周期加肋夾芯透聲窗的聲吶自噪聲特性研究

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1、國造船SHIPBUILDINGOFCHINA文章編號(hào)：1000-4882(2008)03-0025-13周期加肋夾芯透聲窗的聲吶自噪聲特性研究俞孟薩，李東升，白振國摘要以艦船聲吶罩透聲窗的低噪聲設(shè)計(jì)為背景，針對(duì)周期加肋夾芯平板和平行腔體組成的簡(jiǎn)化聲吶罩模型，采用Fourier變換方法和功率譜密度概念，建立加肋夾芯透聲窗受平穩(wěn)隨機(jī)湍流脈動(dòng)壓力激勵(lì)產(chǎn)生的聲吶部位水動(dòng)力自噪聲的計(jì)算方法，數(shù)值計(jì)算肋骨幾何尺寸和間距等參數(shù)對(duì)聲吶自噪聲的影響。研究結(jié)果表明：加肋透聲窗在湍流脈動(dòng)壓力激勵(lì)下產(chǎn)生的聲吶自噪聲，取決于聲吶罩的空

2、間濾波特性。肋骨引起的波數(shù)遷移，使透聲窗與湍流脈動(dòng)壓力的傳輸峰值分量發(fā)生空間吻合共振，明顯增大聲吶自噪聲。加肋夾芯透聲窗的彈性波傳播截止效應(yīng)，部分抵消肋骨產(chǎn)生的空間調(diào)制效應(yīng)，可降低聲吶自噪聲5~10dB。關(guān)鍵詞：船舶、艦船工程；聲吶自噪聲；透聲窗；湍流邊界層脈動(dòng)壓力中圖分類號(hào)：U666.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A1引言上世紀(jì)90年代，國外在低噪聲聲吶罩設(shè)計(jì)時(shí)，在兩層玻璃鋼中加設(shè)一層高分子粘彈性材料，制作夾芯透聲窗。這種透聲窗具有插入損失小、阻尼因子大、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)［2】。聲吶罩透聲窗設(shè)計(jì)的一個(gè)基木要求就是保證其有足夠

3、的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，增加透聲窗壁厚固然可以啟效提高強(qiáng)度，但同時(shí)也會(huì)降低透聲窗的透聲性并增人聲波束畸變。為了權(quán)衡高強(qiáng)度、高透聲和低噪聲三方面的性能，透聲窗較多地采用加肋結(jié)構(gòu)形式。加肋夾芯玻璃鋼透聲窗已成為一種實(shí)用價(jià)值較高的新型聲吶透聲窗結(jié)構(gòu)。艦船聲吶罩內(nèi)基陣部位自噪聲在較高航速和較高頻段以水動(dòng)力噪聲分最為主。它是透聲窗受湍流脈動(dòng)壓力激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)所輻射的噪聲。由于實(shí)際聲吶罩形狀復(fù)雜，聲吶部位白噪聲的水動(dòng)力噪聲分量研究，一般都采用簡(jiǎn)化模型。Rao⑶建立了彈性平板覆蓋的矩形腔聲吶罩模型，計(jì)算艦船的聲吶自噪聲。Maidani

4、k141^用無限人平行板模型，計(jì)算湍流脈動(dòng)壓力激勵(lì)產(chǎn)生的聲吶罩內(nèi)部噪聲。Rao⑸解析求解簡(jiǎn)支矩形彈性板在湍流脈動(dòng)壓力激勵(lì)下的振動(dòng)加速度功率譜，再通過模型激振試驗(yàn)測(cè)定振動(dòng)加速度與罩內(nèi)自噪聲的空間傳遞函數(shù)，估算聲吶自噪聲功率譜。考慮到聲吶自噪聲中水動(dòng)力噪聲分量頻率較高，適合采用統(tǒng)計(jì)能最法計(jì)算。Muet161和Vassa"采用統(tǒng)計(jì)能量法，建立了聲吶罩在湍流脈動(dòng)壓力激勵(lì)下白噪聲的計(jì)算方法。Han等人⑻采用能最流分析法，求解以時(shí)空平均能量密度為參數(shù)的平板振動(dòng)方程，預(yù)報(bào)彈性平板受湍流脈動(dòng)壓力激勵(lì)產(chǎn)牛的振動(dòng)以及平板下方矩形

5、腔內(nèi)的均方聲壓。文獻(xiàn)［9」較系統(tǒng)地歸納過聲吶罩聲學(xué)設(shè)計(jì)的基本問題和自噪聲計(jì)算方法。針對(duì)聲吶罩透聲窗的加肋薄壁結(jié)構(gòu)受湍流脈動(dòng)壓力激勵(lì)的聲輻射問題，Shsh［,01研究了單根和多根肋骨加強(qiáng)的無限人平板與湍流脈動(dòng)壓力的相收稿日期:2006-10-13;修改稿收稿日期:2007-03-28互作川。Maidanik和Dickey1111研究了周期性加肋板受湍流脈動(dòng)壓力激勵(lì)的振動(dòng)響應(yīng)。Rumerman112131研究了帶有單根、多根或無限根加強(qiáng)肋骨的均勻和非均勻板，受湍流脈動(dòng)壓力激勵(lì)的聲輻射，給出有限帶寬輻射聲功率的近似

6、表達(dá)式。但沒有考慮肋骨對(duì)湍流脈動(dòng)壓力的散射所產(chǎn)生的波數(shù)遷移，忽略了傳輸波數(shù)分量因波數(shù)遷移而使空間耦合增強(qiáng)的效應(yīng)。木文在文獻(xiàn)［14、15］研究夾芯透聲窗受平穩(wěn)隨機(jī)湍流脈動(dòng)壓力激勵(lì)產(chǎn)生的水動(dòng)力自噪聲計(jì)算方法基礎(chǔ)上，利用Maidanik⑷提出的平板和平行腔體組合的聲吶罩模型，重點(diǎn)模擬加肋夾芯透聲窗結(jié)構(gòu)，考慮肋骨與夾芯平板的相互作用，聲吶罩內(nèi)部腔體簡(jiǎn)化為平行液體層，淡化聲吶罩線型等因素對(duì)透聲窗聲學(xué)性能的影響。采用空間Fourier變換方法和功率譜密度函數(shù)，參照Ko和Heatwole“、⑺計(jì)算柔性層流動(dòng)噪聲的方法，建立

7、加肋夾芯透聲窗受平穩(wěn)隨機(jī)湍流脈動(dòng)壓力激勵(lì)產(chǎn)牛水動(dòng)力自噪聲的計(jì)算方法，數(shù)值計(jì)算肋骨幾何尺寸和間距等參數(shù)對(duì)聲吶自噪聲的影響，并分析加肋夾芯透聲窗產(chǎn)生的聲吶自噪聲特征。2聲吶口噪聲計(jì)算模型考慮如圖1所示的聲吶罩水動(dòng)力白噪聲計(jì)算模型：透聲窗為加肋夾芯彈性平板，其外層為玻璃鋼板，小間層為粘彈性層，內(nèi)層為單向周期性加肋玻璃鋼板；聲吶腔簡(jiǎn)化為平行液體層，聲吶基陣簡(jiǎn)化為表面聲反射系數(shù)為R的平面。建立如圖1所示的坐標(biāo)系，為方便起見，令：z°=0,Z2=+Is，圖1聲吶罩自噪聲計(jì)算模型在區(qū)域vI＞和＜，＞中，聲壓#i（x,y,

8、z,Q）和”2（x,y,z,＜y）分別滿足理想聲介質(zhì)中小振幅波動(dòng)方程：（1）（i=l＞2）式中，*o=Q/Co為聲波數(shù)，Co為水中聲速，①為圓頻率。區(qū)域vll＞、＜IV＞,彈性平板滿足經(jīng)典薄板小振幅彎曲振動(dòng)方程:DW+g—畑葉嚴(yán)心）Lz=z2~P2z=z.-Pf（'=2）式中，Dj、hi、C,分別為外層和內(nèi)層平板沿2方向的振動(dòng)位移、彎Illi剛度、厚度和粘性阻尼參數(shù)；Ps、E、v分別為平板密度、楊氏