船舶艏部聲吶罩水動力噪聲評估

邵云生，陳亞，朱正道，吳文偉（海軍無錫地區(qū)代表室，江蘇無錫406；船舶振動噪聲重點實驗室，江蘇無錫408）

船舶艏部聲吶罩水動力噪聲評估

邵云生1，陳亞1，朱正道2，吳文偉2
（1海軍無錫地區(qū)代表室，江蘇無錫214061；2船舶振動噪聲重點實驗室，江蘇無錫214082）

文章針對非規(guī)則形狀的艏部聲吶罩，基于統(tǒng)計能量理論，建立了艏部聲吶罩自噪聲的理論模型，并分析了非透聲窗吸聲系數(shù)和過渡區(qū)聲源對聲吶罩噪聲的影響。經(jīng)對過渡區(qū)聲源高頻噪聲影響的計算修正，大大提高了計算精度。試驗驗證表明，過渡區(qū)附近腔體自噪聲計算結(jié)果與測試值相差小于5 dB，較好地反映了腔內(nèi)自噪聲分布規(guī)律。

聲吶罩；水動力噪聲；自噪聲；統(tǒng)計能量法

1 引言

艦艇聲吶部位自噪聲主要包括機械噪聲分量和水動力噪聲分量。艦艇艏部聲吶遠離機械振動源，通過圍壁隔聲安裝、聲吶罩內(nèi)設(shè)置隔聲和吸聲障板等措施可以比較輕易地控制機械噪聲對聲吶自噪聲的影響。聲吶罩緊鄰基陣，聲吶罩壁結(jié)構(gòu)受湍流脈動壓力激勵振動產(chǎn)生的輻射噪聲基本沒有傳播損失而影響到聲吶基陣，聲吶部位的自噪聲應(yīng)該考慮以聲吶罩罩壁結(jié)構(gòu)受湍流脈動壓力激勵產(chǎn)生的水動力噪聲為主要對象。艦艇艏部聲吶罩表面的轉(zhuǎn)捩區(qū)靠近艏部聲吶基陣，轉(zhuǎn)捩區(qū)脈動壓力產(chǎn)生的噪聲直接影響聲吶自噪聲，艦艇艏部聲吶自噪聲應(yīng)考慮轉(zhuǎn)捩區(qū)的影響。文獻[1]綜述了聲吶自噪聲預(yù)報的模型和方法。Maury[2]將機艙劃分為矩形單元，計算湍流脈動壓力激勵機艙壁產(chǎn)生的艙室噪聲。在頻率較高的頻段，結(jié)構(gòu)和聲場激發(fā)的振動和聲模態(tài)密集，它們隨機迭加使結(jié)構(gòu)振動或聲場空間分布趨于均勻，不再存在明顯的空間峰點和谷點現(xiàn)象，可以采用“統(tǒng)計能量法”（SEA）來模擬。文獻[3]針對布置在水下航行體舷側(cè)的聲吶基陣，建立聲吶罩受湍流脈動壓力激勵產(chǎn)生的自噪聲的統(tǒng)計能量計算方法。文獻[4]借鑒集成模態(tài)法，將不規(guī)則聲吶罩腔體劃分為若干近似矩形腔的子系統(tǒng)，假設(shè)每個矩形腔之間有虛擬彈性膜，對應(yīng)每個子腔體，聲吶罩殼壁劃分為近似矩形板，建立集成統(tǒng)計能量法（Integ-SEA）模型，計算艏部聲吶自噪聲的水動力噪聲分量。文獻[5]采用Cright聲輻射公式以及相關(guān)分析方法和功率譜密度概念，計算邊界層轉(zhuǎn)捩區(qū)聲源在艏部聲吶基陣部位產(chǎn)生的噪聲。

本文針對非規(guī)則形狀的艏部聲吶罩，采用文獻[4]的方法，用經(jīng)典的統(tǒng)計能量法建立包括腔體、殼板和虛擬彈性膜子系統(tǒng)的能量平衡方程，再利用虛擬彈性膜質(zhì)量和剛度為零的條件進行簡化，以聲吶罩壁面的湍流脈動壓力激勵輸入條件，預(yù)報艦船艏部聲吶部位自噪聲的水動力噪聲分量，根據(jù)Lauchle過渡區(qū)湍流單極子猝發(fā)理論，計算過渡區(qū)直接聲輻射，并對艏部聲吶自噪聲作修正。

2 統(tǒng)計能量基本方程

根據(jù)能量守恒原理，子系統(tǒng)消耗的能量加上傳遞給其它子系統(tǒng)的能量，等于輸入給該子系統(tǒng)的能量[6]。對于具有N個子系統(tǒng)的系統(tǒng)，其能量平衡方程組為：

式中：Ei，Pi，ni，和ηi分別為第i個子系統(tǒng)的平均能量、平均輸入功率、模態(tài)密度以及能量損耗因子，ηij為第i個子系統(tǒng)和第j個子系統(tǒng)之間的能量傳遞損耗因子，ω為角頻率。

求解（1）式可得各子系統(tǒng)的能量，由求得的能量，腔體內(nèi)的聲壓譜級按（2）式計算：

其中：ρi、c分別為聲腔中流體介質(zhì)的密度和聲速，Vi為聲腔的體積。

3 統(tǒng)計參數(shù)

3.1 模態(tài)密度

對聲吶罩來說，典型的子系統(tǒng)有板殼和聲腔，下面分別給出典型子系統(tǒng)的模態(tài)密度。a.矩形彈性平板彎曲振動的模態(tài)密度

式中：s、ms和D為平板面積、面密度和彎曲剛度。

由于流體負載的作用，水中平板的群速度不同于真空中平板的群速度，模態(tài)密度會發(fā)生變化，流體負載使平板模態(tài)頻率降低，考慮流體負載的平板模態(tài)密度由下式確定：

i合頻率以下，反映平板流體附加質(zhì)量的近場慣性負載受平板邊界條件的影響不大，可采用無限大平板的流體附加質(zhì)量模擬透聲窗外聲場的流體負載。

式中：ρ0、C0為聲介質(zhì)密度和聲速，Cl為平板縱波聲速，fc為吻合頻率，f為頻率，對于透聲窗α=2，非透聲窗α=1。

b.三維聲腔的模態(tài)密度

式中：V為聲腔體積，s為聲腔內(nèi)表面積，l為聲腔的總邊長，c0為聲速。

3.2 損耗因子

a.透聲窗結(jié)構(gòu)能量損耗因子

聲吶罩透聲窗結(jié)構(gòu)的損耗主要由結(jié)構(gòu)材料阻尼和聲輻射阻尼兩部分組成：

式中：ηs為結(jié)構(gòu)材料的損耗系數(shù)，約為2.5×10-4~5.0×10-2，ηrod為聲輻射損耗系數(shù)，可以由輻射效率計算得到：

式中：σ為輻射效率，其具體表達式由下文給出。

b.聲腔能量損耗因子

聲吶罩腔體的能量損耗，包括聲腔內(nèi)流體介質(zhì)的聲吸收以及罩內(nèi)非透聲界面吸聲材料的聲吸收，聲腔能量損耗因子采用下式計算：

式中：α0為聲介質(zhì)聲吸收系數(shù)，考慮透聲窗聲傳輸和非透聲界面聲吸收的等效吸聲系數(shù)。在聲吶工作頻率范圍，聲介質(zhì)的聲吸收很小，可以忽略不計。

c.平板與聲腔傳遞損耗因子

在吻合頻率以下，平板向空腔的聲輻射效率為向半無限空間的聲輻射效率的2倍，平板與聲腔的傳遞損耗系數(shù)為：

式中：平板輻射效率σ可以采用Maidanik公式計算。

fc為吻合頻率，λc為相應(yīng)的吻合波長，P為平板周長，lx、ly為平板邊長。

d.聲腔與聲腔傳遞損耗因子

式中：s0為聲腔之間的連接面積，vi為聲腔i的體積，τij為聲能傳輸系數(shù)。

e.平板與平板連接傳遞損耗因子

式中：CBi為i子系統(tǒng)中的彎曲波速，si為i子系統(tǒng)的面積，L為平板連接的長度，τij為能量傳輸系數(shù)，不同的波型和連接形式，其計算方法不同。

角型結(jié)構(gòu)：材料相同，厚度不同的角型結(jié)構(gòu)，彎曲波能量傳遞系數(shù)為

式中：ε=h2/h1為厚度比（下同）。

圖1 L型結(jié)構(gòu)Fig.1“L”type structure

圖2 十型結(jié)構(gòu)Fig.2“十”type structure

圖3 T型結(jié)構(gòu)Fig.3“T”type structure

十型結(jié)構(gòu)：材料相同，h1=h3，h2=h4，彎曲波能量傳遞系數(shù)為：

T型結(jié)構(gòu)：材料相同，h1=h3，彎曲波能量傳遞系數(shù)為：

Hydrodynam ic acoustic assessment on the sonar dome of ships

SHAO Yun-sheng1,CHEN Ya1,ZHU Zheng-dao2,WUWen-wei2
(1 Navy Commissary in Wuxi,Wuxi214061,China;2 China Ship Scientific Research Center,Wuxi214082,China)

In order to control the hydrodynamic noise in sonar dome,a statistical energymodel is used to analyze self-noise of a bow sonar dome with irregular shaped cover.The influence of sound absorption coefficient of non transmission acoustic window and noise source of transition zone on sonar self noise field is analyzed.After the correction of the impact on high frequency noise of the transition zone source,the calculation precision is greatly improved.Test results show that calculation results of self noise in the cavity near the transition zone agree wellwith the experimental results,and well reflect the sound field distribution of sonar cavity.

sonar dome;hydrodynamic noise;self noise;SEA

U661.4

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2014.11.014

1007-7294（2014）11-1386-11

2014-08-20

邵云生（1976-），男，海軍無錫地區(qū)代表室高級工程師；

陳亞（1985-），男，高級工程師；

朱正道（1980-），男，中國船舶科學研究中心高級工程師，E-mail：zd_zhu@163.com。