船舶艏部聲吶罩水動力噪聲評估

邵云生，陳亞，朱正道，吳文偉（海軍無錫地區代表室，江蘇無錫406；船舶振動噪聲重點實驗室，江蘇無錫408）

船舶艏部聲吶罩水動力噪聲評估

邵云生1，陳亞1，朱正道2，吳文偉2
（1海軍無錫地區代表室，江蘇無錫214061；2船舶振動噪聲重點實驗室，江蘇無錫214082）

文章針對非規則形狀的艏部聲吶罩，基于統計能量理論，建立了艏部聲吶罩自噪聲的理論模型，并分析了非透聲窗吸聲系數和過渡區聲源對聲吶罩噪聲的影響。經對過渡區聲源高頻噪聲影響的計算修正，大大提高了計算精度。試驗驗證表明，過渡區附近腔體自噪聲計算結果與測試值相差小于5 dB，較好地反映了腔內自噪聲分布規律。

聲吶罩；水動力噪聲；自噪聲；統計能量法

1 引言

艦艇聲吶部位自噪聲主要包括機械噪聲分量和水動力噪聲分量。艦艇艏部聲吶遠離機械振動源，通過圍壁隔聲安裝、聲吶罩內設置隔聲和吸聲障板等措施可以比較輕易地控制機械噪聲對聲吶自噪聲的影響。聲吶罩緊鄰基陣，聲吶罩壁結構受湍流脈動壓力激勵振動產生的輻射噪聲基本沒有傳播損失而影響到聲吶基陣，聲吶部位的自噪聲應該考慮以聲吶罩罩壁結構受湍流脈動壓力激勵產生的水動力噪聲為主要對象。艦艇艏部聲吶罩表面的轉捩區靠近艏部聲吶基陣，轉捩區脈動壓力產生的噪聲直接影響聲吶自噪聲，艦艇艏部聲吶自噪聲應考慮轉捩區的影響。文獻[1]綜述了聲吶自噪聲預報的模型和方法。Maury[2]將機艙劃分為矩形單元，計算湍流脈動壓力激勵機艙壁產生的艙室噪聲。在頻率較高的頻段，結構和聲場激發的振動和聲模態密集，它們隨機迭加使結構振動或聲場空間分布趨于均勻，不再存在明顯的空間峰點和谷點現象，可以采用“統計能量法”（SEA）來模擬。文獻[3]針對布置在水下航行體舷側的聲吶基陣，建立聲吶罩受湍流脈動壓力激勵產生的自噪聲的統計能量計算方法。文獻[4]借鑒集成模態法，將不規則聲吶罩腔體劃分為若干近似矩形腔的子系統，假設每個矩形腔之間有虛擬彈性膜，對應每個子腔體，聲吶罩殼壁劃分為近似矩形板，建立集成統計能量法（Integ-SEA）模型，計算艏部聲吶自噪聲的水動力噪聲分量。文獻[5]采用Cright聲輻射公式以及相關分析方法和功率譜密度概念，計算邊界層轉捩區聲源在艏部聲吶基陣部位產生的噪聲。

本文針對非規則形狀的艏部聲吶罩，采用文獻[4]的方法，用經典的統計能量法建立包括腔體、殼板和虛擬彈性膜子系統的能量平衡方程，再利用虛擬彈性膜質量和剛度為零的條件進行簡化，以聲吶罩壁面的湍流脈動壓力激勵輸入條件，預報艦船艏部聲吶部位自噪聲的水動力噪聲分量，根據Lauchle過渡區湍流單極子猝發理論，計算過渡區直接聲輻射，并對艏部聲吶自噪聲作修正。

2 統計能量基本方程

根據能量守恒原理，子系統消耗的能量加上傳遞給其它子系統的能量，等于輸入給該子系統的能量[6]。對于具有N個子系統的系統，其能量平衡方程組為：

式中：Ei，Pi，ni，和ηi分別為第i個子系統的平均能量、平均輸入功率、模態密度以及能量損耗因子，ηij為第i個子系統和第j個子系統之間的能量傳遞損耗因子，ω為角頻率。

求解（1）式可得各子系統的能量，由求得的能量，腔體內的聲壓譜級按（2）式計算：

其中：ρi、c分別為聲腔中流體介質的密度和聲速，Vi為聲腔的體積。

3 統計參數

3.1 模態密度

對聲吶罩來說，典型的子系統有板殼和聲腔，下面分別給出典型子系統的模態密度。a.矩形彈性平板彎曲振動的模態密度

式中：s、ms和D為平板面積、面密度和彎曲剛度。

由于流體負載的作用，水中平板的群速度不同于真空中平板的群速度，模態密度會發生變化，流體負載使平板模態頻率降低，考慮流體負載的平板模態密度由下式確定：

i合頻率以下，反映平板流體附加質量的近場慣性負載受平板邊界條件的影響不大，可采用無限大平板的流體附加質量模擬透聲窗外聲場的流體負載。

式中：ρ0、C0為聲介質密度和聲速，Cl為平板縱波聲速，fc為吻合頻率，f為頻率，對于透聲窗α=2，非透聲窗α=1。

b.三維聲腔的模態密度

式中：V為聲腔體積，s為聲腔內表面積，l為聲腔的總邊長，c0為聲速。

3.2 損耗因子

a.透聲窗結構能量損耗因子

聲吶罩透聲窗結構的損耗主要由結構材料阻尼和聲輻射阻尼兩部分組成：

式中：ηs為結構材料的損耗系數，約為2.5×10-4~5.0×10-2，ηrod為聲輻射損耗系數，可以由輻射效率計算得到：

式中：σ為輻射效率，其具體表達式由下文給出。

b.聲腔能量損耗因子

聲吶罩腔體的能量損耗，包括聲腔內流體介質的聲吸收以及罩內非透聲界面吸聲材料的聲吸收，聲腔能量損耗因子采用下式計算：

式中：α0為聲介質聲吸收系數，考慮透聲窗聲傳輸和非透聲界面聲吸收的等效吸聲系數。在聲吶工作頻率范圍，聲介質的聲吸收很小，可以忽略不計。

c.平板與聲腔傳遞損耗因子

在吻合頻率以下，平板向空腔的聲輻射效率為向半無限空間的聲輻射效率的2倍，平板與聲腔的傳遞損耗系數為：

式中：平板輻射效率σ可以采用Maidanik公式計算。

fc為吻合頻率，λc為相應的吻合波長，P為平板周長，lx、ly為平板邊長。

d.聲腔與聲腔傳遞損耗因子

式中：s0為聲腔之間的連接面積，vi為聲腔i的體積，τij為聲能傳輸系數。

e.平板與平板連接傳遞損耗因子

式中：CBi為i子系統中的彎曲波速，si為i子系統的面積，L為平板連接的長度，τij為能量傳輸系數，不同的波型和連接形式，其計算方法不同。

角型結構：材料相同，厚度不同的角型結構，彎曲波能量傳遞系數為

式中：ε=h2/h1為厚度比（下同）。

圖1 L型結構Fig.1“L”type structure

圖2 十型結構Fig.2“十”type structure

圖3 T型結構Fig.3“T”type structure

十型結構：材料相同，h1=h3，h2=h4，彎曲波能量傳遞系數為：

T型結構：材料相同，h1=h3，彎曲波能量傳遞系數為：

Hydrodynam ic acoustic assessment on the sonar dome of ships

SHAO Yun-sheng1,CHEN Ya1,ZHU Zheng-dao2,WUWen-wei2
(1 Navy Commissary in Wuxi,Wuxi214061,China;2 China Ship Scientific Research Center,Wuxi214082,China)

In order to control the hydrodynamic noise in sonar dome,a statistical energymodel is used to analyze self-noise of a bow sonar dome with irregular shaped cover.The influence of sound absorption coefficient of non transmission acoustic window and noise source of transition zone on sonar self noise field is analyzed.After the correction of the impact on high frequency noise of the transition zone source,the calculation precision is greatly improved.Test results show that calculation results of self noise in the cavity near the transition zone agree wellwith the experimental results,and well reflect the sound field distribution of sonar cavity.

sonar dome;hydrodynamic noise;self noise;SEA

U661.4

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2014.11.014

1007-7294（2014）11-1386-11

2014-08-20

邵云生（1976-），男，海軍無錫地區代表室高級工程師；

陳亞（1985-），男，高級工程師；

朱正道（1980-），男，中國船舶科學研究中心高級工程師，E-mail：zd_zhu@163.com。