何其偉，李海峰，俞 翔

(1.海軍工程大學(xué) 科研部，湖北 武漢 430033；2.船舶振動噪聲重點實驗室，湖北 武漢 430033；3.海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

單/雙層水下結(jié)構(gòu)振動聲輻射研究

何其偉1,2，李海峰3，俞 翔1,2

(1.海軍工程大學(xué) 科研部，湖北 武漢 430033；2.船舶振動噪聲重點實驗室，湖北 武漢 430033；3.海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

為研究單殼體和雙殼體兩種典型潛艇結(jié)構(gòu)的振動聲輻射特性，本文建立單/雙層槳-軸-殼體簡化模型，利用三維水彈性力學(xué)理論和三維水彈性聲學(xué)分析軟件，分別計算螺旋槳激勵、外部流體激勵以及機(jī)械激勵 3 種激勵源下水下結(jié)構(gòu)的輻射聲功率聲源級曲線。結(jié)果表明：螺旋槳激勵下，單層水下結(jié)構(gòu)聲輻射略低于雙層結(jié)構(gòu)；外部流體和內(nèi)部機(jī)械設(shè)備激勵下，單層水下結(jié)構(gòu)聲輻射明顯高于雙層結(jié)構(gòu)。

單/雙層結(jié)構(gòu)；槳-軸-殼體；振動；聲輻射；聲源級

0 引 言

潛艇有單殼體和雙殼體 2 種結(jié)構(gòu)形式，不同的結(jié)構(gòu)形式引起的振動聲輻射明顯不同，一直以來，國內(nèi)外不少學(xué)者對單殼體和雙殼體水下結(jié)構(gòu)的振動聲輻射問題開展了廣泛研究。祁立波等[1]揭示了不同激勵力下水下加肋圓柱殼體低頻聲輻射特征。夏齊強(qiáng)等[2]從控制內(nèi)殼振動和衰減殼間振動傳遞的角度對雙層圓柱殼體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計。針對單/雙層水下結(jié)構(gòu)的振動聲輻射對比分析問題，金廣文等[3]研究了殼體長度、殼體厚度、有無環(huán)肋以及環(huán)肋間距不同參數(shù)下單/雙層圓柱殼體結(jié)構(gòu)的振動均方加速度級，但并沒有考慮殼體的聲輻射問題。唐俊娟等[4]和李兵等[5]研究了不同激勵方式下的單/雙層艙段圓柱殼體的振動聲輻射問題，但并未對螺旋槳激勵下的振動聲輻射問題加以研究

對于復(fù)雜水下結(jié)構(gòu)的振動聲輻射問題，解析法求解很難實現(xiàn)。吳有生[6]將三維適航理論與結(jié)構(gòu)力學(xué)理論相結(jié)合，在考慮水為不可壓縮介質(zhì)的情況下，提出了三維水彈性力學(xué)理論。鄒明松[7]等在三維水彈性力學(xué)理論基礎(chǔ)上研究了水下彈性體結(jié)構(gòu)近場點聲壓和遠(yuǎn)場聲輻射的計算方法，同時對計算方法的有效性進(jìn)行了驗證，并在 Abaqus 軟件的基礎(chǔ)上二次開發(fā)了三維水彈性聲學(xué)分析軟件 Thafts-acoustic。

本文將潛艇結(jié)構(gòu)簡化為單/雙層槳-軸-殼體模型，利用三維水彈性力學(xué)理論和三維水彈性聲學(xué)分析軟件Thafts-acoustic，分別計算機(jī)械激勵、外部流體激勵以及螺旋槳激勵 3 種激勵源下水下結(jié)構(gòu)的輻射聲功率聲源級曲線，對比分析單/雙層槳-軸-殼體模型的振動聲輻射特性，并研究內(nèi)外殼間距對雙層殼體模型振動聲輻射特性的影響。

1 三維聲彈性力學(xué)理論

由模態(tài)疊加法，船體結(jié)構(gòu)離散系統(tǒng)的節(jié)點位移可表示為：

假設(shè)彈性船體周圍水為均勻可壓、無粘的理想聲介質(zhì)，只考慮船舶航行誘導(dǎo)的擾動流場以及由結(jié)構(gòu)振動誘導(dǎo)的聲波場都是微幅線性的，總的流場速度勢可表示為各階聲波輻射速度勢的線性疊加：

聲波速度勢 ? 滿足 Helmholtz 方程為：

船體流固濕表面邊界條件為：

與自由液面邊界條件對應(yīng)的 Green 函數(shù)為：

針對各階干模態(tài)可得到對應(yīng)的簡單源邊界積分方程：

頻域內(nèi)的船舶聲彈耦合動力學(xué)方程為：

式中：{q} 為廣義位移向量；{Ξ} 為廣義力向量；[a]，[b]，[c] 為干結(jié)構(gòu)廣義質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣；[A]，[B]，[C] 為廣義流體附加質(zhì)量、附加阻尼和恢復(fù)力系數(shù)矩陣。其表達(dá)式為：

流場中輻射波聲壓為：

2 槳-軸-殼體計算模型

文中參照基本的潛艇結(jié)構(gòu)在 Abaqus 中建立了單/雙層槳-軸-殼體簡化模型以及殼體結(jié)構(gòu)與流體接觸的濕表面，如圖 1 所示。模型結(jié)構(gòu)主要有內(nèi)外殼體、環(huán)肋骨、實肋板、螺旋槳、推進(jìn)軸系和軸承。單層殼體模型參數(shù)與雙層模型中內(nèi)殼體參數(shù)一致，而雙層殼體模型中實肋板與輕外殼多余質(zhì)量通過非結(jié)構(gòu)質(zhì)量添加到單層殼體模型中，以保證單殼體模型與雙殼體模型質(zhì)量相同。螺旋槳為 5 葉三維槳，采用 3D 實體單元模擬；殼體和軸系分別采用 2D 殼單元和 1D 梁單元模擬，環(huán)肋骨及實肋板均使用 2D 殼單元模擬；簡化模型中包括尾軸后軸承、尾軸前軸承和推力軸承，所有軸承均采用彈簧單元模擬，將尾軸后軸承和尾軸前軸承簡化為水平和垂直方向的彈簧，將推力軸承簡化為水平、垂向和縱向的彈簧。

3 數(shù)值計算及結(jié)果分析

潛艇實際航行中，產(chǎn)生的噪聲主要有：螺旋槳噪聲、水動力噪聲和機(jī)械噪聲等。為較好地模擬 3 種噪聲源，文中選擇 3 個激勵位置施加激勵（見圖 1 ），位置 1 作用在螺旋槳槳轂?zāi)M螺旋槳橫向和縱向激勵力，位置 2 作用在殼體外表面模擬外部流體激勵力，位置 3 作用在殼體內(nèi)部模擬機(jī)械設(shè)備激勵力，力的幅值均為 1 N。在 10 ～150 Hz 頻率范圍內(nèi)用三維聲彈性響應(yīng)計算軟件 Thafts-acoustic，計算不同激勵工況下單/雙層模型在無限水深介質(zhì)中產(chǎn)生的輻射聲功率，按公式（11）換算為聲源級。

式中：P為輻射聲功率量值；P0=0.65×10?18W/Hz為基準(zhǔn)值 。

激勵位置 1 螺旋槳橫向力作用下計算得到單/雙層槳-軸-殼體結(jié)構(gòu)的聲輻射聲源級曲線，如圖 2 所示。從圖中可看出，螺旋槳橫向激勵下，單/雙層水下結(jié)構(gòu)聲輻射相差不大，聲源級曲線主要在推進(jìn)軸系以及殼體彎曲模態(tài)頻率處出現(xiàn)峰值，單/雙層水下結(jié)構(gòu)聲源級曲線相互交叉，低頻段部分峰值頻率處雙層結(jié)構(gòu)聲源級曲線明顯高于單層結(jié)構(gòu)，而在 40～80 Hz 頻段雙層結(jié)構(gòu)聲輻射又明顯低于單層結(jié)構(gòu)，這主要是由于低頻段雙層結(jié)構(gòu)內(nèi)外殼體耦合作用強(qiáng)，振動大。同時，計算得到單/雙層水下結(jié)構(gòu)在 10～150 Hz 頻段內(nèi)聲輻射總聲級分別為 105.3 dB 和 107 dB，因此，螺旋槳橫向激勵下單層水下結(jié)構(gòu)聲輻射總聲級略低于雙層結(jié)構(gòu)。

激勵位置 1 螺旋槳縱向力作用下計算得到單/雙層槳-軸-殼體結(jié)構(gòu)的聲輻射聲源級曲線，如圖 3 所示。從圖中可看出，螺旋槳縱向激勵下，單/雙層水下結(jié)構(gòu)聲源級曲線在第一個峰值頻率處出現(xiàn)較大變化，這一峰值主要是由于殼體一階縱振引起的，對于雙層結(jié)構(gòu)而言，內(nèi)外殼體間的實肋板使整個結(jié)構(gòu)的阻抗增加，因此曲線峰值低于單層殼體結(jié)構(gòu)；而第 2 個峰值和第 3個峰值分別對應(yīng)槳軸一階縱振和全槳葉振動，主要受槳軸參數(shù)的影響，與殼體結(jié)構(gòu)無關(guān)，所以兩曲線變化不大。同時，計算得到單/雙層水下結(jié)構(gòu)在 10～150 Hz頻段內(nèi)聲輻射總聲級分別為 120.2 dB 和 121.8 dB，因此，螺旋槳縱向激勵下單層水下結(jié)構(gòu)聲輻射總聲級略低于雙層結(jié)構(gòu)。

激勵位置 2 殼體外表面外部流體激勵力作用下計算得到單/雙層槳-軸-殼體結(jié)構(gòu)的聲輻射聲源級曲線，如圖 4 所示。從圖中可看出，單層結(jié)構(gòu)聲輻射聲源級曲線高于雙層結(jié)構(gòu)，尤其在 60 Hz 以上頻段更明顯，主要是由于此激勵位置處雙層結(jié)構(gòu)阻抗明顯高于單層結(jié)構(gòu)，能夠抑制降低激勵引起的聲輻射。在低頻段，雙層殼體聲源級曲線峰值頻率略高于單殼結(jié)構(gòu)，這主要是因為復(fù)雜的雙層結(jié)構(gòu)剛度高于單層結(jié)構(gòu)。同時，計算得到單/雙層水下結(jié)構(gòu)在 10～150 Hz 頻段內(nèi)聲輻射總聲級分別為 119.1 dB 和 110.2 dB，因此，外部流體激勵下單層水下結(jié)構(gòu)聲輻射總聲級明顯高于雙層結(jié)構(gòu)。

激勵位置 3 內(nèi)部機(jī)械設(shè)備激勵力作用下計算得到單/雙層槳-軸-殼體結(jié)構(gòu)的聲輻射聲源級曲線，如圖 5所示。從圖中可看出，單層結(jié)構(gòu)聲輻射聲源級曲線高于雙層結(jié)構(gòu)。計算得到單/雙層水下結(jié)構(gòu)在 10～150 Hz頻段內(nèi)聲輻射總聲級分別為 119.2 dB 和 110.4 dB，因此，內(nèi)部機(jī)械設(shè)備激勵下單層水下結(jié)構(gòu)聲輻射總聲級明顯高于雙層結(jié)構(gòu)。

4 結(jié) 語

1）在螺旋槳橫向力和縱向力作用下，單/雙層水下結(jié)構(gòu)聲源級曲線相互交叉，聲輻射相差不大，在10～150 Hz 頻段內(nèi)單層水下結(jié)構(gòu)聲輻射總聲級略低于雙層結(jié)構(gòu)。

2）在外部流體激勵力和內(nèi)部機(jī)械設(shè)備激勵力作用下，單層結(jié)構(gòu)聲輻射聲源級曲線高于雙層結(jié)構(gòu)，因此，在 10～150 Hz 頻段內(nèi)單層水下結(jié)構(gòu)聲輻射總聲級明顯高于雙層結(jié)構(gòu)。

[1]祁立波, 鄒明松.加肋圓柱體水下低頻輻射聲特性研究[J].船舶力學(xué), 2015, 19(7): 874-883.Qi Li-bo, ZOU Ming-song.Research on acoustic radiation of stiffened cylinder in low-frequency[J].Journal of Ship Mechanics, 2015, 19(7): 874-883.

[2]夏齊強(qiáng), 陳志堅.降低加肋雙層圓柱殼輻射噪聲線譜的結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計[J].聲學(xué)學(xué)報, 2014, 39(5): 613-623.XIA Ji-qiang, CHEN Zhi-jian.Structural-Acoustic design todepress line spectrum of radiation noise from double cylindrical ring stiffened shell[J].Acta Acustica, 2014, 39(5): 613-623.

[3]金廣文, 姜榮俊, 陳美霞等.不同參數(shù)下的單、雙層圓柱殼體速度場研究[J].振動與沖擊, 2006, 25(3): 169-175.JIN Guang-wen, JIANG Rong-jun, CHEN Mei-xia.Velocity field of finite cylindrical shells with single or double layersand different parameters[J].Journal of Vibration and Shock, 2006, 25(3): 169-175.

[4]唐俊娟, 劉艷敏.單雙層殼艙段結(jié)構(gòu)聲輻射計算分析[C]//.第十四屆船舶水下噪聲學(xué)術(shù)討論會論文集.

[5]李兵, 張超.單/雙層圓柱殼振動及聲輻射對比[J].艦船科學(xué)技術(shù), 2015, 37(2): 14-18.LI Bing, ZHANG Chao.Comparision on vibration and sound radiation from single and double cylindrical shells[J].Ship Science and Technology, 2015, 37(2): 14-18.

[6]WU Y S.Hydroelasticity of floating bodies[D].London: Brunel University, 1984.

[7]ZOU M S, WU Y S, YE Y L.Three-dimensional hydroelasticity analysis of acoustic responses of ship structures[C]//.9th International Conference on Hydrodynamics, 2010, 10: 844-851.

Research on the vibration and acoustic radiation of single and double layers underwater structure

HE Qi-wei1,2, LI Hai-feng3, YU Xiang1,2
(1.Office of Research and Design, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2.National Key Laboratory on Ship Vibration and Noise, Wuhan 430033, China; 3.College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To research the vibration and acoustic radiation characteristics of the single-layer and double-layer underwater structure which are the typical structures of the submarine, the single-layer and double-layer propeller-shaft-hull coupled structures are established, the three-dimensional sono-elastical theory and acoustic analysis software are applied to analyze the sound source level curve of the coupled structure under three different exciting such as propeller exciting, external fluid exciting and internal mechanical exciting.The analysis results show that the total radiated acoustic power of single-layer underwater structure is less than double-layer under propeller exciting, but higher than double-layer under external fluid exciting and internal mechanical exciting.

Single and double layers structure；propeller-shaft-hull；vibration；acoustic radiation；sound source level

TB53

：A

1672-7619(2017)01-0017-04doi：10.3404/j.issn.1672-7619.2017.01.004

2016-04-10；

: 2016-05-28

國家自然科學(xué)基金資助項目(51579242)

何其偉(1972-)，男，副教授，研究方向為艦船裝置振動與噪聲控制。