu)的耦合作用，模態(tài)頻率較干模態(tài)情況下向低頻移動(dòng)。振動(dòng)的傳遞情況與艦艇結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率和振型有很大關(guān)系，流體的附加質(zhì)量和阻尼對(duì)艦艇結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)都有較大的影響。在進(jìn)行艦艇發(fā)射過程機(jī)械振動(dòng)噪聲預(yù)報(bào)時(shí)，應(yīng)該充分考慮流體與艦艇結(jié)構(gòu)的耦合作用。 (4) 內(nèi)部聲場(chǎng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨著

7、激勵(lì)頻率的增大，聲強(qiáng)主要集中在指揮艙中間區(qū)域。這說明指揮艙內(nèi)部的中心線位置聲壓級(jí)最大，且艙室內(nèi)的聲壓級(jí)在大范圍內(nèi)變化，低頻段最高達(dá)到90dB。外部聲場(chǎng)計(jì)算表明，艦艇結(jié)構(gòu)的輻射噪聲有著很強(qiáng)的指向性，由于艦艇發(fā)射管位置的對(duì)稱性，瞬態(tài)激勵(lì)也具有對(duì)稱性，因此大多數(shù)頻率下聲壓的分布基本對(duì)稱，只有200 Hz-300 Hz頻帶有一定的偏向，其原因在于聲波的相位造成聲場(chǎng)的不均勻。艦艇結(jié)構(gòu)的水下聲輻射聲壓隨傳播距離的增加而減小，且減小的程度與激勵(lì)頻率和

8、場(chǎng)點(diǎn)遠(yuǎn)近有關(guān)。 通過上述的工作，本文為帶有發(fā)射裝置的潛艇水下發(fā)射過程的湍流流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)和流動(dòng)噪聲以及由此引起的振動(dòng)與聲輻射特性計(jì)算工作提供了一種切實(shí)可行的研究方法；得到了湍流運(yùn)動(dòng)過程中流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)情況以及流場(chǎng)噪聲情況，得到了環(huán)境以及發(fā)射參數(shù)對(duì)水下發(fā)射噪聲的影響規(guī)律；并進(jìn)一步計(jì)算得到艦艇外殼的振動(dòng)情況以及由此引起的噪聲輻射，分析了輻射聲壓和艇體結(jié)構(gòu)本身振動(dòng)的聯(lián)系、其頻率成分的來源以及全艇在水下的聲指向性問題。由此，為研究復(fù)雜大型結(jié)構(gòu)的聲