不同耦合模式水下结构声辐射计算方法研究

针对水下双层圆柱壳中低频声辐射预报,分别利用基于流固耦合的FE-IBEM法和基于声固耦合的FE-IBEM法进行水下声辐射计算,比较上述两种算法在计算特性方面的差异,并通过算例对这两种算法进行分析。另外,还研究了环肋间距以及环肋厚度等对双层圆柱壳结构水下辐射噪声的影响。研究结果表明,流固耦合模式由于忽略了流体的可压缩性使得计算结果偏小,声固耦合模式充分考虑了流体对结构的耦合作用使得计算结果更合理,基于声固耦合模式的FE-IBEM法是计算结构水下辐射噪声的优选方法;合理选择环肋间距以及增加环肋厚度可以降低结构中低频水下辐射噪声。     

舰船低频水下辐射噪声的声固耦合数值计算方法

针对舰船低频域水下辐射噪声计算问题,指出采用严格遵循声固耦合动力学方程的耦合声学有限元与远场自动匹配层(FEM/AML)方法以及耦合声学间接边界元(IBEM)方法是计算精度较高的策略。以某小水线面双体船(SWATH)为研究对象,使用声功率作为评价指标,探讨了声场区域特征尺度选取对计算精度的影响,比较了上述两种方法与常规基于流固耦合的两种方法在计算特性方面的差异。研究表明,声固耦合模式较流固耦合模式声学响应计算结果偏小,对于SWATH船的合成总声功率级两者偏差达到1dB~3dB,前者计算结果更为精确,基于声固耦合模式的耦合声学IBEM方法是舰船水下辐射噪声预报的首选算法。     

管路-船体耦合振动及水下声辐射研究

充液管路广泛的应用于船舶冷却、输水等多个系统,其振动与水下声辐射一直是学术与工程中的研究热点。基于阻抗综合法,利用耦合点处力与位移的连续边界条件,采用管路解析公式、船体有限元数值计算、管路支撑测试数据三者相结合的方法对管路-船体耦合系统进行振动与水下声辐射工程预报。该综合方法被应用于一个复杂空间管路-船体耦合模型,并与有限元模型结果对比验证了该方法的正确性。     

黏弹性阻尼夹芯板水下声辐射数值计算

通过变分法建立含黏弹性阻尼层复合夹芯板水下振动与声辐射模型,系统位移场采用离散层理论描述,并通过层间位移以及剪切应力连续性建立传递矩阵关系,使得系统运动方程仅与底板位移分量有关,以降低方程维数,提高计算效率。系统运动方程用Rayleigh-Ritz法求解。为验证所给方法的正确性,将计算结果与经典参考文献的计算结果进行对比。通过分析材料参数和几何参数,给出了影响夹芯板声辐射的主要因素,为水下结构噪声被动控制提供参考。     

基于FEM-SBFEM的水下结构声固耦合分析方法

针对无限水域下的结构冲击响应问题,建立了基于PWA(平面波近似)总场公式和SBFEM(比例边界有限元)总场公式与FEM(有限元)耦合的结构响应分析方法。该方法分别采用PWA总场公式和SBFEM总场公式模拟无限域,FEM方程模拟水下结构。通过将其耦合,建立了PWA-FEM总场公式和SBFEM-FEM总场公式。通过数值算例,讨论了环向单元数量、无限域截断边界大小和形状对总场公式计算准确度的影响,比较了PWA-FEM总场公式和SBFEM-FEM总场公式的计算准确度。数值结果表明了总场公式用于模拟无限水域下结构冲击响应问题的可行性和准确性,且SBFEM-FEM总场公式模拟无限域时,可有效减小有限域离散范围,并对截断边界形状要求不高,适用范围更广,为水下冲击结构响应问题提供了一种有效可行的求解方法。     

复合层合矩形板水下声辐射解析计算

基于一阶剪切形变理论(FSDT),建立四边简支矩形复合层合板水下声辐射解析模型,采用一种基于定积分的方法计算板表面流载声压,以提高辐射声阻抗的运算效率。为验证算法的正确性,将所得结果与数值计算方法进行了对比。1阶剪切形变理论计算结果也与经典层合板理论(CLPT)的计算结果进行了比较,指出其在计算复合层合板声辐射时的优势。最后分析了跨厚比,铺层角度等参数对声辐射的影响,为结构噪声控制提供参考。     

水下结构辐射噪声工程估算方法

机械噪声是水下航行器主要噪声源之一。首先分析机械设备辐射噪声的整个传递途径,然后就壳体振动到辐射噪声预报环节展开理论和实验研究。通过模型实验测得内外壳结构振动加速度分布,经过计算分别获得内外壳结构振动均方速度,结合加肋圆柱壳分频段辐射效率公式,分别采用内外壳结构振动均方速度对结构辐射声压进行预报计算,并与实验结果进行对比分析。分析表明计算结果与试验吻合良好,得出对于双壳体结构,可由内壳体结构振动预报辐射噪声的结论,验证通过壳体结构振动预报辐射噪声方法的可行性,该方法具有较好的工程应用价值。     

部分敷设阻尼材料的水下结构声辐射分析

基于统计能量分析（SEA）方法,分析了流场中部分敷设阻尼材料的有限长圆柱壳的声辐射特性,并进行了相应的声辐射试验测试。通过仿真结果与试验对比,验证了SEA方法在计算敷设阻尼结构的圆柱壳声辐射特性问题的有效性。在此基础上开展了部分敷设阻尼材料的水下结构辐射问题研究,分析了阻尼层敷设比例对水下结构振动与声辐射的影响;讨论了结构损耗因子对阻尼层减振降噪效果的影响。研究表明结构损耗因子对局部敷设于水下结构的阻尼层降噪效果有很大影响,本研究旨在为潜艇声学优化设计提供参考。     

结构声辐射计算的边界无网格法

研究函数有限维逼近插值形函数的一般要求,介绍采用移动最小二乘构建无网格插值形函数的方法与步骤;通过配点法将Kirchhoff-Helmholtz边界积分方程离散为受边界条件约束的线性方程组;最后通过分块矩阵法求解约束方程组,得到离散后的声辐射传输模型数值表达式。在计算实例中,分别用边界无网格法和边界元法建立声辐射传输模型进行声场计算,计算声场值与解析值相对比的结果表明,由于边界无网格法插值形函数根据求解情况自行构建,因此更灵活,具有更高的插值和计算精度。     

船舶水下辐射噪声抑制的声振相关性方法

船舶水下辐射噪声与船体振动的耦合关系是非常复杂的,识别水下辐射噪声与船体振动相关性较高的部位,确定影响水下辐射噪声的关键因素,对降低噪声具有重要工程意义。基于声振耦合分析原理,提出船舶水下辐射噪声抑制的声振相关性方法,探讨了船舶水下辐射噪声与结构振动特性、船上振源的频谱和船体振动响应等的相关性定量评价指标,厘清各因素对水下辐射噪声的影响规律。舱段及拖轮降噪设计示例表明,相关性定量评价指标的计算量小,根据指标值可以高效确定与水下辐射噪声相关性高的结构及影响参数,实现船舶水下辐射噪声的高效抑制设计;通过调整振源附近湿表面的板厚,舱段和拖轮的声功率总级分别降低了5.66 dB和4.84 dB,但振动减小幅度与噪声降低幅度并不是线性的。     

有限长圆柱壳结构水下声辐射有源控制实验

以水下有限长圆柱壳为对象,实验研究水下结构声辐射有源控制。实验中通过引入次级力源,以单个或两个误差点处的声压最小为目标函数,分析次级激振器和误差传感器布放（位置和数目）以及激励频率对控制效果的影响。结果表明：有源控制能够有效控制水下圆柱壳线谱噪声;增加次级激振器和误差传感器的数目,能够增大降噪区域;有源控制在3 000 Hz高频处对壳体噪声控制依然有效。有源控制能够对多线谱信号激励壳体辐射噪声产生抑制作用。     

蛋形仿生耐压壳水下声辐射特性研究

以直径2 m、工作水深4 km的钛合金球壳为对象,通过Narushin (N-R)方程描述鹅蛋、鸡蛋、鸵鸟蛋的形状函数,采用等容积、等最大应力水平的方法设计了仿生耐压壳体,通过有限元方法分析各壳体在空气中和水中的模态特性,最后利用三维水弹性方法计算蛋形仿生耐压壳体的远场声辐射。计算结果表明,在500 Hz以下频段,蛋形壳在尖端和钝端激励时引起的声辐射要优于球壳,其中鹅蛋型曲线的耐压壳体具有较优的辐射噪声特性。在500 Hz以上频段,球壳的辐射噪声远低于蛋形壳。激励位置对蛋形耐压壳体声辐射影响明显,分析结果可为低噪声水下仿生耐压壳结构设计应用提供有效参考。     

船用柴油机油底壳声辐射计算及结构优化设计

以某船用高速柴油机油底壳为研究对象,通过测试获得油底壳激励载荷,分别利用声振耦合模式下有限元-边界元法及非耦合模式下有限元-边界元法计算油底壳辐射噪声。结果表明,不同模式下油底壳辐射声功率曲线基本吻合,油底壳与辐射介质间耦合作用可以忽略。分别利用非耦合模式下有限元-边界元法(FE-BEM)、有限元-匹配层技术(FE-AML)及有限元-无限元法(FE-IFEM)计算油底壳辐射噪声,探索了3种方法在建模规模、计算精度及计算耗时方面的差异性。研究发现,宜首选有限元-边界元法计算船用柴油机油底壳辐射噪声。为减小油底壳辐射噪声,对油底壳结构进行多目标形貌优化设计,结果表明,形貌优化可有效降低油底壳振动及辐射噪声,减少设计重复性并缩短设计周期。     

无限长双层加肋圆柱壳水下声辐射解析计算

建立了无限长双层加肋圆柱壳水下声辐射解析计算方法,计算模型采用了Donnell壳体理论,考虑环肋、舱壁和实肋板对内外圆柱壳径向反作用力,利用傅氏变换和模态展开在波数域建立了这种计算模型的声弹耦合控制方程.文中推导了所有结构部件以及水介质的速度阻抗表达式,利用稳相法得到远场辐射声压.计算表明,实肋板和舷间水都是重要的声传递通道,在双层圆柱壳水下声辐射计算时必须考虑实肋板和舷间水的振动传递,双层圆柱壳水下声辐射对结构参数(壳板厚度、舷间距离等)变化不敏感.     

齿轮箱声固耦合系统噪声辐射研究

综合考虑齿轮时变啮合刚度及齿轮误差的影响建立了齿轮系统动力学模型,计算得到了齿轮系统动载时域历程。建立了齿轮箱声固耦合系统模型,采用边界元法对其噪声辐射进行求解,得到了齿轮箱噪声谱及各板面对声场总声压的贡献度。依据板面贡献度计算结果,对齿轮箱结构进行适当改进,对结构的改进及结构阻尼对降噪效果做出了分析,就不同齿轮类型对齿轮箱噪声辐射的影响进行了讨论,为齿轮箱的设计提供了理论依据。     

利用边界元法中的全特解场方法计算结构振动声辐射

本文通过利用边界元法中的全特解场方法，对结构振动声辐射的计算进行了研究，并以脉动球为算例，将计算结果与解析解进行比较，结果表明：该方法与一般边界元法相比，在边界剖分相同的情况下，能够在相当宽的振动范围内，给出满意的计算结果。     

舵翼结构对水下航行器尾部振动声辐射的影响

针对带有舵翼的水下航行器尾部结构模型，研究舵翼对水下航行器尾部的振动及声辐射的影响。利用有限元和直接边界元法求解模型在流体中的动态特性。其计算步骤共分为四步：1．利用有限元方法对模型进行划分，并得到模型的“干”模态参数；2．根据上一步得到的结果，利用有限元和直接边界元的混合方法得到模型浸没在流体中的“湿”模态参数；3．将得到的“湿”模态参数进行模态叠加获得模型在内部激励下的响应；4．根据模型表面的位移和速度得到周围流场的声压分布。结果显示舵翼结构与周围流体的相互作用很大，改变其尺寸和刚度会使得模型的声压发生很大的变化，同时流固耦合现象的存在使得模型在水中的频率明显下降，并且模态阶数的顺序也发生了改变。     

复杂结构体的声辐射模态远场计算方法

声辐射模态在主动结构声控制领域取得了满意的噪声控制效果,但缺乏有效简便的远场测量或计算方法已成为其进一步发展的瓶颈。基于远场封闭包络与结构表面辐射声功率相等,借助声传递矩阵的概念,将声辐射模态的求解转换到流体域进行求解,获得了一种通用的任意结构远场声辐射模态求解方法。为了验证方法的可行性,利用不同的场点包络形状、不同距离的场点以及不同的场点数目对其性能进行分析,主要包括结构辐射声功率、声辐射模态幅值、声辐射模态效率。利用获得的声辐射模态计算脉动球的辐射声功率,并与其理论解进行比较,计算结果显示不同的场点状态对辐射声功率的影响较小,所获取的声辐射模态和辐射效率具有较高的可信度。同时,本方法可为远场测量声辐射模态提供理论参考。     

结构声辐射的源强声辐射模态分析方法

为了解决不易获取复杂结构振速声辐射模态和利用其计算复杂结构外辐射声场困难的问题,提出源强声辐射模态分析方法。该方法利用简单源积分公式将结构表面连续的源强分布等效为一组简单源源强分布,利用这组简单源源强分布构造了结构辐射声功率2次型表达式,其2次型系数定义一个辐射阻矩阵,辐射阻矩阵的特征向量就构成了源强声辐射模态,从而实现复杂结构总辐射声功率的解耦。只要获得声辐射模态的展开系数,声场中的声压、质点法向速度等声学量都可由源强声辐射模态叠加得到。球形声源和棱台体声源的分析表明：源强声辐射模态保留了传统的声辐射模态优点,更方便解决复杂结构声辐射问题。     

主动隔振与水下声辐射控制的实验研究

建立一个包括有机玻璃水箱和主动隔振器的实验系统,研究主动隔振对降低结构振动及其声辐射的有效性。实验模型的建立是基于流固耦合系统的有限元分析和局部模态测试,通过数值分析确定辐射面的振动模态以及辐射声场分布。扰动源的干扰频率接近辐射面固有频率,在水中形成共振状态下的辐射声场。扰动源采用四点主动隔离,四个电磁作动器同时控制并采用自适应对消算法,抑制扰动源周期性干扰引起的振动。实验结果表明主动隔振能够明显降低平板的辐射声压。