單/雙層水下結構振動聲輻射研究

何其偉，李海峰，俞 翔

(1.海軍工程大學 科研部，湖北 武漢 430033；2.船舶振動噪聲重點實驗室，湖北 武漢 430033；3.海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

單/雙層水下結構振動聲輻射研究

何其偉1,2，李海峰3，俞 翔1,2

(1.海軍工程大學 科研部，湖北 武漢 430033；2.船舶振動噪聲重點實驗室，湖北 武漢 430033；3.海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

為研究單殼體和雙殼體兩種典型潛艇結構的振動聲輻射特性，本文建立單/雙層槳-軸-殼體簡化模型，利用三維水彈性力學理論和三維水彈性聲學分析軟件，分別計算螺旋槳激勵、外部流體激勵以及機械激勵 3 種激勵源下水下結構的輻射聲功率聲源級曲線。結果表明：螺旋槳激勵下，單層水下結構聲輻射略低于雙層結構；外部流體和內部機械設備激勵下，單層水下結構聲輻射明顯高于雙層結構。

單/雙層結構；槳-軸-殼體；振動；聲輻射；聲源級

0 引 言

潛艇有單殼體和雙殼體 2 種結構形式，不同的結構形式引起的振動聲輻射明顯不同，一直以來，國內外不少學者對單殼體和雙殼體水下結構的振動聲輻射問題開展了廣泛研究。祁立波等[1]揭示了不同激勵力下水下加肋圓柱殼體低頻聲輻射特征。夏齊強等[2]從控制內殼振動和衰減殼間振動傳遞的角度對雙層圓柱殼體進行了結構聲學設計。針對單/雙層水下結構的振動聲輻射對比分析問題，金廣文等[3]研究了殼體長度、殼體厚度、有無環(huán)肋以及環(huán)肋間距不同參數(shù)下單/雙層圓柱殼體結構的振動均方加速度級，但并沒有考慮殼體的聲輻射問題。唐俊娟等[4]和李兵等[5]研究了不同激勵方式下的單/雙層艙段圓柱殼體的振動聲輻射問題，但并未對螺旋槳激勵下的振動聲輻射問題加以研究

對于復雜水下結構的振動聲輻射問題，解析法求解很難實現(xiàn)。吳有生[6]將三維適航理論與結構力學理論相結合，在考慮水為不可壓縮介質的情況下，提出了三維水彈性力學理論。鄒明松[7]等在三維水彈性力學理論基礎上研究了水下彈性體結構近場點聲壓和遠場聲輻射的計算方法，同時對計算方法的有效性進行了驗證，并在 Abaqus 軟件的基礎上二次開發(fā)了三維水彈性聲學分析軟件 Thafts-acoustic。

本文將潛艇結構簡化為單/雙層槳-軸-殼體模型，利用三維水彈性力學理論和三維水彈性聲學分析軟件Thafts-acoustic，分別計算機械激勵、外部流體激勵以及螺旋槳激勵 3 種激勵源下水下結構的輻射聲功率聲源級曲線，對比分析單/雙層槳-軸-殼體模型的振動聲輻射特性，并研究內外殼間距對雙層殼體模型振動聲輻射特性的影響。

1 三維聲彈性力學理論

由模態(tài)疊加法，船體結構離散系統(tǒng)的節(jié)點位移可表示為：

假設彈性船體周圍水為均勻可壓、無粘的理想聲介質，只考慮船舶航行誘導的擾動流場以及由結構振動誘導的聲波場都是微幅線性的，總的流場速度勢可表示為各階聲波輻射速度勢的線性疊加：

聲波速度勢 ? 滿足 Helmholtz 方程為：

船體流固濕表面邊界條件為：

與自由液面邊界條件對應的 Green 函數(shù)為：

針對各階干模態(tài)可得到對應的簡單源邊界積分方程：

頻域內的船舶聲彈耦合動力學方程為：

式中：{q} 為廣義位移向量；{Ξ} 為廣義力向量；[a]，[b]，[c] 為干結構廣義質量、阻尼和剛度矩陣；[A]，[B]，[C] 為廣義流體附加質量、附加阻尼和恢復力系數(shù)矩陣。其表達式為：

流場中輻射波聲壓為：

2 槳-軸-殼體計算模型

文中參照基本的潛艇結構在 Abaqus 中建立了單/雙層槳-軸-殼體簡化模型以及殼體結構與流體接觸的濕表面，如圖 1 所示。模型結構主要有內外殼體、環(huán)肋骨、實肋板、螺旋槳、推進軸系和軸承。單層殼體模型參數(shù)與雙層模型中內殼體參數(shù)一致，而雙層殼體模型中實肋板與輕外殼多余質量通過非結構質量添加到單層殼體模型中，以保證單殼體模型與雙殼體模型質量相同。螺旋槳為 5 葉三維槳，采用 3D 實體單元模擬；殼體和軸系分別采用 2D 殼單元和 1D 梁單元模擬，環(huán)肋骨及實肋板均使用 2D 殼單元模擬；簡化模型中包括尾軸后軸承、尾軸前軸承和推力軸承，所有軸承均采用彈簧單元模擬，將尾軸后軸承和尾軸前軸承簡化為水平和垂直方向的彈簧，將推力軸承簡化為水平、垂向和縱向的彈簧。

3 數(shù)值計算及結果分析

潛艇實際航行中，產生的噪聲主要有：螺旋槳噪聲、水動力噪聲和機械噪聲等。為較好地模擬 3 種噪聲源，文中選擇 3 個激勵位置施加激勵（見圖 1 ），位置 1 作用在螺旋槳槳轂模擬螺旋槳橫向和縱向激勵力，位置 2 作用在殼體外表面模擬外部流體激勵力，位置 3 作用在殼體內部模擬機械設備激勵力，力的幅值均為 1 N。在 10 ～150 Hz 頻率范圍內用三維聲彈性響應計算軟件 Thafts-acoustic，計算不同激勵工況下單/雙層模型在無限水深介質中產生的輻射聲功率，按公式（11）換算為聲源級。

式中：P為輻射聲功率量值；P0=0.65×10?18W/Hz為基準值 。

激勵位置 1 螺旋槳橫向力作用下計算得到單/雙層槳-軸-殼體結構的聲輻射聲源級曲線，如圖 2 所示。從圖中可看出，螺旋槳橫向激勵下，單/雙層水下結構聲輻射相差不大，聲源級曲線主要在推進軸系以及殼體彎曲模態(tài)頻率處出現(xiàn)峰值，單/雙層水下結構聲源級曲線相互交叉，低頻段部分峰值頻率處雙層結構聲源級曲線明顯高于單層結構，而在 40～80 Hz 頻段雙層結構聲輻射又明顯低于單層結構，這主要是由于低頻段雙層結構內外殼體耦合作用強，振動大。同時，計算得到單/雙層水下結構在 10～150 Hz 頻段內聲輻射總聲級分別為 105.3 dB 和 107 dB，因此，螺旋槳橫向激勵下單層水下結構聲輻射總聲級略低于雙層結構。

激勵位置 1 螺旋槳縱向力作用下計算得到單/雙層槳-軸-殼體結構的聲輻射聲源級曲線，如圖 3 所示。從圖中可看出，螺旋槳縱向激勵下，單/雙層水下結構聲源級曲線在第一個峰值頻率處出現(xiàn)較大變化，這一峰值主要是由于殼體一階縱振引起的，對于雙層結構而言，內外殼體間的實肋板使整個結構的阻抗增加，因此曲線峰值低于單層殼體結構；而第 2 個峰值和第 3個峰值分別對應槳軸一階縱振和全槳葉振動，主要受槳軸參數(shù)的影響，與殼體結構無關，所以兩曲線變化不大。同時，計算得到單/雙層水下結構在 10～150 Hz頻段內聲輻射總聲級分別為 120.2 dB 和 121.8 dB，因此，螺旋槳縱向激勵下單層水下結構聲輻射總聲級略低于雙層結構。

激勵位置 2 殼體外表面外部流體激勵力作用下計算得到單/雙層槳-軸-殼體結構的聲輻射聲源級曲線，如圖 4 所示。從圖中可看出，單層結構聲輻射聲源級曲線高于雙層結構，尤其在 60 Hz 以上頻段更明顯，主要是由于此激勵位置處雙層結構阻抗明顯高于單層結構，能夠抑制降低激勵引起的聲輻射。在低頻段，雙層殼體聲源級曲線峰值頻率略高于單殼結構，這主要是因為復雜的雙層結構剛度高于單層結構。同時，計算得到單/雙層水下結構在 10～150 Hz 頻段內聲輻射總聲級分別為 119.1 dB 和 110.2 dB，因此，外部流體激勵下單層水下結構聲輻射總聲級明顯高于雙層結構。

激勵位置 3 內部機械設備激勵力作用下計算得到單/雙層槳-軸-殼體結構的聲輻射聲源級曲線，如圖 5所示。從圖中可看出，單層結構聲輻射聲源級曲線高于雙層結構。計算得到單/雙層水下結構在 10～150 Hz頻段內聲輻射總聲級分別為 119.2 dB 和 110.4 dB，因此，內部機械設備激勵下單層水下結構聲輻射總聲級明顯高于雙層結構。

4 結 語

1）在螺旋槳橫向力和縱向力作用下，單/雙層水下結構聲源級曲線相互交叉，聲輻射相差不大，在10～150 Hz 頻段內單層水下結構聲輻射總聲級略低于雙層結構。

2）在外部流體激勵力和內部機械設備激勵力作用下，單層結構聲輻射聲源級曲線高于雙層結構，因此，在 10～150 Hz 頻段內單層水下結構聲輻射總聲級明顯高于雙層結構。

[1]祁立波, 鄒明松.加肋圓柱體水下低頻輻射聲特性研究[J].船舶力學, 2015, 19(7): 874-883.Qi Li-bo, ZOU Ming-song.Research on acoustic radiation of stiffened cylinder in low-frequency[J].Journal of Ship Mechanics, 2015, 19(7): 874-883.

[2]夏齊強, 陳志堅.降低加肋雙層圓柱殼輻射噪聲線譜的結構聲學設計[J].聲學學報, 2014, 39(5): 613-623.XIA Ji-qiang, CHEN Zhi-jian.Structural-Acoustic design todepress line spectrum of radiation noise from double cylindrical ring stiffened shell[J].Acta Acustica, 2014, 39(5): 613-623.

[3]金廣文, 姜榮俊, 陳美霞等.不同參數(shù)下的單、雙層圓柱殼體速度場研究[J].振動與沖擊, 2006, 25(3): 169-175.JIN Guang-wen, JIANG Rong-jun, CHEN Mei-xia.Velocity field of finite cylindrical shells with single or double layersand different parameters[J].Journal of Vibration and Shock, 2006, 25(3): 169-175.

[4]唐俊娟, 劉艷敏.單雙層殼艙段結構聲輻射計算分析[C]//.第十四屆船舶水下噪聲學術討論會論文集.

[5]李兵, 張超.單/雙層圓柱殼振動及聲輻射對比[J].艦船科學技術, 2015, 37(2): 14-18.LI Bing, ZHANG Chao.Comparision on vibration and sound radiation from single and double cylindrical shells[J].Ship Science and Technology, 2015, 37(2): 14-18.

[6]WU Y S.Hydroelasticity of floating bodies[D].London: Brunel University, 1984.

[7]ZOU M S, WU Y S, YE Y L.Three-dimensional hydroelasticity analysis of acoustic responses of ship structures[C]//.9th International Conference on Hydrodynamics, 2010, 10: 844-851.

Research on the vibration and acoustic radiation of single and double layers underwater structure

HE Qi-wei1,2, LI Hai-feng3, YU Xiang1,2
(1.Office of Research and Design, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2.National Key Laboratory on Ship Vibration and Noise, Wuhan 430033, China; 3.College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To research the vibration and acoustic radiation characteristics of the single-layer and double-layer underwater structure which are the typical structures of the submarine, the single-layer and double-layer propeller-shaft-hull coupled structures are established, the three-dimensional sono-elastical theory and acoustic analysis software are applied to analyze the sound source level curve of the coupled structure under three different exciting such as propeller exciting, external fluid exciting and internal mechanical exciting.The analysis results show that the total radiated acoustic power of single-layer underwater structure is less than double-layer under propeller exciting, but higher than double-layer under external fluid exciting and internal mechanical exciting.

Single and double layers structure；propeller-shaft-hull；vibration；acoustic radiation；sound source level

TB53

：A

1672-7619(2017)01-0017-04doi：10.3404/j.issn.1672-7619.2017.01.004

2016-04-10；

: 2016-05-28

國家自然科學基金資助項目(51579242)

何其偉(1972-)，男，副教授，研究方向為艦船裝置振動與噪聲控制。