流激開孔和空腔結(jié)構(gòu)耦合振動噪聲試驗研究

熊濟(jì)時，呂世金，邱昌林，王春旭，陳志剛

1中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064 2中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫214082

流激開孔和空腔結(jié)構(gòu)耦合振動噪聲試驗研究

熊濟(jì)時1，呂世金2，邱昌林1，王春旭1，陳志剛1

1中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064 2中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫214082

［目的］為了研究流激開孔和空腔結(jié)構(gòu)耦合振動噪聲，［方法］采用模型試驗方法，通過改變孔腔開口大小、來流速度和腔體厚度等，分析其對剪切振蕩噪聲、腔體自噪聲和輻射噪聲的影響。［結(jié)果］研究表明：空氣中的開孔剪切振蕩經(jīng)驗公式同樣適用于水中情況，剪切振蕩頻率和剪切振蕩量級均與來流速度呈正比；未發(fā)生開孔和空腔耦合共振時，腔體壁面剛度僅略微影響剪切振蕩量級，而不影響剪切振蕩模態(tài)頻率；在特定的開口和流速下，剪切振蕩模態(tài)與彈性腔壁模態(tài)耦合，產(chǎn)生劇烈的諧頻共振以及極大的自噪聲與輻射噪聲。［結(jié)論］研究結(jié)果可為潛艇舷外開孔和附近結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及孔腔結(jié)構(gòu)噪聲控制提供有益的探索和技術(shù)支撐。

剪切振蕩；彈性腔壁；耦合共振

0 引言

潛艇由于潛浮的需要，在艇身開設(shè)了數(shù)量眾多、樣式各異的流水孔和壓載水艙開口，以及其他各種大小的開口，破壞了艇體表面的光順性與連續(xù)性，致使流動發(fā)生分離。在沿流向跨越開孔的內(nèi)、外流之間，存在著不穩(wěn)定的剪切層波動，一方面會直接輻射噪聲，另一方面會在流水孔后緣局部區(qū)域造成湍流邊界層脈動壓力增大，激勵潛艇輕外殼振動從而產(chǎn)生二次輻射噪聲。

國內(nèi)外針對無孔板和開孔板水下振動及聲輻射的研究較多。Laulagnet［1］采用解析法研究了無孔簡支薄板的振動與聲輻射問題。Putra和Thompson［2］在 Laulagnet模型的基礎(chǔ)上，采用解析法研究了空氣介質(zhì)中開孔板的振動與聲輻射特性，研究結(jié)果表明，隨著開孔率的增加，薄板的輻射效率降低，當(dāng)開孔率相同時，隨著開孔尺寸的減小，輻射效率降低。Burroughs和 Hankey等［3-4］針對開孔聲輻射進(jìn)行研究，給出了開孔剪切振蕩特征對輻射噪聲的影響規(guī)律。陳美霞、趙志高和李林凌等［5-7］分別采用邊界元法、有限元法與Rayleigh積分方法，研究了無孔加筋板的振動與聲輻射問題。邱昌林等［8］采用有限元與間接邊界元相結(jié)合的方法，以開圓孔、四邊簡支、無障板的鋼制平板為對象，開展了開孔板水下振動及聲輻射特性研究，結(jié)果表明，開孔可顯著改變平板水下振動與聲輻射特性。張媛等［9］開展了空氣介質(zhì)中矩形開孔板的固有特性，并研究了開孔尺寸和形狀對薄板固有頻率的影響規(guī)律。張楠等［10］基于大渦模擬方法與Kirchhoff積分，探討了水中孔腔流動的發(fā)聲機(jī)理。王棟等［11］利用有限元方法計算了具有橢圓開孔薄板的前兩階固有頻率，分析結(jié)果表明，開孔能顯著改變矩形板的固有頻率，其影響效果與矩形板的邊界約束條件和開孔形狀相關(guān)。通過分析開孔板結(jié)構(gòu)振動與聲輻射特性研究的現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，在該領(lǐng)域還存在著以下不足：一是目前的研究多集中于開孔板在空氣中的振動與聲輻射，對于開孔板在水下的振動與聲輻射研究較少；二是缺乏水中復(fù)雜開孔板結(jié)構(gòu)振動與聲輻射的計算方法；三是有關(guān)水中流激開孔與空腔結(jié)構(gòu)耦合共振特征的研究較少。

本文擬針對流激開孔和空腔結(jié)構(gòu)耦合振動噪聲問題，采用模型試驗方法，進(jìn)行不同孔腔開口大小、來流速度、腔體厚度對開口剪切振蕩噪聲、腔體自噪聲和輻射噪聲的影響研究，用于為潛艇舷外開孔和附近結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及孔腔結(jié)構(gòu)噪聲控制提供有益探索與技術(shù)支撐。

1 試驗相關(guān)情況

試驗在中國船舶科學(xué)研究中心的高速方形小水洞中進(jìn)行，水速0～20 m/s，試驗段尺寸225 mm×225 mm×1 600 mm。由于試驗段為拆分式，故可以利用其中的2個部分：一個是長試驗段225 mm×225 mm×845 mm；另一個是短試驗段225 mm×225 mm×350 mm。在長試驗段，安裝試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行開孔剪切振蕩特征聲場試驗及腔體自噪聲測試；在短試驗段的矩形腔體，設(shè)計透聲窗進(jìn)行流激開口和空腔輻射噪聲測試。當(dāng)出現(xiàn)流激共振現(xiàn)象時，自噪聲和輻射噪聲的量級將不滿足隨航速變化的規(guī)律。

1.1 試驗?zāi)Ｐ?/p>

試驗?zāi)Ｐ蜑橛射摪鍑傻拈L方體腔體，如圖1所示，開口寬度194 mm（固定不變），長度320 mm，在開口長度方向可實現(xiàn)0～320 mm范圍的任意選取。此外，開口下方腔體的總深度800 mm，長度360 mm，寬度215 mm，通過設(shè)置2種不同厚度的腔體壁面，對比研究壁面彈性對剪切振蕩特征的影響。其中，腔體壁面厚度較薄的模型其首階固有頻率設(shè)計為6 Hz，為簡化描述，后文將腔體壁面厚度較薄的模型稱為彈性壁，腔體壁面厚度較厚的模型稱為剛性壁。

圖1 試驗?zāi)Ｐ虵ig.1 The experimental model

1.2 自噪聲測試方案

自噪聲測試的目的是分析流激開孔對空腔內(nèi)部噪聲的影響。自噪聲測試?yán)梅叫嗡吹拈L試驗段，將試驗?zāi)Ｐ桶惭b到試驗水洞225 mm×225 mm×845 mm的觀察窗部位，考慮到安裝需要，開口寬度設(shè)計為194 mm，長度320 mm，可實現(xiàn)0～320 mm范圍的任意選取。在模型中設(shè)置p1～p4共4個水聽器，用于監(jiān)測模型腔體內(nèi)部不同部位的自噪聲，如圖2和圖3所示。

1.3 輻射噪聲測試方案

輻射噪聲測試的目的是分析流激開孔和空腔的輻射特性。輻射噪聲測試主要利用方形水洞225 mm×225 mm×350 mm的短試驗段。在該試驗段，安裝矩形腔體（圖2上方深藍(lán)色部位），設(shè)置p5和p6共2個水聽器，用于測量流激模型開孔和空腔的輻射噪聲。為了隔離流對輻射噪聲的影響，在矩形腔體和水洞流道之間設(shè)置10 mm厚的有機(jī)玻璃透聲窗（原觀察窗部位），其特征阻抗與水基本一致，對聲波的衰減較小。主要測量方形水洞的內(nèi)部聲場。由于采用方形腔體，其內(nèi)部沒有采用消聲措施，故基本上是混響環(huán)境，其測試結(jié)果和實際值相比偏高，但也足以用來分析剪切振蕩以及腔體共振產(chǎn)生的聲輻射特征。

圖2 測點(diǎn)布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of measuring points

圖3 測點(diǎn)布置實圖Fig.3 The experimental set-up

2 相同開口彈性壁與剛性壁輻射噪聲比較

圖4給出了來流速度12 m/s、腔體開口大小L=100，320 mm時（L為孔腔長度）p5測量的彈性壁與剛性壁輻射噪聲的對比結(jié)果。由圖可以看出，在相同開口流激剪切振蕩條件下，未發(fā)生開孔和空腔耦合共振時剛性壁與彈性壁的輻射噪聲頻譜特征及幅值基本一致，表明腔體結(jié)構(gòu)對剪切振蕩頻率無影響，腔體壁面厚度僅略微影響剪切振蕩幅值。

圖4 彈性壁和剛性壁的輻射噪聲比較Fig.4 Comparison of radiation noise between elastic and rigid walls

3 剪切振蕩模態(tài)與彈性腔壁模態(tài)耦合特征分析

Rossiter［12］給出了空氣中開口剪切振蕩頻率經(jīng)驗公式：

式中：f為流水孔剪切振蕩頻率；n為模態(tài)數(shù)；U0為來流速度；M為馬赫數(shù)。

根據(jù)試驗設(shè)計結(jié)果，彈性腔體一階固有模態(tài)頻率約為6 Hz。按照式（1）進(jìn)行估算，當(dāng)腔體開口大小L=150，200和320 mm時，對應(yīng)的來流速度分別為2.1，2.8和4.5 m/s，剪切振蕩頻率恰好等于6 Hz（圖5），此時，會出現(xiàn)流激開口與孔腔結(jié)構(gòu)彈性共振。

圖6為腔體開口大小L=150 mm時不同來流速度對應(yīng)的彈性壁面腔體剪切振蕩噪聲聲壓級。在來流速度增加的過程中，當(dāng)來流速度為2.4 m/s時，聲壓會出現(xiàn)強(qiáng)烈的諧頻振蕩和最高可達(dá)188 dB的噪聲，隨著速度的繼續(xù)增加，共振現(xiàn)象逐漸消失，噪聲也隨之降低。由圖7可見，當(dāng)腔體開口大小L=200 mm時，共振發(fā)生在來流速度約為2.8 m/s時。由圖8可見，當(dāng)開口大小L=320 mm時，共振發(fā)生在來流速度約為4.5 m/s時。圖6～圖8的試驗結(jié)果顯示，共振發(fā)生的水速（2.4，2.8和4.5 m/s）與圖5所示理論計算的6 Hz剪切振蕩發(fā)生時的速度（2.1，2.8和4.5 m/s）基本一致。

圖5 理論計算剪切振蕩模態(tài)頻率與速度的關(guān)系Fig.5 Theoretical results of relationship between the shear oscillatory frequency and velocity

圖6 彈性腔壁在不同來流速度下的聲壓級（L=150 mm）Fig.6 The sound pressure level at different flow velocities（L=150 mm）

圖7 彈性腔壁在不同來流速度下的聲壓級（L=200 mm）Fig.7 The sound pressure level at different flow velocities（L=200 mm）

圖8 彈性腔壁在不同來流速度下的聲壓級（L=320 mm）Fig.8 The sound pressure level at different flow velocities（L=320 mm）

在剪切振蕩模態(tài)頻率與腔體壁面模態(tài)頻率一致的情況下，可發(fā)生開口孔腔剪切振蕩與腔體彈性共振吻合的現(xiàn)象，會引起比較強(qiáng)的聲輻射。與沒有發(fā)生耦合的現(xiàn)象相比，峰值量級會增加50 dB左右，總聲級會增加20～35 dB，此外，剪切振蕩高階模態(tài)也會與腔體高階模態(tài)耦合，產(chǎn)生較強(qiáng)的噪聲，這是腔體開口設(shè)計時必須關(guān)注的重點(diǎn)。

4 結(jié) 論

本文研究了由開口剪切振蕩及其激勵產(chǎn)生的腔體自噪聲和輻射噪聲的情況，分析了開口大小和來流速度對剪切振蕩的影響、腔體結(jié)構(gòu)彈性對腔體自噪聲和輻射噪聲的影響，以及腔體模態(tài)與剪切振蕩模態(tài)耦合等情況，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）通過剛性壁腔體與彈性壁腔體的噪聲比較，發(fā)現(xiàn)在未發(fā)生開孔和空腔耦合共振時，腔體壁面厚度只略微影響剪切振蕩量級，剪切振蕩模態(tài)頻率與腔壁厚度無關(guān)。

2）空氣中的開孔剪切振蕩經(jīng)驗公式同樣適用于水中的情況，剪切振蕩頻率與來流速度呈正比。

3）在特定的開口和來流速度下，剪切振蕩模態(tài)與彈性腔壁模態(tài)耦合會產(chǎn)生劇烈的諧頻共振，以及極大的自噪聲和輻射噪聲，因此在設(shè)計開孔和腔體時，應(yīng)該挑選合適的開孔大小和腔壁厚度等，以避免此類情況發(fā)生。

［1]LAULAGNET B.Sound radiation by a simply support?ed unbaffled plate［J］.The Journal of the Acoustical Society of America，1998，103（5）：2451-2462.

［2]PUTRA A，THOMPSON D J.Sound radiation from per?forated plates［J］.Journal of Sound and Vibration，2010，329（20）：4227-4250.

［3]BURROUGHS C B，STINEBRING D R.Cavity flow tones in water［J］.The Journal of the Acoustical Soci?ety of America，1994，95（3）：1256-1263.

［4]HANKEY W L，SHANG J S.Analyses of pressure os?cillations in an open cavity［J］.AIAA Journal，1980.18（8）：892-898.

［5]陳美霞，杜磊，陳樂佳，等.基于邊界元法的平板結(jié)構(gòu)聲振性能數(shù)值計算［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報（交通科學(xué)與工程版），2009，33（6）：1048-1051.CHEN M X，DU L，CHEN L J，et al.Numerical calcu?lation on vibration and sound radiation of a simply sup?ported plate based on BEM［J］.Journal of Wuhan Uni?versity of Technology（Transportation Science&Engi?neering），2009，33（6）：1048-1051（in Chinese）.

［6]趙志高，黃其柏，何锃.基于有限元邊界元方法的薄板聲輻射分析［J］. 噪聲與振動控制，2008，28（1）：39-43.ZHAO Z G，HUANG Q B，HE Z.Sound radiation analy?sis of thin plate based on FEM and BEM method［J］.Noise and Vibration Control，2008，28（1）：39-43（in Chinese）.

［7]李林凌，黃其柏，喬宇鋒.薄板在不同媒質(zhì)中振動及聲輻射特性研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，35（3）：67-69.LI L L，HUANG Q B，QIAO Y F.Vibration and sound radiation characteristic of the thin plate in different sur?rounding media［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology（Nature Science），2007，35（3）：67-69（in Chinese）.

［8]邱昌林，陳志剛，鄧軼，等.開孔平板水下振動及聲輻射特性［J］. 中國艦船研究，2013，8（6）：75-80.QIU C L，CHEN Z G，DENG Y，et al.The characteris?tics of vibration and sound radiation of underwater per?forated plates［J］.Chinese Journal of Ship Research，2013，8（6）：75-80（in Chinese）.

［9]張媛，傅成，孟春玲.開孔對薄板振動頻率影響的有限元分析［J］. 機(jī)械設(shè)計與制造，2005（7）：127-128.ZHANG Y，F(xiàn)U C，MENG C L.Finite element analysis on the effect of cutout to the natural frequencies of thin plate［J］.Machinery Design&Manufacture，2005（7）：127-128（in Chinese）.

［10]張楠，沈泓萃，朱錫清，等.基于大渦模擬和Kirch?hoff積分方法的孔腔流動發(fā)聲機(jī)理分析［J］.船舶力學(xué)，2011，15（4）：427-434.ZHANG N，SHEN H C，ZHU X Q，et al.Analysis of the mechanism of cavity flow induced noise with large eddy simulation and Kirchhoff method integral［J］.Journal of Ship Mechanics，2011，15（4）：427-434（in Chinese）.

［11]王棟，鐘習(xí)建，禹志剛.開孔對矩形板動力性能影響分析［J］. 噪聲與振動控制，2009，29（6）：53-57.WANG D，ZHONG X J，YU Z G.Effects of a cutout inside a rectangular plate on the plate dynamics［J］.Noise and Vibration Control，2009，29（6）：53-57（in Chinese）.

［12]ROSSITER J E.Wind tunnel experiments on the flow over rectangular cavities at subsonic and transonic speeds［R］.Farnborough：Royal Aircraft Establish?ment，1964.

Experiments of opening and cavity shear flow-induced vibration and structural coupling resonance

XIONG Jishi1，LV Shijin2，QIU Changlin1，WANG Chunxu1，CHEN Zhigang1
1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China 2 China Ship Scientific Research Center，Wuxi 214082，China

In order to discuss opening and cavity shear flow-induced vibration and structural coupling resonance,experiments of opening and cavity shear flow-induced vibration and structural noise control are carried out.The impact of the opening size,flow velocity and cavity thickness on shear oscillation noise,self-noise in the cavity and radiated noise are analyzed.The results show that the empirical formula of the opening shear oscillation in air is also applicable to the condition underwater,which the shear oscillation and amplitude of modal frequencies are directly proportional to the flow velocity;in case that no coupling resonance occurs,the thickness of the cavity wall will bring slight influence on the amplitude of the shear oscillation,but not on the mode frequencies;also the coupling of shear oscillatory mode and cavity wall mode show dramatic coupling resonance under certain conditions,and leads to self-noise and acoustic radiation.The findings supply useful exploration and technical support concerning the application of opening and cavity structural noise control measures.

shear oscillation；elastic walls；coupling resonance

U661.44

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.04.018

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170727.1032.036.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

熊濟(jì)時，呂世金，邱昌林，等.流激開孔和空腔結(jié)構(gòu)耦合振動噪聲試驗研究［J］.中國艦船研究，2017，12（4）：117-121.

XIONG J S，LV S J，QIU C L，et al.Experiments of opening and cavity shear flow-induced vibration and structural coupling resonance［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（4）：117-121.

2017-04-06< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間：

時間：2017-7-27 10:32

國家部委基金資助項目

熊濟(jì)時（通信作者），男，1977年生，博士，工程師。研究方向：振動與噪聲控制。

E-mail：xiong26@163.com