开口与空腔流激声共振及声辐射研究综述

水下航行体表面边界层流经腔口时,剪切振荡与空腔声模态耦合共振产生的线谱噪声是流激噪声的一种主要机理。文章针对腔口剪切振荡及其与空腔声场耦合共振和声辐射的机理及基本特征,归纳梳理了国内外的研究现状,概述了空腔及腔口流动和声辐射控制的主要途径和方法,并提出了流激空腔噪声研究的主要问题。     

流激开孔和空腔结构耦合振动噪声试验研究

[目的]为了研究流激开孔和空腔结构耦合振动噪声,[方法]采用模型试验方法,通过改变孔腔开口大小、来流速度和腔体厚度等,分析其对剪切振荡噪声、腔体自噪声和辐射噪声的影响。[结果]研究表明:空气中的开孔剪切振荡经验公式同样适用于水中情况,剪切振荡频率和剪切振荡量级均与来流速度呈正比;未发生开孔和空腔耦合共振时,腔体壁面刚度仅略微影响剪切振荡量级,而不影响剪切振荡模态频率;在特定的开口和流速下,剪切振荡模态与弹性腔壁模态耦合,产生剧烈的谐频共振以及极大的自噪声与辐射噪声。[结论]研究结果可为潜艇舷外开孔和附近结构设计,以及孔腔结构噪声控制提供有益的探索和技术支撑。     

加肋圆柱体水下低频辐射声特性研究

为掌握不同激励下加肋圆柱体水下低频辐射声频谱特征,揭示辐射声峰值对应的优势模态及弯纵耦合现象规律,该文利用三维水弹性声辐射计算方法,针对加肋圆柱体的梁模型和有限元壳模型,计算分析其水下不同激励的声源级传递函数,分析声源级曲线峰值与单个模态声源级分量的对应关系,得出垂向激励时,辐射声峰值对应于垂向弯曲模态;轴向激励时,辐射声峰值对应于轴向模态,同时运用壳模型计算结果发现梁模型所不能反映的弯纵耦合现象。比较了不同激励辐射声源级传递函数,得出所分析频带内,轴向单位力激励总声级比垂向略大。并比较不同模型的结果,指出梁模型的适用范围。     

局部开孔深腔流噪声发声机理研究

针对目前水动力声学领域的孔腔流噪声研究大都基于单孔全开口模型的局限性,本文基于大涡模拟-声类比混合方法对局部开孔深腔体模型的孔腔流噪声发声机理进行研究。首先,对流场涡量、压强变化进行分析,得到涡结构的不断运动迁移和腔体孔壁后缘的碰撞发声构成的涡-声反馈是不同测点之间所测压强周期一致、相位不同的原因;其次,对不同测点的压强功率谱、空腔内声学模态频率进行分析,得到孔后壁上缘区域的压力脉动是局部开孔深腔体自持振荡发声的主要声源;最后,将所测声场特征线谱频率与经验公式的预测结果进行对比,验证了仿真结果的准确性。     

不同壳体结构的加肋圆柱体声辐射特性分析

文章针对单层壳和双层壳加肋圆柱体,计算比较了在纵向单位力和垂向单位力激励下辐射声曲线。模型采用了自由边界条件。采用了三维水弹性方法,处理结构与流体之间的耦合问题。通过分析辐射声曲线的峰值与单个模态辐射声分量的关系,得出了对辐射声有主要贡献的优势模态。通过比较两种结构形式的辐射声曲线,得出各自声学性能的优缺点,对设计优化低噪声加肋圆柱体结构有着重要指导意义。     

含损伤加筋板结构声辐射模态变异研究

本文采用声辐射模态的有关理论,用结构的声辐射模态参数来表征结构本身的固有声辐射特性.以加筋板结构为例,计算不同加筋情况和结构不同损伤情况下的声辐射模态.基于Mindlin理论,建立描述健康和损伤的四结点有限元板壳单元模型,采用有限元方法计算结构表面动力响应.各向同性损伤单元,采取刚度各向整体弱化的方法分析;对于各向异性损伤单元,采用K8chanov理论,引人了x和y两个方向的弹性损伤折减系数.考虑到不同损伤存在形式,计算分析了损伤对振动频率、模态以及声辐射模态的影响.文章建立了一种含损伤结构的分析方法,通过对一些典型算例分析,在评价损伤对船舶与海洋结构物常用的加筋结构声辐射特性影响方面做出了一定的探索.     

小水线面双体船螺旋桨激励船体振动研究

文章研究了小水线面双体船的桨—轴—船体耦合系统在螺旋桨受宽带力激励下的纵向振动特性。建立了考虑周围流体介质作用的桨—轴—船体动态耦合系统的声振数值计算模型,经实船试验表明计算结果与试验结果吻合较好。采用该模型计算分析了桨—轴—船体耦合系统的振动特性。作用在螺旋桨上的激励力传递到船体时,受到轴系子系统的调制作用及推力轴承基座结构的刚度影响,在轴系一阶和二阶纵向振动模态处出现动力放大;考虑螺旋桨的弹性变形时,激励力在螺旋桨的桨叶若干纵向振动模态频率上也出现了明显的放大。在这些低频段的振动模态频率上,船体结构受放大的激励力作用,容易产生共振及声辐射。     

考虑流体加载效应的板结构声辐射损耗因子和辐射效率的计算分析

采用有限元法和Rayleigh积分耦合方法对考虑流体加载效应的板的结构声辐射损耗因子和声辐射效率进行了计算分析,其中结构振动模态的声辐射损耗因子和声辐射效率分别基于模型降阶的结构模态参数识别方法和考虑流体附加质量的实模态进行计算。对板在空气和水中的声辐射损耗因子和辐射效率进行了计算,计算结果表明：板的奇奇振动模态的声辐射损耗因子远大于其他类型模态;板奇奇振动模态在空气中的声辐射损耗因子远小于水中的声辐射损耗因子,约差一个数量级;板在水中的声辐射损耗因子远大于板的结构损耗因子,空气的声辐射损耗因子与结构损耗因子相当;空气中的声辐射效率比水中的声辐射效率约高两个数量级。     

声激励水下旋转壳体振动和声辐射的数值预报

本文将有限元加边界元——修正的模态分解法推广到对水下任意形旋转壳体在近场声源激励下振动和声辐射的数值预报问题。以长短轴比为2:1的水下椭球薄壳的声激励问题为例进行了具体计算,其中声源为置在椭球壳端部附近轴线上的单极子或偶极子型点声源。给出了椭球壳弹性振动的辐射声和总辐射声的指向性计算结果,并与把椭球壳作为刚性体的计算结果进行比较。结果表明:在总声场指向性的预报中,如果不考虑椭球壳弹性振动产生的辐射声将会导致大的误差,特别当激励源频率在壳体的谐振频率附近时,壳体辐射声对声场的贡献远远大于声源本身的贡献。     

三维浮体声弹性问题的一些研究

在经典的三维水弹性力学理论的基础上,考虑水介质的可压缩性,形成通常所说的水中声弹性理论.提出带航速和考虑自由液面影响的,承受机械和波浪等多种载荷激励下的浮体流固耦合振动及水下辐射噪声计算方法;并介绍了一种消除简单源数值算法中非规则频率现象的方法.针对无限大流体中的弹性球壳结构声辐射模型进行一系列数值计算,通过与解析结果的比较,验证了计算方法的正确性.在此基础上,计算了一机械激励下双层加筋圆柱壳的水下辐射噪声,并根据数值结果,对近、远场声特性进行了讨论.     

随机面激励的非规则声腔自噪声计算方法研究

舰船声呐罩以及舱室、车厢等常见的非规则声腔受湍流边界层脉动压力随机面激励产生的水(气)动力噪声,已经或将成为声呐自噪声和舱室噪声的主要成因。文中以一个非规则形状的三维声腔为例,考虑声腔结构振动与内外声场的耦合,采用虚拟膜技术和集成模态法以及功率谱密度概念,建立了声腔受湍流边界层脉动压力随机面激励的自噪声计算模型和方法。数值计算分析表明:虚拟膜技术和集成模态法可用于舰船声呐罩以及列车和汽车车厢等非规则声腔自噪声计算的声学建模,预报声腔内部水动力噪声或气动力噪声的低中频分量,具有数值方法能够模拟复杂形状声腔和解析方法相应的声振耦合方程维数少的优点。     

弹性背腔穿孔管水消声器有限元分析

为提高穿孔管水消声器的消声性能,利用结构声耦合数值分析模型探究弹性壁与水介质的耦合作用对消声器传递损失的影响,分析弹性背腔腔壁的厚度和弹性模量以及采用弧形背腔时的弧形半径对消声性能的影响。数值分析研究结果表明:较刚性背腔条件下,弹性背腔穿孔管水消声器的低频吸声效果得到明显提高;减小弹性背腔壁的厚度和采用更小弹性模量的橡胶材料,或者采用较小半径的弧形弹性背腔可以降低弹性背腔穿孔管水消声器的吸声频率。同时,吸声效果也得到提高。     

Calculation method of underwater acoustic and vibration response of cabin segment based on onshore vibration test北大核心CSCD

[Objective]This paper proposes a method for calculating the acoustic and vibration response of underwater cylindrical shell structures based on land-based vibration test results.[Methods]An axisymmetric boundary element method (BEM) is introduced to describe the radiation acoustic field of the shell. The relationship of acoustic pressure at the nodal point of the generatrix with velocity is obtained by solving the numerical solution of the boundary element integral equation, then the acoustic radiation impedance matrix of the outer surface of the shell and acoustic transfer vector (ATV) are constructed. Based on the assumption that the low-order vibration mode of an underwater cylindrical shell is the same as that of an onshore cylindrical shell, combined with the modes and acoustic radiation impedance matrix of an onshore cylindrical shell, the modal added mass and damping are calculated. [Results]The natural frequency calculation formula of the underwater cylindrical shell is established on the basis of the onshore mode, and the calculation method of underwater vibration response and acoustic radiation characteristics with the vibration response in air as input is obtained based on mode superposition method.[Conclusion ] The numerical results of a typical cylindrical shell with internal structure show that the method meets the engineering accuracy requirements. © 2023 Chinese Journal of Ship Research. All rights reserved.     

弹性板-圆柱壳水下声辐射特性及影响因素

弹性板-圆柱壳结构是工程领域常用的结构之一,其振动和声辐射特性是目前关注的重点。通过Abaqus 软件建立弹性板-圆柱壳耦合结构模型,采用三维声弹性理论计算其振动和水下声场分布,并研究降低声辐射的途径。结果表明,弹性板-圆柱壳水下辐射声场具有明显的对称性,辐射声压级受弹性板振动影响显著;通过提高弹性板厚度,采用 L 形截面的加强筋和在圆柱壳水平中面位置布置单层弹性板可有效降低圆柱壳水下声辐射。     

结构声辐射的声功率模态分析研究

采用声功率模态对结构声辐射的分析和控制进行研究。基于声功率的二次型表达式和Rayleigh积分建立辐射声功率与激励力之间的关系,并在此基础上得出以力为变量的声功率表达式。以板结构声辐射为例,分析声功率模态的振型、声功率模态下的声功率计算和模态截断,并讨论结构声辐射的声功率模态控制方法。通过声功率模态与结构振动模态和结构声辐射模态的对比,系统地阐述声功率模态的特点。     

计及空腔能量耗散的尖劈结构声学特性研究

以喇叭型空腔为例分析了声波在尖劈空腔中的传播规律,给出了计及空腔能量耗散作用的尖劈结构吸声系数计算方法,通过声管测试验证了本文算法的有效性。在此基础上,通过数值试验预报了声呐平台区振动及自噪声分布,对比分析了空腔尖劈敷设方案对其声学特性的影响。结果表明:空腔对较低频段声波能量吸收有很大作用,在3 kHz以下频段计算空腔尖劈吸声性能时必须予以考虑;敷设空腔尖劈的声呐平台区的振动及自噪声总声压级显著降低,尖劈部分优化敷设既要兼顾声呐基阵位置处的声压分布。     

不等间距分舱结构声辐射特性研究

研究舱段结构振动、声辐射特性随分舱形式改变的变化规律,对潜艇结构声学优化设计具有十分重要的意义。从结构声学设计的角度出发,在保持相邻两个舱段总长度不变的情况下,调整两个舱段的长度,采用结构有限元法、结构有限元耦合流体边界元方法,以辐射声功率、湿表面均方法向速度和辐射效率作为衡量结构噪声辐射能力的主要衡量指标,系统地研究整个结构振动和声辐射特性。在流体部分的计算中,采用网格重叠算法,以提高计算效率。通过调整分舱形式,在一定频段,改变了整个舱段结构振动声学传递函数的谱峰频率,降低了谱峰幅值,因此,可以通过改变分舱形式以改变舱段结构声学特性,使设备激振力的谱峰频率与结构振动声学传递函数的谱峰频率错开,实现对辐射噪声的控制。     

有自由液面的陷落式圆腔流噪声实验研究

采用基于经验模态分解(EMD)的本征模态函数(IMF)分析法和对比实验法研究了有自由液面的陷落式圆腔的流噪声,实验流速为0.4m/s~2.0m/s,间隔0.2m/s。实验发现当流速为0.4m/s~0.6m/s时,腔内液体有明显的振荡现象,其表现形式为液体沿腔内深度方向的大幅上下运动,称为“活塞(Piston)”现象。当流速大于等于0.8m/s时,腔内无振荡现象出现。通过对背景噪声和腔流噪声的本征模态函数作对比分析,得到了腔内流噪声的特性。     

有限水深下舱段模型水下声辐射圆柱形阵列测量研究

在水面舰艇的研发阶段,随着对其声隐身性能指标的提高,一般采用数值仿真或者舱段模型试验来考核并优化其声学设计。对于舰艇水下声辐射预报方法,也会利用舱段模型试验来验证。考虑试验成本、操作便利性和背景噪声等因素,一般将舱段模型放置在露天水池进行水下辐射噪声测量,因此开展舱段模型在有限水深露天水池的水下声辐射测量研究非常有必要。为了分析有限水深露天水池中舱段模型水下辐射噪声圆柱形阵列测量方案的合理性,本文对在2种水域模型的封闭半圆筒结构水下声辐射进行数值仿真,并对小水线面双体船缩比模型进行了露天水池试验和噪声估算。分析计算和实测结果,验证了有限水深露天水池中舱段模型水下辐射噪声圆柱形阵列测量方案的合理性。该研究成果对于露天水池中舱段模型水下辐射噪声测量试验具有指导意义。