基座阻抗均勻化對加筋柱殼水下輻射噪聲的影響

馬建強(qiáng)，賈 地，王雪仁，陳海龍，沈 喆

(1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.中國人民解放軍92537部隊(duì)，北京 100007)

基座阻抗均勻化對加筋柱殼水下輻射噪聲的影響

馬建強(qiáng)1，賈 地2，王雪仁2，陳海龍1，沈 喆1

(1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.中國人民解放軍92537部隊(duì)，北京 100007)

以加筋柱殼及典型基座結(jié)構(gòu)為對象，分析了基座阻抗均勻化對加筋柱殼水下輻射噪聲的影響。基于有限元法通過改變基座結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，研究加筋柱殼水下輻射噪聲特性及基座結(jié)構(gòu)阻抗特性，利用數(shù)值計(jì)算法分析基座結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗對加筋柱殼水下輻射噪聲的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究基座阻抗均勻化對加筋柱殼水下輻射噪聲的影響。研究表明，相比于機(jī)械阻抗對加筋柱殼水下輻射噪聲的影響，基座阻抗均勻化對其影響較小，但隨著基座阻抗均勻程度的提高，加筋柱殼水下輻射噪聲在減小。

聲學(xué)；加筋柱殼；基座；阻抗；均勻化；輻射噪聲

船舶航行時(shí)水下的輻射噪聲嚴(yán)重限制了安靜化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，而基座結(jié)構(gòu)作為機(jī)械設(shè)備向船體進(jìn)行噪聲傳遞的重要介質(zhì)，其阻抗特性決定著從振動(dòng)源輸入到船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件中振動(dòng)能量比例的大小，是重要的聲學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)[1–3]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對船舶基座結(jié)構(gòu)的阻抗特性及艦船水下輻射噪聲特性進(jìn)行了大量研究，文獻(xiàn)[4]基于阻抗分析法探索了懸臂型基座的機(jī)械阻抗特性，并分析了基座各結(jié)構(gòu)參數(shù)對其機(jī)械阻抗的影響規(guī)律，進(jìn)行了懸臂型基座結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[5]通過對基座結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)分析以及振動(dòng)傳遞特性分析，研究了基座的結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)對艦船聲輻射的影響。但目前在基座結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗與水下輻射噪聲之間關(guān)系、基座結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗均勻程度對水下輻射噪聲的影響等方面的研究工作還比較少。

本文以加筋柱殼及典型的艦船基座結(jié)構(gòu)為研究對象，通過改變基座面板加強(qiáng)方式及加強(qiáng)區(qū)域結(jié)構(gòu)板厚等方式，基于有限元法數(shù)值分析基座結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗對加筋柱殼水下輻射噪聲的影響，在此基礎(chǔ)上，分析基座結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗的均勻程度對加筋柱殼水下振動(dòng)聲輻射的影響規(guī)律。

1 理論基礎(chǔ)

機(jī)械阻抗定義為激勵(lì)力的復(fù)幅值與響應(yīng)的復(fù)幅值之比，根據(jù)不同的響應(yīng)量，機(jī)械阻抗的表達(dá)形式常分為六種：位移阻抗、速度阻抗、加速度阻抗、位移導(dǎo)納、速度導(dǎo)納及加速度導(dǎo)納，這六種阻抗表達(dá)形式是等效的[6]。

在外界激勵(lì)力作用下，由于加筋柱殼基座結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的輻射噪聲是以垂直于殼體方向?yàn)橹?，所以，加筋柱殼基座結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗的表達(dá)式統(tǒng)一為

基座結(jié)構(gòu)的振動(dòng)微分方程可描述如下

假設(shè)系統(tǒng)的激勵(lì)力為

則對應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)可表示為

該系統(tǒng)的速度阻抗為

式中X0為振動(dòng)變形位移的最大值。

2 加筋柱殼水下輻射噪聲及基座機(jī)械阻抗特性研究

2.1 船舶艙段及基座振動(dòng)噪聲預(yù)報(bào)模型建立

以某船舶艙段為背景，建立其有限元模型。建模中綜合考慮計(jì)算要求，對該模型進(jìn)行合理的簡化。有限元模型主要采用SHELL單元。在艙段結(jié)構(gòu)的外板、艙壁等結(jié)構(gòu)中采用T型材作為加強(qiáng)筋，使整個(gè)船舶模型的剛度接近通常的船體。本文研究的重點(diǎn)是艙段的基座結(jié)構(gòu)，該船舶艙段的長度為5 m，直徑為3 m，在距艙段最低處左右各0.5 m處建立基座，基座面板的長度為0.9 m，寬度為0.6 m，腹板高度為0.4 m，整個(gè)艙段模型共包括6 383個(gè)有限元單元。模型的主要結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)如表1所示。艙段及基座結(jié)構(gòu)模型如圖1及圖2所示。

2.2 加筋柱殼水下輻射噪聲特性分析

本文以建立的有限元模型為基礎(chǔ)，根據(jù)基座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將面板均分為六個(gè)部分，對每一部分采用相同的加強(qiáng)方式。本文采取四種不同的加強(qiáng)方式對基座結(jié)構(gòu)的面板進(jìn)行加強(qiáng)，分別是：中心加強(qiáng)、橫向加強(qiáng)、縱向加強(qiáng)和“十字”加強(qiáng)，基座面板的加強(qiáng)方式如圖3所示。

表1 模型主要結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

圖1 艙段及基座結(jié)構(gòu)模型

圖2 基座結(jié)構(gòu)有限元模型

圖3 基座面板加強(qiáng)方式示意圖

在基座面板加強(qiáng)區(qū)域選取六個(gè)節(jié)點(diǎn)作為激勵(lì)點(diǎn)，以艙段中心為球心，半徑R=5 m，建立流場區(qū)域，在聲壓考核面上布置考核點(diǎn)，記錄加筋柱殼水下輻射噪聲情況。通過計(jì)算得到基座面板厚度為18 mm時(shí)（設(shè)計(jì)工況），加筋柱殼水下輻射噪聲的變化曲線如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)工況下加筋柱殼水下輻射噪聲變化曲線

由圖4可知，在整個(gè)低頻段內(nèi)，加筋柱殼水下輻射噪聲隨著頻率的增加呈先波動(dòng)增加后穩(wěn)定的變化趨勢。在20 Hz～200 Hz頻段內(nèi)，加筋柱殼水下輻射噪聲隨頻率的變化發(fā)生明顯的波動(dòng)，在40 Hz和80 Hz頻點(diǎn)處出現(xiàn)峰值；當(dāng)頻率達(dá)到200 Hz后，輻射噪聲達(dá)到最大且隨頻率的增加基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2.1 加強(qiáng)方式對水下輻射噪聲的影響研究

為了探究加強(qiáng)方式對加筋柱殼水下輻射噪聲的影響關(guān)系，現(xiàn)以加強(qiáng)區(qū)域結(jié)構(gòu)板厚為6 mm的工況為例，說明加強(qiáng)方式的改變對加筋柱殼水下輻射噪聲產(chǎn)生的變化關(guān)系，見圖5。如圖所示，在20 Hz～100 Hz頻段內(nèi)，加強(qiáng)方式對加筋柱殼水下輻射噪聲的影響較??；在100 Hz～400 Hz頻段內(nèi)，兩者之間的影響較大，且“十字”加強(qiáng)方式對加筋柱殼水下輻射噪聲的影響最大，中心加強(qiáng)方式對其影響最小，而橫向加強(qiáng)和縱向加強(qiáng)兩種方式對其影響效果接近。

2.2.2 面板厚度對水下輻射噪聲的影響研究

對基座面板加強(qiáng)區(qū)域結(jié)構(gòu)板厚對加筋柱殼水下輻射噪聲的影響，分別計(jì)算了基座面板加強(qiáng)區(qū)域結(jié)構(gòu)板厚為6 mm、10 mm、14 mm、18 mm（設(shè)計(jì)工況）、22 mm、24 mm及28 mm 7個(gè)不同工況下加筋柱殼水下輻射噪聲。為進(jìn)一步說明兩者之間的關(guān)系，現(xiàn)以設(shè)計(jì)工況下加筋柱殼水下輻射噪聲為基準(zhǔn)，其他工況下加筋柱殼水下輻射噪聲的相對變化量如圖6所示。

從圖6可知，對于任一種加強(qiáng)方式，隨著基座面板加強(qiáng)區(qū)域結(jié)構(gòu)板厚的增加，加筋柱殼水下輻射噪聲在減小。對比圖中曲線的縱坐標(biāo)變化范圍可知，“十字”加強(qiáng)方式下加筋柱殼水下輻射噪聲隨板厚的相對變化量較大。

因此通過改變加強(qiáng)區(qū)域結(jié)構(gòu)板厚和加強(qiáng)方式兩種途徑，可以得到加筋柱殼水下輻射噪聲隨頻率的變化關(guān)系。圖7給出了低頻段內(nèi)加筋柱殼水下輻射噪聲總級隨加強(qiáng)區(qū)域結(jié)構(gòu)板厚的變化關(guān)系。

圖5 加強(qiáng)方式對加筋柱殼水下輻射噪聲的影響關(guān)系

圖6 不同工況下加筋柱殼水下輻射噪聲的相對變量

圖7 水下輻射噪聲隨加強(qiáng)區(qū)域結(jié)構(gòu)板厚的變化關(guān)系

由圖7可知，相同加強(qiáng)方式下，水下輻射噪聲隨板厚的增加在減?。幌嗤Y(jié)構(gòu)板厚下（小于18 mm時(shí)），中心加強(qiáng)方式下的水下輻射噪聲最小；在板厚變化范圍內(nèi)，“十字”加強(qiáng)方式對輻射噪聲的影響最大，約為3.54 dB。橫向加強(qiáng)和縱向加強(qiáng)方式對輻射噪聲的影響相近，約為2.05 dB。而中心加強(qiáng)方式對輻射噪聲的影響最小，約為0.72 dB。

2.3 基座結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗特性分析

以上述建立的模型為基礎(chǔ)，求出其在20 Hz～400 Hz頻段內(nèi)各頻點(diǎn)處基座結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗。設(shè)計(jì)工況下基座結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗隨頻率的變化曲線見圖8。

圖8 基座結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗隨頻率的變化曲線

由圖8所示，設(shè)計(jì)工況下基座結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗隨頻率的變化發(fā)生明顯的波動(dòng)，且在100 Hz頻點(diǎn)處出現(xiàn)峰值。

從改變基座面板加強(qiáng)區(qū)域結(jié)構(gòu)板厚和加強(qiáng)方式兩個(gè)方面，進(jìn)行基座結(jié)構(gòu)阻抗的特性分析。基座的結(jié)構(gòu)阻抗隨加強(qiáng)方式的變化關(guān)系，見圖9。

由圖9可知：相同板厚情況下，“十字”加強(qiáng)方式對基座結(jié)構(gòu)阻抗的影響最大。相同加強(qiáng)方式情況下，基座結(jié)構(gòu)阻抗隨板厚增加而增大，當(dāng)板厚增量相同時(shí)，“十字”加強(qiáng)方式下的阻抗增量最大；

通過分析基座結(jié)構(gòu)的阻抗特性及加筋柱殼水下輻射噪聲特性可知：“十字”加強(qiáng)方式對兩者的影響均最大，中心加強(qiáng)方式對兩者的影響均最小，而橫向加強(qiáng)方式和縱向加強(qiáng)方式對兩者的影響效果相近。

圖9 基座結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗隨板厚的變化關(guān)系

2.4 基座阻抗均勻化對加筋柱殼水下輻射噪聲的影響研究

2.4.1 基座阻抗與水下輻射噪聲的關(guān)系探究

在對加筋柱殼水下輻射噪聲特性及基座結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗特性分析的基礎(chǔ)上，本節(jié)探討了基座結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗與加筋柱殼水下輻射噪聲之間的變化關(guān)系。圖10給出了基座結(jié)構(gòu)阻抗與加筋柱殼水下輻射噪聲之間的變化關(guān)系。

由圖10可知，對任一種加強(qiáng)方式，隨著基座結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗的增加，加筋柱殼水下輻射噪聲在減小。通過分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)基座結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗的增量變化較大時(shí)，加筋柱殼水下輻射噪聲的減小量也相應(yīng)地增大。

2.4.2 阻抗均勻化對水下輻射噪聲的影響研究

為避免基座結(jié)構(gòu)阻抗對加筋柱殼水下輻射噪聲的影響，應(yīng)保證基座阻抗均勻化作為單一變量。由計(jì)算可知，板厚為28 mm的中心加強(qiáng)、板厚為24 mm的橫向加強(qiáng)、板厚為24 mm的縱向加強(qiáng)及板厚為22 mm的“十字”加強(qiáng)方式下基座阻抗是相同的?；杩沟木鶆虺潭扔脴?biāo)準(zhǔn)差表示，標(biāo)準(zhǔn)差越小說明阻抗均勻程度越高。通過對比四種結(jié)構(gòu)形式下阻抗的均勻程度，探討了基座結(jié)構(gòu)阻抗均勻化對加筋柱殼水下輻射噪聲的影響規(guī)律，詳見表2。

表2 各結(jié)構(gòu)形式阻抗均勻程度及聲源級情況

由表2可知，當(dāng)基座結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗不變時(shí)，基座阻抗越均勻加筋柱殼水下輻射噪聲越小，但相比于機(jī)械阻抗對加筋柱殼水下輻射噪聲的影響，阻抗均勻化對其影響較小。

圖10 基座結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗與加筋柱殼水下輻射噪聲之間的變化關(guān)系

4 結(jié)語

采用有限元法數(shù)值分析典型艦船基座結(jié)構(gòu)的阻抗特性，及加筋柱殼水下振動(dòng)輻射噪聲特性，并通過改變基座面板加強(qiáng)方式及加強(qiáng)區(qū)域結(jié)構(gòu)板厚等方式，分析基座結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗對加筋柱殼水下輻射噪聲的影響，在此基礎(chǔ)上，分析基座結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗的均勻程度對加筋柱殼水下振動(dòng)聲輻射的影響規(guī)律。通過上述研究可以得到如下結(jié)論：

(1)四種加強(qiáng)方式中，“十字”加強(qiáng)方式對加筋柱殼水下輻射噪聲的影響最大，中心加強(qiáng)方式對其影響最小，而橫向加強(qiáng)方式和縱向加強(qiáng)方式對其影響效果相近。

(2)面板加強(qiáng)方式和面板厚度的改變實(shí)際是基座結(jié)構(gòu)剛度的改變。加強(qiáng)區(qū)域越大基座結(jié)構(gòu)剛度改變越大，相應(yīng)的基座結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗就越大。所以，“十字”加強(qiáng)方式對基座結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗影響最大。

(3)隨著基座面板加強(qiáng)區(qū)域結(jié)構(gòu)板厚的增加，基座結(jié)構(gòu)的阻抗在增加，而隨著板厚變化量的增大，基座結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗增量也在增大。

(4)基座結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗與加筋柱殼水下輻射噪聲之間存在一定的聯(lián)系，即隨著基座結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗的增加，加筋柱殼水下輻射噪聲在減小。

5）當(dāng)基座結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗不變時(shí)，基座結(jié)構(gòu)阻抗的均勻程度越高，加筋柱殼水下輻射噪聲就越小，但相比于機(jī)械阻抗對加筋柱殼水下輻射噪聲的影響，阻抗均勻程度對其影響較小。

(6)上述結(jié)論具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值，例如只通過改變基座面板上設(shè)備安裝位置處的板厚，來改變基座結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗。另外，根據(jù)基座面板不同位置處的受力或加載條件的不同，通過調(diào)節(jié)基座面板不同位置處的板厚，使基座結(jié)構(gòu)在總阻抗不變的前提下，達(dá)到整個(gè)基座結(jié)構(gòu)阻抗的均勻化。

[1]吳文偉，沈榮瀛.設(shè)備基座輸入機(jī)械阻抗工程估算方法[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2004（17）：694-697.

[2]姚熊亮，計(jì)方.典型船舶結(jié)構(gòu)中振動(dòng)波傳遞特性分析[J].振動(dòng)與沖擊，2009，23（7）：20-25.

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[4]周海波，計(jì)方.典型船舶懸臂基座阻抗特性研究[J].船舶，2013，24（5）：11-16.

[5]王國志，胡玉超，仇遠(yuǎn)旺.基座參數(shù)對艦船參數(shù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)與聲輻射的影響[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，26（3）：222-225.

[6]左鶴聲.機(jī)械阻抗方法與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

Influence of Homogenization of Foundation Impedance on UnderwaterAcoustic Radiation of a Stiffened Cylindrical Hull

MA Jian-qiang1,JIADi1,WANG Xue-ren2,CHEN Hai-long1,SHENZhe1
（1.College of Shipbuilding Engineering,Harbin Engineering University,150001,China；2.92537 Unit of PLA,Beijing 100007,China）

The influence of homogenization of foundation impedance on underwater vibration and radiation noise of a stiffened cylindrical hull is analyzed by means of FEM.By changing the size and shape parameters of the foundation,the characteristic of the underwater radiation noise of the stiffened cylindrical hull and the characteristic of the foundation impedance are studied.On this basis,the influence of homogenization of the foundation impedance on the underwater radiation noise characteristic of the stiffened cylindrical hull is discussed in detail.Research result shows that the influence of the impedance homogenization of the foundation on the underwater radiation noise of the stiffened cylindrical hull is smaller than that of the mechanical impedance.But with the increasing of the homogenization level of the impedance of the foundation,the underwater radiation noise of the reinforced hull decreases.

acoustics;stiffened cylindrical hull;foundation;impedance;homogenization;radiation noise

O42 7.5

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2017.01.022

1006-1355(2017)01-0098-05

2016-07-16

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51209052）；黑龍江省青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目（QC2011C013）；上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（1307）；工信部高技術(shù)船舶項(xiàng)目；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目（HEUCFD1515）中國博士后基金（2014M552661）。

馬建強(qiáng)（1992－），男，吉林省松原市人，碩士生，主要研究方向?yàn)榕灤Y(jié)構(gòu)振動(dòng)與噪聲、艦船結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)。E-mail:majianqiang@hrbeu.edu.cn