艦艇結構的流激振動與聲學特性研究.pdf

1、艦艇結構的振動與水下聲輻射是影響其生命力與戰(zhàn)斗力的重要因素，隱身性能是海軍裝備研制中的一項重要指標。數(shù)十年來，各國針對海軍艦艇的噪聲控制，在噪聲源的控制、噪聲振動的傳遞途徑控制以及噪聲振動的響應特性控制等方面開展了深入的研究，并且在隔振、消聲等方面取得了一系列的進展。國內的研究部門也針對艦船結構的振動和聲學特性控制開展了大量的研究，以期大幅度地降低艦艇的水下噪聲。 然而，以往對艦艇結構的振動及聲學預報的研究集中在艦艇的主要振動噪

2、聲源,重點在動力設備激勵引起的機械振動噪聲以及螺旋槳噪聲方面。對于艦艇的非機械振動噪聲以及由于湍流水動力引起的輻射噪聲研究較少，尤其是艦艇在水下武器發(fā)射條件下的振動特性與聲學預報方面，迄今未見與此相關的報道。因此，在這領域的研究工作急需深入進行。 本文借助于有限元技術，首先建立武器發(fā)射過程中的發(fā)射管內外的流體動網(wǎng)格模型，對其流場特性以及水動力噪聲特性進行分析；通過調整發(fā)射壓力、發(fā)射深度等參數(shù)，探討降低水動力噪聲的途徑；通過建立一

3、個帶發(fā)射管的潛艇及其外部流場模型，考慮流固耦合作用，計算得到潛艇水下發(fā)射武器時的瞬態(tài)過程中潛艇艇體的振動特性以及相關結構的振動傳遞特性；運用邊界元技術，分析潛艇在發(fā)射條件下的艙室噪聲和遠場的水下噪聲情況，預報潛艇的聲學特性。課題中重點是計算水下發(fā)射魚雷時，發(fā)射管內的壓力急劇變化造成的湍流流場引起的噪聲以及探討降低發(fā)射噪聲的途徑。 通過計算與分析，得到以下結論： (1) 高壓水推動魚雷出管時，外部海水的運動類似于空氣中的擾動

4、波，由于擾動后方魚雷壁面、發(fā)射管壁面以及艦艇殼體的影響，擾動向后方的傳播受到一定的阻礙，因此前方形成了馬赫錐狀的速度分界面，且高速度區(qū)域逐漸前移；由壓力云圖可以發(fā)現(xiàn)魚雷前方高壓區(qū)慢慢前移，但是前移位置一直滯后于速度矢量，所有位置的壓力水頭與速度水頭變化都是相反的。 (2) 魚雷的水下發(fā)射噪聲是潛艇的特殊噪聲源。發(fā)射噪聲既可能將發(fā)射艇的位置暴露給敵方，又可能使目標易于規(guī)避魚雷的攻擊。隨著水聲對抗技術的發(fā)展，對魚雷發(fā)射噪聲的研究應該引

5、起重視。魚雷的水下發(fā)射噪聲受到環(huán)境以及發(fā)射參數(shù)的影響。噪聲既隨著發(fā)射深度的增加而逐漸增強，又隨著魚雷出管速度的變化而變化。本文的仿真結果可為潛艇的魚雷發(fā)射裝置設計提供參考依據(jù)。魚雷發(fā)射噪聲產(chǎn)生的主要原因在于魚雷出管形成的內外流場變化引起的水動力噪聲，其影響因素還在于不同的水深環(huán)境所導致的海水密度與壓力的改變。 (3) 增加發(fā)射管厚度以及材料阻尼、增加潛艇外殼厚度和材料阻尼以及增加發(fā)射管支撐的材料阻尼等措施，都對降低振動和輻射噪聲有

6、一定的效果，但是作用并不很明顯。因此，初始設計階段，在保證輕型艦艇的前提下，略增加潛艇外殼厚度是效果最好的。艦艇流固耦合模型與干模態(tài)模型相比，由于附加的流體質量和阻尼與結構的耦合作用，模態(tài)頻率較干模態(tài)情況下向低頻移動。振動的傳遞情況與艦艇結構的模態(tài)頻率和振型有很大關系，流體的附加質量和阻尼對艦艇結構的振動模態(tài)都有較大的影響。在進行艦艇發(fā)射過程機械振動噪聲預報時，應該充分考慮流體與艦艇結構的耦合作用。 (4) 內部聲場計算發(fā)現(xiàn)，隨著

7、激勵頻率的增大，聲強主要集中在指揮艙中間區(qū)域。這說明指揮艙內部的中心線位置聲壓級最大，且艙室內的聲壓級在大范圍內變化，低頻段最高達到90dB。外部聲場計算表明，艦艇結構的輻射噪聲有著很強的指向性，由于艦艇發(fā)射管位置的對稱性，瞬態(tài)激勵也具有對稱性，因此大多數(shù)頻率下聲壓的分布基本對稱，只有200 Hz-300 Hz頻帶有一定的偏向，其原因在于聲波的相位造成聲場的不均勻。艦艇結構的水下聲輻射聲壓隨傳播距離的增加而減小，且減小的程度與激勵頻率和

8、場點遠近有關。 通過上述的工作，本文為帶有發(fā)射裝置的潛艇水下發(fā)射過程的湍流流場運動和流動噪聲以及由此引起的振動與聲輻射特性計算工作提供了一種切實可行的研究方法；得到了湍流運動過程中流場的運動情況以及流場噪聲情況，得到了環(huán)境以及發(fā)射參數(shù)對水下發(fā)射噪聲的影響規(guī)律；并進一步計算得到艦艇外殼的振動情況以及由此引起的噪聲輻射，分析了輻射聲壓和艇體結構本身振動的聯(lián)系、其頻率成分的來源以及全艇在水下的聲指向性問題。由此，為研究復雜大型結構的聲