運(yùn)用AutoSEA分析潛艇結(jié)構(gòu)的高頻聲輻射特性

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(海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力學(xué)院，武漢 430033)

高頻振動(dòng)及其引起的潛艇結(jié)構(gòu)聲輻射在潛艇結(jié)構(gòu)的整體聲輻射中占有重要地位。一方面，潛艇結(jié)構(gòu)本身龐大復(fù)雜，可以看作由大特征尺寸結(jié)構(gòu)(板、梁等)所組成，即便到高階模態(tài)，固有頻率仍會(huì)很低；另一方面，潛艇結(jié)構(gòu)中的各種激勵(lì)則具有寬頻帶分布特性[1]，見(jiàn)表1。

表1 船舶典型激勵(lì)的頻帶分布 Hz

統(tǒng)計(jì)能量法是分析結(jié)構(gòu)高頻振動(dòng)及其引起的聲輻射的有效方法。AutoSEA2是基于統(tǒng)計(jì)能量法而開(kāi)發(fā)的用于中、高頻結(jié)構(gòu)振動(dòng)、噪聲分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效工具，其在航空航天和汽車工業(yè)上的應(yīng)用，相對(duì)來(lái)說(shuō)已經(jīng)比較成熟[2-5]，而在船舶和潛艇上的應(yīng)用則處于起步階段。

1 建立潛艇結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)能量分析模型

在UG中建立suboff單殼體潛艇的幾何模型，同時(shí)，為了使分析結(jié)果更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，參考實(shí)際潛艇的艙段設(shè)計(jì)，在幾何模型中進(jìn)行粗略的艙段劃分。從頭部到尾部，共劃分了5個(gè)艙段，依次標(biāo)記為艙段1～5，見(jiàn)圖1。

在此基礎(chǔ)上，將建立的suboff潛艇幾何模型導(dǎo)入AutoSEA2，建立統(tǒng)計(jì)能量分析模型。

圖1 潛艇體結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)劃分

在建立的統(tǒng)計(jì)能量分析模型中，所有殼體、艙壁采用鋼材料，厚度為1 cm, 外部介質(zhì)為海水。整個(gè)模型共劃分為29個(gè)子系統(tǒng)。

艙段1采用雙曲率板進(jìn)行模擬；與指揮臺(tái)圍殼相連接的中間開(kāi)孔艙段2沿中線剖開(kāi)，劃分為兩個(gè)單曲率板子系統(tǒng)(2,3);尾部與舵相連接的艙段5采用相似的處理方法，劃分為4個(gè)單曲率板子系統(tǒng)(8,9,10,11)；艙段3和艙段4采用圓柱殼子系統(tǒng)進(jìn)行模擬；指揮臺(tái)圍殼劃分為兩個(gè)對(duì)稱的單曲率板子系統(tǒng)(6,7);4個(gè)舵采用同樣的處理方法，共劃分為8個(gè)單曲率板子系統(tǒng)(13～20)。指揮臺(tái)圍殼和舵上方的封閉結(jié)構(gòu)采用了平板子系統(tǒng)模擬(12,21～25)；艙段之間的艙壁，采用平板子系統(tǒng)(25～28)進(jìn)行模擬。處理后的模型可以方便地利用AutoSEA2中提供的自動(dòng)連接功能，建立子系統(tǒng)之間的連接。

實(shí)際上，考慮到當(dāng)外部激勵(lì)作用在殼體上激勵(lì)艇體振動(dòng)時(shí)，殼體的振動(dòng)很難傳遞到艙壁結(jié)構(gòu)。在對(duì)較復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)能量分析子系統(tǒng)劃分時(shí)，結(jié)合研究需要，可以適當(dāng)?shù)芈匀ミ@種類艙壁結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng)建模。對(duì)省略前和省略后兩種狀況下的結(jié)構(gòu)聲輻射分別進(jìn)行試算，所得結(jié)果驗(yàn)證了此考慮的可信性。

在艙段4(子系統(tǒng)5)內(nèi)作用有徑向單位激勵(lì)力。

2 數(shù)值分析

由于研究的是潛艇的殼體聲輻射，建立的潛艇殼體結(jié)構(gòu)模型主要由板、殼、圓柱結(jié)構(gòu)組成，故能量大部分通過(guò)彎曲波傳輸[6]。在研究中只考慮彎曲波傳輸能量，計(jì)算和分析潛艇殼體結(jié)構(gòu)外聲場(chǎng)輻射特性。

利用AutoSEA提供的振源排序功能，對(duì)各振源引起的聲輻射在總輻射聲功率中的貢獻(xiàn)大小進(jìn)行排序，明確主要振源和減振降噪措施的主要施加對(duì)象；之后針對(duì)性地采取一定的減振隔振措施(增大動(dòng)力艙殼體的厚度和結(jié)構(gòu)損耗因子)，分析其效果。

圖2反映的是對(duì)外聲場(chǎng)輻射有較顯著貢獻(xiàn)的各子系統(tǒng)向聲介質(zhì)中的輸入功率大小。

圖2 各振源貢獻(xiàn)排序

由圖2可以對(duì)各振源的貢獻(xiàn)進(jìn)行排序。輸入外聲場(chǎng)的總功率主要來(lái)自于激勵(lì)力直接作用的子系統(tǒng)5向其輸出的聲功率。因此，為了提高潛艇隱蔽性，滿足潛艇聲學(xué)性能指標(biāo)時(shí)，首先需考慮的是對(duì)動(dòng)力艙段采取減振、隔振措施。

明確了對(duì)外場(chǎng)聲輻射貢獻(xiàn)較大的主要振源，接下來(lái)有針對(duì)性地對(duì)選定的對(duì)象采取隔振、減振措施。本文主要考慮殼體厚度和阻尼因子的變化對(duì)結(jié)構(gòu)聲輻射的影響。

圖3反映的是動(dòng)力艙外殼(子系統(tǒng)5)的結(jié)構(gòu)阻尼損耗因子(DLF)分別縮小和擴(kuò)大10倍后，外聲場(chǎng)中輻射聲壓的大小。

圖3 動(dòng)力艙阻尼因子對(duì)聲輻射影響

由圖3看出，阻尼值越大，則輻射聲壓越小，對(duì)提高潛艇隱蔽性越有利，并且，隨著阻尼值的增加，減振效果更加明顯。在對(duì)潛艇進(jìn)行減振降噪處理時(shí)，應(yīng)盡可能地增大結(jié)構(gòu)阻尼損耗因子以取得較理想的減振效果。

圖4反映的是只對(duì)動(dòng)力艙結(jié)構(gòu)阻尼損耗因子擴(kuò)大10倍和對(duì)整艇結(jié)構(gòu)阻尼損耗因子全部擴(kuò)大10倍后，外聲場(chǎng)中輻射聲壓級(jí)的大小。

圖4 動(dòng)力艙和整艇阻尼因子擴(kuò)大對(duì)聲輻射影響

從圖4可以看出，對(duì)整艇結(jié)構(gòu)施加阻尼處理后的消聲效果要好于只對(duì)動(dòng)力艙進(jìn)行阻尼處理所取得的效果，但并不是十分顯著。尤其是在高頻段，效果更是微乎其微。在工程實(shí)際中，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，在對(duì)實(shí)艇進(jìn)行阻尼消聲處理時(shí)，可以有所取舍，著重對(duì)在總體聲輻射中貢獻(xiàn)較大的結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性的阻尼處理。

圖5反映的是動(dòng)力艙殼體厚度分別為5、10、20 mm時(shí)的潛艇殼體聲輻射。

圖5 動(dòng)力艙殼體厚度對(duì)聲輻射影響

由圖5可以看出，殼體越厚，外聲場(chǎng)的輻射總聲壓越小。在潛艇設(shè)計(jì)建造中，綜合考慮各方面影響因素，盡可能增大殼體厚度，在滿足強(qiáng)度需求的同時(shí)，也可以取得較好的振聲特性。

圖6反映的是只對(duì)動(dòng)力艙段殼體加厚和對(duì)整艇結(jié)構(gòu)全部加厚后，潛艇外聲場(chǎng)輻射聲壓的變化。

圖6 整體和部分艙段增厚對(duì)聲輻射影響對(duì)比

從圖6可以看出，兩者效果差別不是太大。并且只對(duì)動(dòng)力艙加厚時(shí)，輻射聲壓級(jí)較整艇殼體結(jié)構(gòu)厚度相同時(shí)要小，這是因?yàn)樽杩购徒Y(jié)構(gòu)失匹使子系統(tǒng)之間的能量傳遞變得困難。在對(duì)潛艇進(jìn)行聲學(xué)性能優(yōu)化時(shí)，合理應(yīng)用這一特性，既可取得較好的減振降噪效果，又經(jīng)濟(jì)節(jié)約。

3 結(jié)論

1) 動(dòng)力艙殼體振動(dòng)引起的聲輻射是外場(chǎng)聲輻射的主要貢獻(xiàn)者，在進(jìn)行潛艇減振降噪處理時(shí)，動(dòng)力艙應(yīng)是首要考慮對(duì)象。

2) 增加殼體厚度和增大結(jié)構(gòu)損耗因子都可以降低潛艇結(jié)構(gòu)的聲輻射量級(jí)。

3) 在對(duì)實(shí)艇進(jìn)行聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，并不必要對(duì)全部結(jié)構(gòu)整體采取減振降噪措施；應(yīng)首先對(duì)各振源貢獻(xiàn)進(jìn)行排序，確定主要振源，從主要振源入手，針對(duì)性處理，既可以取得比較理想的消聲效果，又經(jīng)濟(jì)可行。

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