敷設空腔尖劈的聲吶平臺聲學特性研究*

姚熊亮 計 方

(哈爾濱工程大學船舶工程學院 哈爾濱 150001)

敷設空腔尖劈的聲吶平臺聲學特性研究*

姚熊亮 計 方

(哈爾濱工程大學船舶工程學院 哈爾濱 150001)

聲吶平臺;空腔尖劈;敷設方案;自噪聲

基于變截面波導理論建立吸聲系數(shù)方程,討論了不同靜壓下尖劈吸聲性能,開展了空腔尖劈聲管測試,并將計算值與實驗值進行對比分析。在此基礎(chǔ)上,通過數(shù)值試驗預報了聲吶平臺區(qū)的自噪聲分布,對比分析了空腔尖劈敷設方案對其聲學特性的影響。結(jié)果表明:隨著靜水壓力的增大,尖劈吸聲系數(shù)第一諧振峰向高頻移動;高靜壓下,尖劈吸聲系數(shù)下降較快。敷設空腔尖劈的聲吶平臺區(qū)的自噪聲總聲壓級顯著降低,尖劈部分優(yōu)化敷設既要考慮全頻段平臺區(qū)的自噪聲總聲級,又要兼顧聲吶基陣位置處的聲壓分布。

0 引 言

聲吶性能的發(fā)揮不僅受基陣及導流罩功能的影響,還與聲吶平臺區(qū)自噪聲的大小密切相關(guān),平臺區(qū)自噪聲1 kHz降低3 dB,則本艇聲吶的探測距離可增加30%[1]?？涨患馀哂凶杩怪饾u過渡的性質(zhì),在較寬的頻帶內(nèi)具有優(yōu)良的吸聲性能。將其敷設于聲吶平臺區(qū)的后壁板以及將聲吶平臺區(qū)和上層建筑艏部分開的水平平臺,可以有效降低聲吶平臺區(qū)自噪聲,具有較強的工程應用價值。

文獻[2]應用統(tǒng)計能量法預報了潛艇艏部平臺的自噪聲并進行了模型試驗;文獻[3]闡述了船舶聲吶部位自噪聲的產(chǎn)生機理及其控制技術(shù),但并未涉及尖劈結(jié)構(gòu)在聲吶區(qū)的應用;文獻[4]把尖劈材料和傳聲媒質(zhì)的聲學參數(shù)按面積做計權(quán)平均得到等效參數(shù),按照平板型吸聲結(jié)構(gòu)的相應理論計算其吸聲性能;文獻[5]類比變截面管中的聲傳播特性,應用變截面波動方程建立了尖劈吸聲系數(shù)計算方程,但并未研究靜水壓力對空腔尖劈吸聲性能的影響。本文在上述文獻的基礎(chǔ)上,依據(jù)變截面波導理論建立吸聲系數(shù)方程,討論了不同靜水壓力下尖劈吸聲性能,并將計算值與實驗測試結(jié)果進行了對比。以空腔尖劈材料力學參數(shù)及吸聲性能測試數(shù)據(jù)作為輸入,通過數(shù)值試驗研究了敷設空腔尖劈的聲吶平臺區(qū)的聲學特性,對比分析了空腔尖劈敷設方式對平臺區(qū)聲學特性的影響,所得結(jié)論對艦艇艏部聲吶平臺區(qū)的聲學設計以及尖劈材料配方優(yōu)化具有一定的參考意義。

1 聲吶平臺區(qū)聲自噪聲特性分析

艦艇艏部聲吶平臺區(qū)主要由上、下平臺,后壁,基陣支撐筒和導流罩組成,如圖1所示。

圖1 敷設尖劈的聲吶平臺區(qū)示意圖

艦艇聲吶平臺區(qū)總的聲干擾取決于其所有水聲分量的能量和為[6]:

式中各干擾量分別為:水動力紊流干擾分量Pгд,水噪聲干擾分量PШ,振動干擾分量PВ,設備空氣噪聲的干擾分量PВШ,結(jié)構(gòu)干擾分量PC。由總干擾公式可見,個別分量級減少一定值,并不引起總干擾減少相應的值。

聲吶平臺區(qū)受簡諧激勵產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)動響應的同時,誘發(fā)結(jié)構(gòu)噪聲并向周圍介質(zhì)輻射,其輻射聲功率為:

式中:ρ為介質(zhì)密度;c為介質(zhì)聲速;s為輻射面的面積;σrad為輻射系數(shù)為輻射面振動的均方速度。式(2)經(jīng)過運算后可得到輻射聲壓的表達式:

式中:均方速度基準值為V0=1.0×10-9m/s;和σradi分別為各輻射面的振動均方速度和輻射系數(shù)。

為了降低聲吶腔內(nèi)自噪聲量級,聲腔內(nèi)部分鋼結(jié)構(gòu)表面敷設空腔吸聲尖劈進行降噪處理,此時聲腔內(nèi)的自噪聲是計及聲學材料的減振和吸聲性能。則式(3)變?yōu)閇7]:

A為聲腔內(nèi)總吸聲量

式中,Si和αi各為輻射面面積和敷設相應材料的吸聲系數(shù)。求得各部分輻射噪聲的聲壓級后,再進行合成,就可得到聲腔內(nèi)的總聲壓級為:

結(jié)構(gòu)輻射系數(shù)σradi表示結(jié)構(gòu)聲輻射的能力,它與結(jié)構(gòu)形式、尺寸大小和振動頻率有關(guān)。σradi根據(jù)結(jié)構(gòu)特點采用經(jīng)驗公式求取。其具體計算方法如下:

式中,σradi是第i部分結(jié)構(gòu)的輻射阻。

由于聲腔各部分結(jié)構(gòu)的形式特征不同,計算輻射系數(shù)的方法也各不相同。根據(jù)實際聲吶腔結(jié)構(gòu),上平臺、下平臺、后壁和導流罩按四邊簡支板架計算輻射阻,再按式(8)計算輻射系數(shù),圓筒按圓柱殼計算聲輻射系數(shù)。

2 空腔尖劈吸聲性能計算及測試

2.1 尖劈吸聲性能計算

本文應用變截面波導理論、對尖劈結(jié)構(gòu)進行分層處理。設空腔尖劈為彈性媒質(zhì),不考慮空腔內(nèi)充空氣的切變應力,平面聲波以垂直于尖劈橫截面的方向入射到尖劈頂端和側(cè)面,將尖劈等分成n個環(huán)形臺面,S0,S1,S2,…,Sn分別為尖劈的底、環(huán)面和頂端的面積。

圖2 尖劈分層處理示意圖

入射到尖劈頂端和側(cè)面的聲波總能量可表示為:

其中Ii為聲強。設IrjSj為尖劈第j個環(huán)形面上的聲波反射能量,則總的反射能量和吸收能量分別為:

定義第Sj面的聲強反射系數(shù)為:rj=Irj/Ii,則尖劈的吸聲系數(shù)為:

尖劈吸聲結(jié)構(gòu)的內(nèi)截面(空腔)和圍壁(吸聲材料)的截面積沿對稱軸x軸變化,則尖劈吸聲結(jié)構(gòu)的特性阻抗率ρc/S(x)是x的函數(shù)。假定其中傳播的聲波波陣面按截面的規(guī)律變化,則對應的聲場應滿足變截面形式的波動方程[5],這樣帶空腔尖劈吸聲結(jié)構(gòu)頂端和各環(huán)形面的聲強反射系數(shù)rj可用變截面波導的聲場理論計算:

第j個截面總的輸入阻抗ZAi可以由變截面波導理論得出:

式(14)具體推導過程及式中參數(shù)含義見文獻[10]。由反射系數(shù)與輸入阻抗關(guān)系式求得聲強反射系數(shù)rj,最后得到尖劈吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)α表達式如下:

式中ZAm是尖劈頂端輸入聲阻抗

其中ρwcw為入射聲波所在介質(zhì)的特性阻抗。

在靜水壓力作用下,空腔會產(chǎn)生徑向和軸向變形,會使截面積發(fā)生變化,而軸向變形也會使尖劈的長度產(chǎn)生相應的變化,進而影響尖劈的吸聲性能。尖劈材料密度變化不大,所以密度變化這里暫且忽略。在滿足材料強度等因素要求的情況下,尖劈的吸聲系數(shù)仍可以用前述分層介質(zhì)變截面波導計算。本文采用有限元法計算尖劈在靜水壓力作用下的變形,假設應力—應變關(guān)系為線性[11],首先獲得尖劈內(nèi)部腔體和外部結(jié)構(gòu)的幾何變形數(shù)據(jù),然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)重新建立吸聲系數(shù)的計算方程,計算其吸聲性能。

2.2 空腔尖劈吸聲性能測試

利用水聲無源材料聲脈沖管數(shù)字測試系統(tǒng),對含有空腔的尖劈樣品的法向聲吸收特性進行測量。該系統(tǒng)主要用于水聲材料樣品在聲軟末端或聲硬末端情況下復反射系數(shù)的測量,根據(jù)復反射系數(shù)的測量結(jié)果計算試樣的吸聲系數(shù)、輸入阻抗、縱波聲速和衰減、彈性模量等。聲脈沖管法的數(shù)字測試系統(tǒng)組成示意圖如圖3所示。收發(fā)換能器位于聲管的一端,向聲管中發(fā)射脈沖調(diào)制的正弦波,經(jīng)聲管中的試樣反射,再由同一換能器接收反射聲波,系統(tǒng)的信噪比應該不小于20 dB。通過與柔性標準反射體反射波聲壓幅值和相位的相對比較,測量試樣復反射系數(shù)的幅值和相位,進而通過計算得到試樣的吸聲系數(shù)等其他聲學參數(shù)。

圖5給出了不同靜壓下空腔尖劈吸聲系數(shù)的計算值?？梢钥闯?隨著靜水壓力的增高,吸聲系數(shù)曲線形狀基本不變,但第一諧振峰向高頻移動,這主要是由于在靜水壓力作用下空腔的有效容積變小、內(nèi)徑變細引起的;而高頻段,吸聲系數(shù)略有下降。圖6為不同靜壓下尖劈樣品吸聲系數(shù)的實測值。可以看出,高靜壓下,整條曲線的吸聲系數(shù)下降更快。

圖3 聲脈沖管法測試系統(tǒng)示意圖

圖4 尖劈樣品實物

圖5 不同靜壓下尖劈吸聲系數(shù)計算曲線

圖6 不同靜壓下尖劈吸聲系數(shù)實測曲線

對比圖5和圖6,吸聲系數(shù)計算值和實測曲線吻合較好,另外還可以看出,4.5 MPa下尖劈材料的物理參數(shù)發(fā)生了較大突變,使得尖劈的吸聲性能明顯下降。因此,在設計吸聲尖劈時,除要保證常壓下尖劈具有良好的吸聲性能外,還要保證尖劈材料的物理參數(shù)在高壓下不發(fā)生突變。

3 空腔尖劈在聲吶平臺區(qū)中應用研究

由于聲吶平臺區(qū)為一復雜的混響場,其自噪聲具有多聲源特征,聲吶平臺區(qū)自噪聲的預報除定量估算自噪聲的量級大小外,還可以通過分析掌握不同噪聲源對平臺區(qū)自噪聲的貢獻量,為空腔尖劈的優(yōu)化敷設方案提供依據(jù),量化自噪聲控制措施及其的技術(shù)指標[8]。

本文應用殼、梁和3D等單元構(gòu)造一個接近于實艇的聲吶平臺一體化有限元模型,該模型不僅在形狀上和實際結(jié)構(gòu)相似,而且所有的幾何參數(shù)和物理參數(shù)都是正確的。同時以腔尖劈材料力學參數(shù)及吸聲性能測試數(shù)據(jù)作為數(shù)值試驗的輸入,采用集成分析軟件VA ONE,以聲吶平臺結(jié)構(gòu)模態(tài)密度為判據(jù),低頻采用FEM+BEM方法,中高頻采用SEA方法,數(shù)值計算了10 Hz～3 kHz的振動激勵下,敷設空腔尖劈的聲吶平臺區(qū)的結(jié)構(gòu)振動及自噪聲響應,從而驗證空腔尖劈的吸聲作用。

敷設空腔尖劈的聲吶平臺區(qū)自噪聲預報的關(guān)鍵技術(shù)有:

(1)聲吶平臺區(qū)結(jié)構(gòu)“一體化”技術(shù)。為平臺區(qū)結(jié)構(gòu)提供符合實際的有效支持,排除平臺區(qū)因假設邊界支承條件帶來的誤差;

(2)流固耦合處理。基于勢流理論,采用BEM方法[9],開發(fā)了附連水質(zhì)量三維計算程序,計算聲吶平臺區(qū)結(jié)構(gòu)各階濕模態(tài)的附加質(zhì)量;

(3)空腔尖劈的處理。計算振動響應主要考慮材料的物理性能和幾何參數(shù),在求解輻射聲壓時考慮其吸聲性能,數(shù)值分析空腔尖劈對聲吶平臺區(qū)聲學特性的影響。

圖7 聲吶平臺結(jié)構(gòu)模型

圖8 空腔尖劈幾何模型

為了對比分析空腔尖劈的減振降噪作用,以及不同敷設方式對平臺區(qū)振動和聲輻射特性的影響,從吸聲尖劈的敷設方式方面設計了三種計算工況。具體工況描述如表1所示:

表1 空腔尖劈敷設工況

圖9給出了聲吶平臺區(qū)自噪聲總聲壓級不同敷設工況下的對比曲線?？梢钥闯?空腔尖劈明顯削弱了聲吶平臺區(qū)自噪聲總聲壓級的峰值,曲線變化趨勢和緩且全敷設與60%敷設工況曲線的變化趨勢基本一致,其自噪聲總聲壓級平均降低14 dB。60%敷設工況亦有較好降噪效果,聲吶平臺區(qū)自噪聲總聲壓級平均降低11 dB,但是與全敷設工況相比中低頻降噪效果要差一些。

圖10給出了平臺區(qū)后壁的輻射聲壓級不同敷設工況下的對比曲線?？梢钥闯?后壁對聲吶平臺區(qū)自噪聲總聲級的貢獻量最大,后壁的輻射聲壓級的幅值和變化趨勢基本決定了平臺區(qū)的自噪聲特性。

圖9 自噪聲總聲壓級對比曲線

圖10 聲吶平臺區(qū)后壁自噪聲對比曲線

從圖11～圖12可以看出(限于篇幅只給出部分結(jié)果曲線),空腔尖劈60%敷設工況下,上平臺、聲吶基陣安裝位置的減振降噪效果甚至優(yōu)于全敷設工況。因此,空腔尖劈的部分敷設方案既要考慮全頻段聲吶平臺區(qū)的自噪聲總聲級,又要兼顧聲吶基陣位置處的聲壓分布,從而最大程度地降低聲吶平臺區(qū)的自噪聲,提高本艇聲吶的探測距離和精度。

圖11 聲吶平臺區(qū)上平臺自噪聲對比曲線

圖12 聲吶基陣處自噪聲對比曲線

4 結(jié) 語

本文討論了不同靜壓下尖劈吸聲性能,開展了空腔尖劈聲管測試,在此基礎(chǔ)上,通過數(shù)值試驗預報了聲吶平臺區(qū)的自噪聲分布,對比分析了空腔尖劈敷設方案對其聲學特性的影響,主要得到以下結(jié)論:

1)隨著靜水壓力的增大,尖劈空腔形狀和容積發(fā)生變化,吸聲系數(shù)曲線形狀基本不變。但第一諧振峰向高頻移動,高靜壓下尖劈吸聲系數(shù)下降較快;

2)空腔尖劈全敷設工況聲吶平臺區(qū)的減振降噪效果最好,平臺區(qū)后壁對自噪聲總聲級的貢獻量最大;

3)空腔尖劈的部分敷設方案既要考慮全頻段聲吶平臺區(qū)的自噪聲總聲級,又要兼顧聲吶基陣位置處的聲壓分布。

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Acoustic Characteristics of Sonar Platform Laying of Cavity Wedge

Yao Xiongliang Ji Fang

sonar platform;cavity wedge;laying scheme;self-noise

This paper constitutes the sound absorption coefficient equations based on the non-uniform wave guide theory,discusses the wedge sound absorption ability with different hydrostatic pressures,and the results are compared with the sound pipe test of cavity wedge.Furthermore,the self-noise distribution of sonar p lat form is predicted through numerical experimentation and the influence of cavity wedge laying schemes to sonar platform acoustic characteristics is analyzed.The results show that the first resonance peak moves to the higher frequency with the increment of hydrostatic pressure,and the absorption coefficient of the cavity wedge decreases more sharply with the high hydrostatic pressure.The laying of cavity wedge obviously reduces the total self-noise level of the sonar platform,and the part laying method of wedge must consider the total self-noise level of platform in the full range of frequency bands,and also the sound pressure distribution of sonar array.

U661.44

A

1001-9855(2010)03-0029-06

2009-12-12

國防重點預研項目(40*********01);國際科技合作基金資助項目(2007DFR 80340)

姚熊亮(1963-),男,教授,博士生導師,主要從事船舶及海洋工程動力學研究。

計 方(1984-),男,博士研究生,主要從事船舶振動噪聲控制。