有限水域试验场声传播特性的仿真计算与试验

在有限水域试验场中进行大型复杂结构的水下声振试验,声信号测量和数据处理是关键。天然水域边界条件未知,水文环境复杂,仿真难度高,增加了数据处理难度。采用Matlab和VB混合编程软件AcTUP,分析试验场"沉积层和水位"的选取原则,得到与试验值较为吻合的仿真模型。通过仿真计算,得到固定深度声源的"无因次量纲"参数、固定水深的声源位置及水面粗糙度对试验场声传播损失的影响规律,并基于射线声学理论对试验值和仿真值的偏差进行非相干分析,得到了有限水域试验场的基本声传播特性。     

浅海水下声源辐射声场

目前,我国大部分声学测试试验在浅海海域进行,浅海声波导的多途效应、声速梯度的变化对声传播产生直接的影响。通过射线声学模型对不同频率的声源在浅海等声速梯度和温跃层声速梯度环境下辐射声场和声传播衰减特性进行仿真研究,给出声场分布图和传播损失变化曲线图,得到声场分布和传播损失随声源频率的变化规律。     

浅海声速剖面和沉积层对低频声传播损失的影响

基于波数积分方法,针对浅海3种典型声速剖面和细砂、粉砂及黏土-粉砂3种沉积层,利用快速场程序得到低频声在近程和远程的传播损失。数值结果表明:声速剖面在近距离上对传播损失没有显著影响,远距离上负梯度、负跃层分布时的传播损失明显高于等声速分布的传播损失;沉积层在近距离和远距离对传播损失都有较明显的影响,远距离时沉积层的衰减系数起重要作用。     

敷设阻尼有限板在半空间中声散射的试验研究

以敷设阻尼的铝板为研究对象,利用声学测量系统,考察了在声束作用下敷设阻尼铝板的声散射特性.试验结果表明:近场障板的声散射特点是声源距离障板越近插入损失越大,敷设阻尼障板的插入损失要比无阻尼障板的大.阻尼层面向声源时的隔声效果优于阻尼层背离声源.远场测量结果表明障板在远场的指向性不明显,趋于均匀分布.     

舰船辐射声场及声源特性测量方法研究综述

舰船辐射声场及声源特性测量是船舶声学研究的主要方向。文章梳理了舰船模型和实船声学测量的基本问题,重点综述了频响逆矩阵法、无限与有限空间波束形成、无界近场声全息、有界空间近场声全息和远场声全息、声强和声矢量及时反声聚焦等测量方法的发展脉络和取得的进展。     

基于近场声全息技术的声对接装置

声对接技术以平面近场声全息理论算法为基础,利用声传播的近场特性,在一定的介质条件下来模拟声场远场传播特性的技术。在近场条件下,平面近场声全息技术能够针对不同的测试频率范围以及声场分布等要求,计算出相应的传输介质厚度以及对接阵阵元分布等参数,从而设计出声对接阵。通过仿真验证,采用平面近场声全息技术设计的声对接阵完全能够满足与水中兵器基阵实现声对接的要求。     

螺旋桨脉动压力及噪声特性的数值模拟研究

采用LES方法结合FW-H声学模型计算分析了螺旋桨的近场脉动压力和远场声辐射特性。近场脉动压力分析结果表明:脉动压力频谱特性在桨盘面和桨轴方向存在差异,脉动压力幅值随着距离增大迅速衰减;若要得到螺旋桨远场辐射噪声,声压接收点的位置需至少距离螺旋桨10倍直径。远场噪声指向性分析结果发现:声压总级在桨轴纵向平面呈现椭圆形分布,轴向总声级比盘面周向大。此外,噪声频谱特性的分析结果发现,桨盘面和桨轴方向声辐射频率特性也存在差异。     

螺旋桨脉动压力及噪声特性的数值模拟研究

采用LES方法结合FW-H声学模型计算分析了螺旋桨的近场脉动压力和远场声辐射特性.近场脉动压力分析结果表明:脉动压力频谱特性在桨盘面和桨轴方向存在差异,脉动压力幅值随着距离增大迅速衰减;若要得到螺旋桨远场辐射噪声,声压接收点的位置需至少距离螺旋桨10倍直径.远场噪声指向性分析结果发现:声压总级在桨轴纵向平面呈现椭圆形分布,轴向总声级比盘面周向大.此外,噪声频谱特性的分析结果发现,桨盘面和桨轴方向声辐射频率特性也存在差异.     

冰中纵波声速测量方法研究

冰中声速对冰层覆盖下海洋信道声传播特性及水中目标声特性研究具有重要意义。由于气泡、卤水、杂质等因素的影响,不同冰介质的物理性质存在较大差异,导致冰中声波的传播速度有所不同。本文对冰介质中纵波声速开展测量方法研究,采用直达法测量渤海湾冬季海冰、内陆湖中淡水冰及人造淡水冰纵波声速,测量结果表明海冰中纵波声速约为3 360±162m/s,湖冰3 772±57m/s,人造淡水冰3 729±23m/s,结果可为冰介质声学特性、冰层下声传播特性及冰区目标声特性相关研究提供参考。     

有限浸深圆柱壳振动及远场声辐射的解析方法

[目的]针对目前对于自由液面影响下圆柱壳—流场耦合系统振动及声辐射解析研究的匮乏,提出一种有限浸没深度下有限长圆柱壳振动及远场声辐射的解析求解方法。[方法]采用镜像原理和Graf加法定理得到流体速度势的解析表达式,然后再结合能量泛函变分方法推导出计及自由液面影响的壳—液耦合振动方程,从而可以求解系统受迫振动响应。[结果]研究表明,相比于无限域,自由液面的存在会增大同阶次共振频率,但随着浸没深度的逐渐增加,均方振速很快趋于无限域工况。与Nastran软件计算结果对比表明所提出的方法准确、可靠,且具有方法简便、计算量小的优点。利用求得的振动响应,通过傅里叶变换和稳相法可得到远场辐射声压,计算结果表明,自由液面会使得远场声压指向性和波动性出现类偶极子效应;但是不同于振动特性,远场声压并不会随浸没深度增大而很快趋于无限域工况。[结论]所提出的方法实现了外力激励下计及自由液面影响的水下圆柱壳远场声辐射快速预报,对于半空间结构声振问题的研究具有一定的指导意义。     

有限浸深圆柱壳振动及远场声辐射的解析方法北大核心CSCD

[目的]针对目前对于自由液面影响下圆柱壳—流场耦合系统振动及声辐射解析研究的匮乏,提出一种有限浸没深度下有限长圆柱壳振动及远场声辐射的解析求解方法。[方法]采用镜像原理和Graf加法定理得到流体速度势的解析表达式,然后再结合能量泛函变分方法推导出计及自由液面影响的壳—液耦合振动方程,从而可以求解系统受迫振动响应。[结果]研究表明,相比于无限域,自由液面的存在会增大同阶次共振频率,但随着浸没深度的逐渐增加,均方振速很快趋于无限域工况。与Nastran软件计算结果对比表明所提出的方法准确、可靠,且具有方法简便、计算量小的优点。利用求得的振动响应,通过傅里叶变换和稳相法可得到远场辐射声压,计算结果表明,自由液面会使得远场声压指向性和波动性出现类偶极子效应;但是不同于振动特性,远场声压并不会随浸没深度增大而很快趋于无限域工况。[结论]所提出的方法实现了外力激励下计及自由液面影响的水下圆柱壳远场声辐射快速预报,对于半空间结构声振问题的研究具有一定的指导意义。     

基于空间谐波分析的典型加筋板结构声振特性

[目的]单向周期加筋板在船舶结构中应用广泛,开展其声振特性理论研究可为加筋板的声振特性分析和优化提供理论参考。[方法]首先,考虑骨材对板的力和扭矩作用,以及流体声介质与板的耦合作用,分别建立无限大单、双周期加筋板的结构动力学模型;然后,通过傅里叶变换将空间域转换到波数域,应用构造函数、泊松公式及周期函数的性质推导加筋结构的振动方程,得到力激励和声波激励下加筋板振动位移的解析解,并利用稳相法给出加筋板的远场声压表达式;最后,通过具体算例讨论骨材扭矩、激励类型、激励位置、板厚、骨材参数等因素对周期加筋板结构声振特性的影响规律。[结果]骨材扭矩对加筋板声振特性的影响较小;对于周期加筋结构,可以利用骨材参数对声子晶体带隙的影响,衰减某些频率的振动;激励加载在强构件处可有效减弱振动;骨材的间距、尺寸等参数对声振特性的影响较为明显。[结论]对激励及骨材参数的合理设置,可以有效优化加筋板结构的水下声振特性。     

基于统计能量法研究肋骨对双层圆柱壳声辐射特性的影响

[目的]潜艇的主要结构形式是环肋圆柱壳,目前关于肋骨对圆柱壳声辐射特性影响的研究大多集中在中、低频,但是振动声学问题涉及到更宽的频率范围。[方法]采用统计能量法研究宽频范围内肋骨对圆柱壳声辐射特性的影响。首先,分析圆柱壳增加肋骨后统计能量参数的变化;然后,研究耐压壳、外壳分别增加肋骨、改变肋骨间距、改变肋骨形状对圆柱壳声辐射特性的影响;最后,分析激振力作用在不同位置时,环肋圆柱壳声辐射特性的差异。[结果]得到了肋骨影响下双层圆柱壳在500 Hz～100 kHz范围内的统计能量参数和辐射噪声变化规律。[结论]研究结果对合理选用肋骨降低潜艇的振动与辐射噪声有一定参考作用。     

复杂海洋环境水下航行体低频声传播损失计算方法综述

本文对国内外水下航行体低频声学特征传播损失计算的传统方法和改进方法进行综述,并针对复杂海洋边界条件、三维海洋环境等问题的传播损失仿真计算的适用性进行分析,提炼并总结了复杂海洋环境下传播损失计算方法的研究现状。未来,水下航行体声传播损失研究将更加聚焦于低频声传播特性、声场时-空-频相干特性以及两极冰区环境下的声传播规律等问题,进一步提高传播损失计算方法在复杂海洋环境下的准确性和稳定性是重点研究方向。     

跨声速轴流涡轮特性预估方法

[目的]在高亚声速和跨声速下,轴流涡轮静叶喉部出现跨声速气流,三维研究时间周期长且获取特性参数慢,为此,提出一套行之有效的涡轮特性预估方法体系。[方法]整合已有的损失模型及采用一维编程的方式预估涡轮特性,并通过三维数值模拟进行验证。[结果]研究结果显示,一维特性评估得到的级等熵滞止温比与三维的相对误差为11.53%,级滞止膨胀比的相对误差为11.77%,反动度的相对误差为14.23%。基于此,准确判断了静叶是否存在跨声速现象,且单级涡轮采用动叶出口温度的绝热指数所获得的特性预估较为准确。[结论]在误差允许范围内,可实现跨声速的涡轮特性快速预估,减少计算量。     

浅海舰船噪声声强流的方向性

锚泊舰船作为近场平台时,所搭载的声压阵受其影响较大,无法正常工作。为研究其原因,采用矢量水听器阵探明近场锚泊舰船的噪声形成机制。基于简正波的矢量场理论,采用多个点声源声能流的相互作用对近场舰船噪声进行建模,得到了不同接收点处声能流的水平方向性。仿真结果与海上试验结果均表明,同一接收点处声能流在水平面上的方向均随频率变化,不同接收点处声能流随频率变化情况不同。说明舰船锚泊时的噪声主要由海浪拍打船舷产生,所建立的噪声模型的仿真与海上试验结果趋势一致。2个接收点水平相距2.25 m时,所反映的近场舰船水平方向性不同,这是近场舰船干扰下使用声压阵波束形成方法对远场目标进行DOA估计时的性能大幅降低的主要原因。     

潜深对水下圆柱壳振动声辐射特性的影响

以水下圆柱壳为例,分析在有限深水域中水面和水底对振动声辐射特性的影响,以及在无限深水域中考虑静水压力下潜深度对振动声辐射特性影响。研究结果表明,在忽略静水压力影响的有限水域中,自由液面使其固有频率加大、振动声辐射曲线整体向高频移动,而刚体边界使其固有频率减小、振动声辐射曲线整体向低频移动,并且模态的顺序可能会发生改变。在考虑静水压力影响的无限深水域中,随着圆柱壳在水中深度的增加,固有频率随之减小、圆柱壳振动声辐射曲线整体向低频移动、声辐射效率会有所降低。     

近场局部目标强度海上实测研究

本文通过对某实船近场声反射特性的海上测试，介绍了“近场局部目标强度”海上静态测试方法，给出了该船近距离下“近场局部目标强度”随部位、距离变化的实测数据，并对海试中海面对声反射的影响进行了分析，指出近场目标声反射特性数据分析中应注意的问题。     

水下壳体结构低频辐射声功率预报方法研究

针对水下壳体结构低频辐射声功率预报问题,提出了在水下柱形结构中采用波数域单柱面声场分离技术与超声声强法相结合的方法。首先在非消声水池中获得柱形结构近场单全息面上的复声压和径向振速,通过单柱面声场分离技术获得向外传播的声波;然后采用超声声强法对向外传播声波中的倏逝波进行过滤,获得能够被传递到远场的传播波成分,进而对壳体远场辐射声功率进行预报,并与自由场辐射声功率进行对比,验证该方法对水下柱形结构辐射声功率预报的有效性;最后,分析影响预报结果精确度的因素,探究该预报方法的适用条件。结果表明,该方法对于声学水池中柱形结构低频声辐射预报有一定的工程应用价值,对减振降噪具有指导作用。     

基于声学有限元的喷水推进器流道声传播特性研究

喷水推进器进口流道、推进泵泵壳和喷口构成了一个复杂曲面过流流道,文章针对该流道结构的声传播特性问题,研究了用于声场计算与分析的声学有限元法,并进行了仿真实验。文中建立了喷水推进流道的声学有限元模型,在COMSOL环境中仿真分析了偶极子声源在某型喷水推进器流道中的声传播特性。仿真结果表明：受流道截止频率影响,315 Hz频率附近的噪声不能向进口流道入口方向传播,而在喷口处呈现较高的辐射噪声级;5 kHz频率以下,传递损失有随频率增加而逐渐减小的趋势,但随着频率升高,传递损失有逐渐增加的趋势。