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水下壳体结构低频声辐射预报方法与试验测试技术研究

作　者: 唐锐
导　师: 李琪
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 水声工程
关键词: 壳体结构低频声辐射等效梁混响法低频扩展
分类号: U661.44
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

大长径比壳体结构是决定艇体低频噪声辐射性能的主要结构，研究其低频声辐射特性，对潜艇机械系统振动和辐射噪声的定量预估以及采取相应的减振降噪措施具有实际意义。本文工作的主要目的有两个，一是根据艇体结构在低频段的声辐射特征及现有的预报方法特点，探索能够提高水下大长径比壳体结构低频振动响应和声辐射计算效率的预报方法；二是充分利用混响法在非消声水池中测量结果具有良好重复性的可信优势，扩展其低频应用，为实现潜艇辐射噪声的准确测量及对噪声源进行识别提供试验方法依据。本文通过计算预报及试验测量两个层面展开了水下壳体结构低频声辐射特性的研究工作。预报研究方面，首先采用模态展开法解析推导了简支在半无限长圆柱障板上的带声学覆盖层的水下加肋圆柱壳振动响应及辐射声场，该解析模型可以方便地退化为加肋圆柱壳和圆柱壳模型，便于验证后续数值计算及等效算法的正确性。其次，建立了水下大长径比复杂壳体结构声辐射简化的有限元+边界元数值计算方法，采用ANSYS软件和SYSNOISE软件联合计算实现。通过分析附连水对大长径比壳体结构低频振动的影响，得出对于水中大长径比壳体结构低频振动，流体对结构的耦合作用可以利用附加水质量以线密度增量的形式直接加载到结构中来近似。进而在利用ANSYS计算水中大长径比壳体结构的低频振动响应时，选择不小于5倍壳体结构半径的有限流体域代替传统的以吸声边界半径尺度形成的巨大球形流体域，大大提高了数值计算效率。接着，提出了一种利用水下梁模型等效计算大长径比(L/a>20)圆柱壳低频振动响应和辐射声功率的方法。该等效模型基于欧拉梁理论，采用附加水质量近似流固耦合作用，通过计算梁的等效杨氏模量系数，使其与圆柱壳的梁式弯曲振动模态对应。给出了不同长径比圆柱壳前五阶弯曲模态频率的等效杨氏模量系数曲线，利用梁模型并结合此曲线，可准确、高效预报水下圆柱壳前五阶梁式弯曲振动频率范围内的低频域辐射声功率。最后，将该等效算法拓展至复杂壳体结构的低频辐射声功率的预报中，通过对不同边界条件、变截面线形、结构参数变化等因素的计算分析，表明等效梁算法在等效计算大长径比壳体结构低频辐射声功率具有普适性和高效性。试验研究方面，提出了一种基于声场精细校准的声源辐射声功率混响法低频扩展测试技术，以实现复杂结构声源辐射声功率的混响法准确测量，该方法避免了传统混响测量技术中需要对非消声水池的混响时间进行测量，扩展了非消声水池中混响法在低于下限频率时的适用范围。理论推导了绝对软边界的矩形混响水池内点源声场及均匀脉动球源辐射阻的表达式，数值计算分析了该混响场与自由场均方声压及辐射阻比值的对应关系，分析了声源辐射阻对辐射声功率的影响，给出了混响法低频扩展测试技术原理的理论依据。分别在消声水池和非消声水池中开展了典型声源及圆柱壳结构声源辐射声功率的测量试验研究，验证了利用混响法低频扩展测试技术在非消声水池中测量未知声源低频辐射声功率的准确性与有效性。试验结果表明，运用该混响测试技术在下限频率为8000Hz的玻璃水池中对球形声源2000Hz以上范围进行辐射声功率测量，消除了玻璃水池中声场由简正波共振带来的剧烈起伏影响，准确得到声源在消声水池中的声功率，窄带谱偏差小于3dB，声功率级的1/3倍频程谱偏差小于1dB。在非消声水池中运用该混响测试技术在2000Hz以上范围测量圆柱壳结构的辐射声功率，采用不同已知声源对声场校准，得到的圆柱壳模型辐射声功率结果具有良好的一致性，和消声水池测量结果比较偏差小于1.5dB。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第1章绪论  11-24
  1.1 研究背景  11-12
  1.2 研究现状  12-22
    1.2.1 典型壳体结构低频声振特性  12-18
    1.2.2 水下复杂声源辐射声功率的混响测量技术概述  18-21
    1.2.3 亟待解决的问题  21-22
  1.3 论文主要研究内容  22-24
第2章水下壳体结构声辐射预报的理论基础  24-41
  2.1 复杂圆柱结构声辐射解析计算方法  24-32
    2.1.1 壳体的运动方程  24-26
    2.1.2 外部激励力对壳体的作用  26
    2.1.3 环肋对壳体的作用  26-28
    2.1.4 有限长圆柱面的辐射声阻抗  28-30
    2.1.5 声学覆盖层对壳体的作用  30-32
    2.1.6 壳体结构的振动与声辐射求解  32
  2.2 复杂壳体结构声辐射数值计算方法  32-36
    2.2.1 有限元法  32-34
    2.2.2 边界元法  34-36
  2.3 细长壳体结构附加水质量的计算方法  36-38
  2.4 复杂壳体结构声辐射预报方法的数值验证  38-40
  2.5 本章小结  40-41
第3章水下圆柱壳振动与声辐射低频等效算法  41-57
  3.1 等效梁法可行性分析  41-42
  3.2 水下梁声辐射解析计算方法  42-48
  3.3 水下梁声辐射传递矩阵法数值计算  48-50
  3.4 等效梁算法  50-52
  3.5 等效梁算法验证  52-54
  3.6 等效梁算法分析  54-56
  3.7 本章小结  56-57
第4章复杂壳体结构声辐射特性低频等效计算分析  57-75
  4.1 圆柱壳结构辐射声功率低频等效梁计算的一般方法  57-59
  4.2 典型圆柱壳结构声辐射特性的等效计算分析  59-65
    4.2.1 边界条件对圆柱壳声辐射特性影响  59-61
    4.2.2 壳体厚度对圆柱壳声辐射特性影响  61-63
    4.2.3 肋骨参数对加肋圆柱壳声辐射特性影响  63-65
  4.3 复杂壳体结构声辐射特性的等效计算分析  65-74
    4.3.1 变截面壳体声辐射的等效计算分析  66-67
    4.3.2 肋骨对变截面壳声辐射的影响  67-68
    4.3.3 集中质量对变截面壳声辐射的影响  68-70
    4.3.4 舱壁板对变截面壳声辐射的影响  70-72
    4.3.5 复杂壳体结构低频声辐射声功率等效计算  72-74
  4.4 本章小结  74-75
第5章水下声源混响法低频扩展测试技术原理  75-84
  5.1 声源辐射声功率混响法测量的基本原理  75-76
  5.2 混响法低频扩展测试技术原理  76-83
    5.2.1 矩形混响水池内的简正波  76-78
    5.2.2 矩形混响水池内点源的声场  78-79
    5.2.3 矩形混响水池内均匀脉动球源的声阻抗  79-80
    5.2.4 混响法低频扩展测试技术原理  80-81
    5.2.5 混响水池中点源辐射声场的数值计算与分析  81-83
  5.3 本章小结  83-84
第6章水下低频声源辐射声功率试验测量研究  84-99
  6.1 典型声源辐射声功率混响法试验测量研究  84-92
    6.1.1 声源辐射声功率空间平均的均方声压法测试  84-87
    6.1.2 声源辐射声功率的混响法低频扩展技术测试  87-92
  6.2 圆柱壳模型低频声辐射特性的试验测量研究  92-97
    6.2.1 圆柱壳模型辐射声功率在消声水池中的测试  92-94
    6.2.2 圆柱壳模型辐射声功率在非消声水池中的测试  94-96
    6.2.3 圆柱壳模型低频声辐射特性等效算法的试验验证  96-97
  6.3 本章小结  97-99
结论  99-101
参考文献  101-110
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  110-111
致谢  111-112
个人简历  112

水下壳体结构低频声辐射预报方法与试验测试技术研究

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