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：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)計為背景，針對周期加肋夾芯平板和平行腔體組成的簡化聲吶罩模型，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)隨機湍流脈動壓力激勵產(chǎn)生的聲吶部位水動力自噪聲的計算方法，數(shù)值計算肋骨幾何尺寸和間距等參數(shù)對聲吶自噪聲的影響。研究結(jié)果表明：加肋透聲窗在湍流脈動壓力激勵下產(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；湍流邊界層脈動壓力中圖分類號：U666.7文獻標識碼：A1引言上世紀90年代，國外在低噪聲聲吶罩設(shè)計時，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、比強度高等優(yōu)點［2】。聲吶罩透聲窗設(shè)計的一個基木要求就是保證其有足夠

3、的結(jié)構(gòu)強度，增加透聲窗壁厚固然可以啟效提高強度，但同時也會降低透聲窗的透聲性并增人聲波束畸變。為了權(quán)衡高強度、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用價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力噪聲分最為主。它是透聲窗受湍流脈動壓力激勵產(chǎn)生的振動所輻射的噪聲。由于實際聲吶罩形狀復(fù)雜，聲吶部位白噪聲的水動力噪聲分量研究，一般都采用簡化模型。Rao⑶建立了彈性平板覆蓋的矩形腔聲吶罩模型，計算艦船的聲吶自噪聲。Maidani

4、k141^用無限人平行板模型，計算湍流脈動壓力激勵產(chǎn)生的聲吶罩內(nèi)部噪聲。Rao⑸解析求解簡支矩形彈性板在湍流脈動壓力激勵下的振動加速度功率譜，再通過模型激振試驗測定振動加速度與罩內(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力噪聲分量頻率較高，適合采用統(tǒng)計能最法計算。Muet161和Vassa"采用統(tǒng)計能量法，建立了聲吶罩在湍流脈動壓力激勵下白噪聲的計算方法。Han等人⑻采用能最流分析法，求解以時空平均能量密度為參數(shù)的平板振動方程，預(yù)報彈性平板受湍流脈動壓力激勵產(chǎn)牛的振動以及平板下方矩形

5、腔內(nèi)的均方聲壓。文獻［9」較系統(tǒng)地歸納過聲吶罩聲學(xué)設(shè)計的基本問題和自噪聲計算方法。針對聲吶罩透聲窗的加肋薄壁結(jié)構(gòu)受湍流脈動壓力激勵的聲輻射問題，Shsh［,01研究了單根和多根肋骨加強的無限人平板與湍流脈動壓力的相收稿日期: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壓力激勵的振動響應(yīng)。Rumerman112131研究了帶有單根、多根或無限根加強肋骨的均勻和非均勻板，受湍流脈動壓力激勵的聲輻射，給出有限帶寬輻射聲功率的近似

6、表達式。但沒有考慮肋骨對湍流脈動壓力的散射所產(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的效應(yīng)。木文在文獻［14、15］研究夾芯透聲窗受平穩(wěn)隨機湍流脈動壓力激勵產(chǎn)生的水動力自噪聲計算方法基礎(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)部腔體簡化為平行液體層，淡化聲吶罩線型等因素對透聲窗聲學(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計算柔性層流動噪聲的方法，建立

7、加肋夾芯透聲窗受平穩(wěn)隨機湍流脈動壓力激勵產(chǎn)牛水動力自噪聲的計算方法，數(shù)值計算肋骨幾何尺寸和間距等參數(shù)對聲吶自噪聲的影響，并分析加肋夾芯透聲窗產(chǎn)生的聲吶自噪聲特征。2聲吶口噪聲計算模型考慮如圖1所示的聲吶罩水動力白噪聲計算模型：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；聲吶腔簡化為平行液體層，聲吶基陣簡化為表面聲反射系數(shù)為R的平面。建立如圖1所示的坐標系，為方便起見，令：z°=0,Z2=+Is，圖1聲吶罩自噪聲計算模型在區(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方程:DW+g—畑葉嚴心）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