流致噪声机理及预报方法研究综述

从自由湍流噪声、壁面湍流噪声、转子噪声和空腔流动4 个方面对流致噪声机理及预报方法进行综述。对目前工程应用中的3个主要流致噪声预报方法,即Lighthill声比拟理论、Kirchhoff方法和涡声理论的基本原理及适用性进行详细讨论,并对流致噪声数值模拟方法进行总结。其中,Lighthill声比拟理论属噪声源先验理论,虽方便应用但不能描述声流相互作用基础问题;Kirchhoff方法在运用的过程中虽不需要确切获知源的属性,但声源区的计算精度很重要;涡声理论在声流相互作用等领域有着良好的研究前景。自由湍流噪声以四极子雷诺应力源为主,存在如螺旋桨等固壁边界时则会产生偶极子源,在低马赫数流动中是更为有效的声源。     

基于涡声理论的水下射流噪声预报

湍流噪声是潜艇重要的水下噪声源.以水下自由湍射流为例,探讨其噪声机理和预报方法,构造了Powell涡声理论和CFD方法相结合的算法.首先讨论了Powell涡声方程和Howe的涡声方程的解法;作为算例,用CFD软件FLUENT中标准k-ε计算湍射流场,以此作为近场声源;随后,运用Powell涡声和Howe的涡声方程理论对远场噪声谱进行预估,给出了辐射噪声指向性比较,并分析了自由射流场声辐射机理.     

基于Lighthill声类比的流激噪声三维计算及验证

随着舰艇管路系统中阀门、泵及弯管等部件流激噪声问题的日益突出,水动力流激噪声数值计算方法逐渐受到关注。针对阀门的流动诱导噪声问题,文章结合大涡模拟和Lighthill声类比理论,建立了流激噪声混合计算方法并对类阀空腔模型进行了数值模拟和验证。首先,流场采用大涡模拟计算了低马赫数下三维类阀空腔模型的非定常流动。然后,将流场计算结果导入ACTRAN,通过ACTRAN中基于有限元/无限元的Lighthill声类比理论对流噪声进行求解。最终将流激噪声计算结果与声学试验进行了对比分析。对比结果表明,该流激噪声混合计算方法可行且计算结果可靠,可应用于水动力噪声的研究。     

基于LES与Powell涡声理论的孔腔流激噪声数值模拟研究

孔腔流动中含有复杂的流体振荡,不但能够引起明显的噪声,而且会造成物体脉动压力和阻力的急剧增加,因而孔腔流动与流激噪声已经成为流声耦合研究领域的重要内容。文章首先对于Powell涡声理论进行了介绍,给出了涡声方程及其求解的详细推导过程,随后利用圆柱/机翼组合体与方腔流激噪声测试结果验证了计算方法的可靠性,最后采用大涡模拟方法结合Powell涡声方程数值计算了两型孔腔在不同水速下的流激噪声,并与中国船舶科学研究中心循环水槽试验结果进行了对比分析,结果表明数值计算方法能够较准确地预报孔腔流激噪声,并能展示孔腔内外涡旋结构。计算结果表明:在500 Hz以下的低频段,格栅1型孔腔的流激噪声显著高于格栅2型孔腔;在500 Hz-10 k Hz高频段,格栅2型孔腔流激噪声比格栅1型孔腔高,但随着流速的增高,两种孔腔流激噪声在高频段的幅值基本一致。这些现象与孔腔内的涡旋结构密切相关。文中对孔腔流激噪声的数值预报方法进行了验证,有益于理解孔腔非定常流动的物理机理,且为抑制孔腔流激噪声奠定了基础。     

管路声学测试中声与湍流脉动压力的分离研究

流动机械和阀件等管路声源的水动力噪声特性通常采用管测法进行。在管壁上嵌入的水听器同时接收到来自声源的"真声"和局部湍流脉动压力产生的"伪声"信号,因此有必要将二者分离,比较其量值和频谱特性,消除伪声对真声测量的影响。针对"真声"和"伪声"互不相干的特点,应用互谱和相干分析方法,建立了声与脉动压力分离的数据处理算法。对不同转速水泵在管内产生水动力噪声的测试结果进行数据处理和分析,结果表明,分离获得的湍流脉动压力谱与已有的理论研究结果一致,且量值远低于真声信号,对声源测试影响可以忽略。     

自由空间中点涡粘性衰减过程中的声辐射及其频谱分析

本文利用奥辛涡(Oseen vortex)模型,应用涡声理论研究了自由空间中点涡粘性衰减过程中的声辐射问题,并在此基础上进行了频谱分析.经分析知点涡粘性衰减过程的外声场具有窄频段、频谱分布曲线峰值特征明显等特点,其远场声压及其频谱分布情况与粘性系数有一定的关联.     

基于声模拟理论的水下自由射流场噪声预报

喷水推进器喷注噪声是潜艇重要的水下噪声源.该文旨在研究类似的水下自由射流场噪声机理和预报方法.构造了声模拟理论和CFD方法相结合的算法;详细推导了Lighthill声模拟理论噪声预报的原理;用Reynold 平均法采用κ-ε模型对水下自由射流场进行数值模拟,并以此作为近场声源;随后,运用Lighthill声模拟理论对远场噪声进行预估,并分析自由射流场声辐射机理.     

艇桨耦合状态螺旋桨水动力与噪声数值预报方法研究

本文给出了基于大涡模拟(LES)与Powell涡声理论的艇桨耦合状态螺旋桨水动力与噪声数值预报方法.首先描述了LES方法与Powell涡声理论及其声学远场解;然后利用LES结合滑移网格计算了AU5-65螺旋桨敞水工况的水动力,得到了推力系数、扭矩系数与敞水效率,给出了螺旋桨梢涡、叶根涡、毂涡的流动结构空间分布,又计算了SUBOFF潜艇带AU5-65螺旋桨自航工况水动力,获得了实效伴流分数、推力减额与相对旋转效率等自航因子,分析了螺旋桨在艇后旋转时的涡旋结构,并将敞水与自航水动力计算结果与试验结果进行了对比分析,验证了流动计算方法的可靠性;最后,在对流动声源数值计算的基础上,对敞水与自航工况下的螺旋桨噪声进行了数值预报,并与试验结果进行了对比分析,分析了声压谱谱型与幅值,辨识了艇桨耦合流动对于螺旋桨噪声的影响,验证了数值预报方法的适用性与可靠性.     

用大涡模拟方法研究湍流边界层流动噪声

利用大涡模拟方法,对刚性光滑平板上充分发展的低马赫数湍流边界层流动进行了数值模拟.在此基础上将时一空变化的湍流流场信息作为近场声源,运用Lishthill的声学类比理论计算了边界层辐射噪声.文中讨论了偶极子、四极子对噪声的贡献,通过对比它们的功率谱密度,认为壁面剪切应力(偶极子)是湍流边界层辐射噪声的主要来源.     

水动力噪声计算方法综述

  目的  根据Lighthill声类比方程及其发展理论,可以将壁面湍流脉动压力的波数-频率谱作为声源项来预报流噪声,且分析湍流脉动压力的波数-频率谱有助于了解湍流结构的时空关联特性。  方法  以NACA 0012翼型为例,采用大涡模拟（LES）方法进行流场仿真计算,然后通过Fourier变换得到壁面湍流脉动压力波数-频率谱的数值解,并与Corcos的平板湍流边界层脉动压力波数-频率谱模型进行比较;在此基础上,将该波数-频率谱作为声源输入,代入Goldstein版本的声类比方程中预报辐射噪声,并与软件计算的流噪声结果以及Brooks试验拟合结果进行比较。  结果  结果发现：小曲率变化的NACA 0012翼型表面的波数-频率谱具有与平板表面相似的一般特性;在中、低频段采用该方法预报的流噪声结果与Brooks试验结果拟合更好。  结论  所得结果表明开展波数-频率谱研究是有必要的,将其作为主要声源项来预报亚声速下产生的流噪声是合理的。     

界面声波反射特性在船舶甲板装备噪声测试中的应用分析

针对船舶甲板大型装备噪声测试问题,根据声学原理论述了空气-液体、固体二类界面声波反射特性,当液体或固体横波声阻抗与空气声阻抗之比大于等于2000时,声波通过空气到液体或固体界面时,至少99.8%的声能量被反射。在此基础上,对船舶甲板大型装备噪声在陆地上与在船舶甲板上声场中声压级的差异进行了分析。     

绿色船舶的现状和发展前景分析

  目的  声学包是通过对基体材料、阻尼材料、吸声材料和隔声材料的组合设计,完成预定降噪效果的声学部件,是未来船舶舱室低噪声设计的关键技术。  方法  提出一种声学包性能评估的统计能量数值模型,用于解决船用声学包设计与快速评估问题。建立声学包选型及其在舱室中的配置优化设计模型及数学列式,采用遗传算法求解声学包选型与配置优化问题。  结果  通过实例,验证了所提出模型及设计方法的有效性。  结论  研究成果对于实现声学包优化设计工作的标准化和程序化,有效减少声学包降噪设计成本具有参考价值。     

基于声辐射模态理论的声场分离技术

为了消除复杂声场中干扰噪声对于近场声全息重建精度的影响,该文提出了一种基于单层阵列测量的声场分离技术.当目标声源和干扰噪声源为相干声源时,利用源强密度声辐射模态分析理论建立了声源与辐射声场的数学关系模型,通过对单层阵列测量的声压数据进行空间重采样得到两组子数据,构造各组子数据与目标声源和干扰噪声源的声辐射模态之间的数学公式,再求解公式中目标声源的各阶声辐射模态的展开系数,可重构目标声源在阵列处的声场响应,达到声场分离的目的.刚性脉动球声源与刚性脉动球干扰源、平板声源与刚性脉动球干扰源的数值仿真及对影响该方法的相关参数进行了详细研究,相关结果表明该方法具有较好的有效性和正确性.     

一种识别声源噪声辐射区域的方法

针对大型结构体的声辐射问题,提出了一种利用声辐射模态识别声源表面的噪声辐射区域的方法。分析了各阶声辐射模态对声源的辐射声功率的贡献量,找出了对远场辐射声功率贡献最大的几个主要的声辐射模态,然后利用这几个主要的声辐射模态重建声源表面法向振速,通过声源表面法向振速的重建结果实现了声源表面噪声辐射区域的识别。通过对平板声源在几种不同频率下的噪声辐射区域的仿真分析验证了文中方法的正确性。该文方法对于确定特定频率下声源表面的噪声辐射区域,从而进一步进行辐射噪声控制具有积极的意义。     

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。     

流激噪声数值计算方法及声学积分面影响性研究

在流声耦合领域中,水下航行体复杂流动与流激噪声研究具有重要的学术意义与实用价值。文章对FW-H声学类比方法、渗流FW-H声学类比方法、Kirchhoff方法与Powell涡声理论进行了物理内涵与数学公式的详细比较;然后利用大涡模拟结合四种声计算方法数值计算了三维NACA0015机翼、机翼/圆柱结合体、方腔产生的流激辐射噪声,并与国内外试验结果进行了对比,分析了四种声计算方法的计算精度与计算效率;最后,对围壳流激噪声进行了数值预报与试验验证,计算了围壳在不同水速下的流激噪声变化规律,并探讨了声学积分面对计算结果的影响。     

加筋圆柱壳结构振动与辐射噪声关系分析

采用传递函数法和声传递矢量(ATV)得到了加筋圆柱壳从结构测点加速度到声场测点声压的声辐射传递函数,以及结构测点加速度到辐射声功率之间的传递函数。通过对两个加筋圆柱壳结构的振动与辐射噪声关系的数值分析,讨论了结构测点加速度与辐射噪声之间的相互关系,结果表明结构测点加速度与辐射声功率和辐射声压之间并非单调关系。