水線以上機(jī)電設(shè)備對船舶水下輻射噪聲影響研究

王家文，陳新傳，劉云生，霍柏琦，葉林昌

(1. 海軍裝備研究院，北京 100161；2. 中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一一研究所，上海 200090)

水線以上機(jī)電設(shè)備對船舶水下輻射噪聲影響研究

王家文1，陳新傳1，劉云生1，霍柏琦1，葉林昌2

(1. 海軍裝備研究院，北京 100161；2. 中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一一研究所，上海 200090)

建立小水線面雙體船聲學(xué)有限元模型，以柴油發(fā)電機(jī)組振動(dòng)噪聲為激勵(lì)，計(jì)算該船型水線以上振動(dòng)噪聲源產(chǎn)生的水下輻射噪聲。探討船舶水線以上振動(dòng)噪聲對其水下輻射噪聲的影響規(guī)律，為整船水下輻射噪聲評(píng)估提供參考。

水下輻射噪聲；有限元；小水線雙體船

0 引 言

某型科考船采用小水線面雙體船型，全電力推進(jìn)，由于其任務(wù)使命的特點(diǎn)，要求最大限度地減小船體結(jié)構(gòu)噪聲輻射，控制科考船自噪聲對測量區(qū)域被探測目標(biāo)的影響。目前，對于單體船的振動(dòng)和聲學(xué)預(yù)報(bào)已經(jīng)相對比較成熟，船體結(jié)構(gòu)受外載荷激勵(lì)而振動(dòng)，在流體介質(zhì)中輻射形成聲場，聲場反過來對結(jié)構(gòu)施加反作用力，從而形成一個(gè)聲振耦合系統(tǒng)[1]；而對于小水線面雙體船，其大部分機(jī)電設(shè)備都布置在水上平臺(tái)，機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲除了通過振源-船體-水下噪聲這一條傳統(tǒng)路徑進(jìn)行傳播外，由于其船型的特殊性，機(jī)械振動(dòng)噪聲還通過振源-船體-空氣-水下噪聲路徑進(jìn)行傳播，國內(nèi)船舶水下輻射噪聲預(yù)報(bào)，大多都是基于常規(guī)船型水下輻射噪聲預(yù)報(bào)的思想，對振源-船體-水下噪聲這一傳統(tǒng)路徑進(jìn)行研究，張維等[2]采用結(jié)構(gòu)有限元法及聲學(xué)邊界元法，對小水線面雙體船不同工況下聲學(xué)特性進(jìn)行數(shù)值分析；嚴(yán)斌，李廣等[3–4]對小水線面雙體船振動(dòng)傳遞特性進(jìn)行模型仿真及實(shí)船試驗(yàn)研究，且對其水下輻射噪聲進(jìn)行預(yù)報(bào)。

然而，目前對于小水線面雙體船機(jī)械振動(dòng)噪聲通過振源-船體-空氣-水下噪聲這一傳播路徑的相關(guān)研究報(bào)道較少。雖然空氣-海水 2 種介質(zhì)阻抗相差較大，水面以上產(chǎn)生的輻射噪聲大部分被海面反射，能夠透射進(jìn)入海水中的能量很少，但是當(dāng)空氣中的平面波入射到水中，雖然其聲強(qiáng)衰減，但是其聲壓并沒有衰減，反而增大到原來的 2 倍[5]。本文利用現(xiàn)代船舶水下輻射噪聲預(yù)報(bào)技術(shù)，對小水線面雙體船水線以上機(jī)電設(shè)備輻射噪聲形成的水下聲場進(jìn)行初步研究，仿真得到的預(yù)報(bào)結(jié)果可為該類船舶水下輻射噪聲的預(yù)報(bào)評(píng)估及減振降噪提供一定的參考。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 聲輻射模型

將船體看作是一個(gè)多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，在其內(nèi)部基座點(diǎn) a 激勵(lì)下的外板點(diǎn) b 振動(dòng)響應(yīng)為[6]：

式中：F 為設(shè)備在其基座處產(chǎn)生的激勵(lì)載荷；λi為復(fù)模態(tài)頻率；Ψi為復(fù)振型；αi為復(fù)模態(tài)質(zhì)量與復(fù)模態(tài)剛度 Ki以及復(fù)模態(tài)阻尼 Ci有關(guān)；Hba（ω）為傳遞導(dǎo)納。

船體表面振動(dòng)能量傳遞到其他周圍介質(zhì)的能力是影響船體輻射噪聲的關(guān)鍵因素。估算船體表面輻射聲功率為[7]：

式中：WR為輻射聲功率；ρ 為流體密度；c 為流體介質(zhì)中的聲速；v 為結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)速度；S 為結(jié)構(gòu)輻射的表面積；σrad為該輻射面上的聲輻射效率。

1.2 聲在空-水面透射模型

從空氣中聲源 O 出發(fā)的聲線，如圖 1 所示，在空-水界面 T 處折射入水，然后到達(dá)水下 S 處，入射角為θ，折射角 φ，另外 1 條聲線 OT'O 其入射角為 θ + dθ，折射角為 φ + dφ，假定空氣中距聲源單位距離處的聲強(qiáng)為 I0，聲線管橫截面積為 A0；S 處的聲強(qiáng)為 IS，聲線管橫截面積為 AS。根據(jù)射線聲學(xué)，在空氣中，聲線管內(nèi)的聲功率保持為[8]：

在水中，聲線管內(nèi)的聲功率保持為：

聲在空-水界面處發(fā)生反射和折射，一部分聲能反射回空氣中，另一部分聲能透射進(jìn)入水中。進(jìn)入水中的聲功率與入射波的聲功率之比近似等于平面波功率透射系數(shù)，即

式中 Tw 為聲功率透射系數(shù)。則由聲功率透射系數(shù)定義可以得到 S 處的聲強(qiáng)：

圖1 聲波透射入水示意圖Fig.1 Air-to-water sound transmission

將式（6）代入式（5），可得到：

其中 m = ρ1/ρ2為海水與空氣的密度比。P0為距聲源單位距離處的聲壓幅度。 Ps為在水下 S 處的聲壓幅度。則聲強(qiáng) I0和 Is可以近似表示為:

將式（8）代入式（7）中，有：

2 模型計(jì)算

該型船在設(shè)計(jì)吃水時(shí)，使甲板距離海面 3.6 m，如圖 2 所示。根據(jù)圖紙進(jìn)行必要的簡化[9]，建立結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型，船體的甲板、艙壁等板殼結(jié)構(gòu)采用二維殼單元，加強(qiáng)筋采用一維梁單元，船體輪機(jī)設(shè)備用集中質(zhì)量點(diǎn)模擬，油水用三維流體單元模擬，柴油發(fā)電機(jī)組下的隔振器采用一維彈簧單元模擬。借助 MSC. Patran & Nastran 軟件進(jìn)行船體模型的前后處理和計(jì)算工作，建立船體的有限元模型包括船體各層甲板、艙壁、外板、各個(gè)肋位的加強(qiáng)筋、縱橫強(qiáng)橫梁及艙壁的扶墻材等，船體模型的質(zhì)量由船舶有效質(zhì)量和附加水質(zhì)量組成，有限質(zhì)量主要考慮船體動(dòng)力設(shè)備、舾裝、外裝、電器設(shè)備以及油水重量，確保有限元船體的總重量、重心和實(shí)際相差在 0.5% 以內(nèi)。附加水質(zhì)量則可通過指定單元與水接觸，并由 Nastran 軟件自動(dòng)識(shí)別。小水線面雙體船整船有限元模型如圖 3 所示。

圖2 水線以上輻射噪聲透射入水示意圖Fig.2 Air-to-water sound transmission

圖3 整船有限元模型Fig.3 Finite element model

該型船在工作工況下，航速較低，只需 1 組柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工作，柴油發(fā)電機(jī)組位于船體中部的機(jī)艙，如圖 4 和圖 5 所示，單臺(tái)功率 1 380 kW，轉(zhuǎn)速1 500 r·min–1，重約 24 t，采用雙層隔振，柴油發(fā)電機(jī)組振動(dòng)噪聲通過減振器-船體和空氣傳播等路徑，引發(fā)濕甲板振動(dòng)，形成水上輻射噪聲源。在試驗(yàn)室測得工作工況下的單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組基座面板振動(dòng)加速度級(jí)，如圖 6 所示。對獲取的載荷激勵(lì)進(jìn)行處理和加載，將其作為輸入激勵(lì)，計(jì)算由單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組激發(fā)的船體振動(dòng)而產(chǎn)生的輻射噪聲。

通過在有限元軟件 MSC.Patran & Nastran 中建立該船型的結(jié)構(gòu)有限元模型，按照該船的標(biāo)準(zhǔn)排水量進(jìn)行整船模態(tài)和振動(dòng)響應(yīng)分析，由于模型較大，相應(yīng)的自由度較多，隨著頻率的升高，模態(tài)越來越復(fù)雜，現(xiàn)給出幾階較為典型的振動(dòng)模態(tài)，如圖 7 ～ 圖 10 所示。

圖4 船體模型半剖圖Fig.4 Finite element model

圖5 局部半剖放大圖-中部Fig.5 Finite element model

圖6 柴油發(fā)電機(jī)組基座面板振動(dòng)加速度級(jí)Fig.6 Vibration acceleration level of diesel generating set

圖7 1 階扭轉(zhuǎn)Fig.7 Vibration mode

圖8 潛體 1 階反相位水平彎曲Fig.8 Vibration mode

圖9 整體 1 階水平彎曲Fig.9 Vibration mode

圖10 整體 1 階垂向彎曲Fig.10 Vibration mode

將柴油發(fā)電機(jī)組基座面板振動(dòng)加速度級(jí)作為輸入激勵(lì)，求解出船體的振動(dòng)響應(yīng)，由于構(gòu)建的有限元模型較大，為提高運(yùn)算效率，本文采用邊界元軟件 Virtual.Lab 對輻射噪聲的中低頻部分進(jìn)行運(yùn)算分析，其基本思路如圖 11 所示。

統(tǒng)計(jì)能量法充分利用了在頻率較高的頻段上振動(dòng)和聲模態(tài)密集的特性，采用統(tǒng)計(jì)量描述系統(tǒng)的振動(dòng)規(guī)律，是解決復(fù)雜系統(tǒng)寬頻帶動(dòng)力學(xué)問題的有效方法，對有規(guī)則結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與聲學(xué)分析比較有效，計(jì)算量也小于有限元 + 邊界元方法，本文運(yùn)用統(tǒng)計(jì)能量分析軟件 VA One 對高頻部分的輻射噪聲進(jìn)行分析，在 VA One 中導(dǎo)入有限元模型，生成 SEA 分析模型，定義各

材料屬性及各種加筋板，并賦予給對應(yīng)的子系統(tǒng)，定義設(shè)備的振動(dòng)噪聲，約束到對應(yīng)子系統(tǒng)。最后求解出濕甲板的輻射噪聲級(jí)，將該噪聲級(jí)看作是由濕甲板中心的一個(gè)點(diǎn)聲源產(chǎn)生，只考慮直達(dá)聲波，忽略側(cè)面聲波和海底、海面反射的影響，設(shè)海面處空氣密度約為1.225 kg/m3，聲速約為 340.3 m/s，海水密度為 1 000 kg/m3，聲速為 1 500 m/s，得到水線以上平臺(tái)在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組單獨(dú)激勵(lì)下，通過空-水界面透射到水下，形成的水下輻射噪聲（1 m 處，1 μPa）如圖 12 所示。

圖11 中低頻水下噪聲預(yù)報(bào)思路Fig.11 Prediction of underwater noise in medium and low frequency

圖12 柴油發(fā)電機(jī)組激勵(lì)下透過空-水界面的水下輻射噪聲Fig.12 Underwater radiation noise of diesel generating set

通過圖 4 與圖 12 進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，圖 4 中振動(dòng)噪聲低頻部分較高頻部分較弱，而圖 12 中計(jì)算的結(jié)果卻剛好相反，這說明噪聲透射到水下時(shí)高頻部分比低頻部分衰減較多，而且隨著頻率的增加，衰減量也在增加，可以看出機(jī)械噪聲在水-空界面透射入水時(shí)，噪聲高頻部分透射性較差，隨著頻率的增加，噪聲在水-空界面透射的衰減也在增大。

通過圖 13 可以看出，在濕甲板正下方時(shí)，聲壓最大，且聲壓隨深度的增大而減小，當(dāng)偏離濕甲板正下方時(shí)，聲壓呈減小趨勢，其聲壓場有余弦方向性。特別是在較小水深時(shí)，隨著水平距離的增加聲壓迅速衰減，水平距離每增大1倍，聲壓近似下降約 11 dB；當(dāng)不在濕甲板正下方時(shí)，聲壓隨深度的增加先增大，在某個(gè)深度達(dá)到最大后，隨深度的進(jìn)一步增加而減小。所以在深海探測時(shí)，為減小該船振動(dòng)輻射噪聲對探測效果的影響，并不是將探測器放置在較大深度上就好。

圖13 水下輻射噪聲分布Fig.13 Underwater radiation noise distribution

3 結(jié) 語

本文以某型小水線面雙體船為對象，通過 MSC. Patran & Nastran 軟件建立了該型船結(jié)構(gòu)有限元模型，以水線以上柴油發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)噪聲為輸入激勵(lì)，運(yùn)用聲學(xué)邊界元軟件 Virtual.Lab 和統(tǒng)計(jì)能量分析軟件 VA One 對小水線面雙體船水線以上平臺(tái)引起的水下輻射噪聲預(yù)報(bào)進(jìn)行初步探究，仿真發(fā)現(xiàn)由小水線面雙體船水線以上機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲，通過水-空界面形成的水下輻射噪聲主要為低頻噪聲，高頻噪聲在水-空界面處衰減較大，且隨著水平距離的增加，輻射噪聲迅速衰減，為小水線面雙體船機(jī)電設(shè)備水下噪聲和減振降噪預(yù)報(bào)提供了參考。

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Research on the influence of above the waterline equipment on underwaterradiated noise of SWAH

WANG Jia-wen1, CHEN Xin-chuan1, LIU Yun-sheng1, HUO Bai-qi1, YE Lin-chang2
(1. Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China; 2. The 711 Research Institute of CSIC, Shanghai 200090, China)

This article established the acoustic finite element model of the SWAH, the vibration and noise of the diesel engine group as a source, calculated the underwater radiated noise of SWAH, made a preliminary research on the influence of above the waterline equipment on underwater radiated noise of SWAH, and provided a reference for underwater radiated noise of SWAH.

underwater radiated noise；finite element；SWAH

TB53

A

1672 – 7619(2016)11 – 0057 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.11.011

2016 – 04 – 27；

2016 – 05 – 31

王家文(1986 – )，男，碩士研究生，研究方向?yàn)檎駝?dòng)與噪聲控制。