高 巖，李 兵，戴 江

（1中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫214082；2中國艦船研究院，北京100085；3中國船舶重工集團公司，北京100097）

1 前 言

水下航行體在機械設備激勵下產(chǎn)生水下輻射噪聲，是其在中低航速航行時的主要水下噪聲分量。設備減振安裝、彈性結(jié)構(gòu)局部阻尼處理以及結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設計，是降低機械噪聲的有效技術途徑。為了客觀評價降噪效果和驗證理論預報結(jié)果，需要測量殼體結(jié)構(gòu)的水下輻射聲功率，輻射聲功率是聲源的特性之一，是最能表征聲輻射特征的參數(shù)。

殼體結(jié)構(gòu)水下聲輻射測量的最佳環(huán)境是消聲水池或開闊水域，即無反射回聲的聲學環(huán)境，實際的測量環(huán)境一般都是有限水域，需要考慮界面的影響。Chertock和Musha[1-2]通過測量近場聲壓，并利用聲壓和振速的近似關系，求解Helmholtz積分方程，得到輻射聲功率。文獻[3]利用已知模型輻射效率和試驗測量的結(jié)構(gòu)振動速度的空間均方值，估算水下輻射聲功率。文獻[4]采用近場聲強矢量測量，并在封閉的測量面上進行Gauss積分，得到輻射聲功率。這種方法具有消除有限空間的壁面影響的優(yōu)點，且技術成熟，但其測點數(shù)目較多，工作量大。文獻[5]、[6]采用聲場空間變化法，由NAH變換獲得聲強分布，通過聲強法計算輻射聲功率。文獻[7]采用均方聲壓法，通過測量結(jié)構(gòu)附近一個包絡面上有限個離散測點的均方聲壓值，再對面積積分而獲得結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的輻射聲功率。這種方法簡便易行，但結(jié)構(gòu)所在區(qū)域邊界的影響難以消除，需選取從結(jié)構(gòu)表面到測量表面盡量遠的距離。從聲學環(huán)境角度考慮，國內(nèi)大部分聲學試驗水池未進行消聲處理，池壁的反聲又難達到混響聲場的要求，一般只能作為半混響聲學環(huán)境，文獻[8]采用半混響法測量了模型的輻射聲功率?？梢哉f，上述方法均存在不同的利與弊，空氣中輻射聲功率已形成熟悉可行的測量方法，水下結(jié)構(gòu)尚未建立簡便可靠的輻射聲功率測量方法。

本文以雙層圓柱殼結(jié)構(gòu)模型為研究對象，采用柱形封閉包絡面方法測量測點位置的均方聲壓值，計算獲得輻射聲功率，分析了不同包絡面的測量結(jié)果以及測點數(shù)量對測量精度的影響，并利用標準聲源對測量方法進行可行性和可信性的驗證。

2 試驗方法

2.1 試驗原理

測量殼體結(jié)構(gòu)模型的水下聲輻射需要圍繞測量模型形成一個封閉包絡面，稱為測量面，并將它劃分為M個單元網(wǎng)格，第i個單元面積為Ai，通過第i個單元的聲強為Ii，則聲源的輻射聲功率為[9]：

對（1）式兩邊取對數(shù)，可得聲功率級：

在自由場環(huán)境下，直達聲分量遠遠高于混響聲分量。在這種情況下，化簡（2）式，可得：

將（3）式代入（4）式，可得：

2.2 試驗概況

試驗在開闊水域進行，可近似為自由場環(huán)境。試驗模型為雙層加肋圓柱殼，其尺寸為：長1.6m、內(nèi)殼直徑1m、厚5mm、外殼直徑1.2m、厚2mm，端板內(nèi)裝入鐵砂，一方面降低端板的聲輻射，另一方面起配重作用。

試驗采用電磁激振方式。激振機安裝在激勵板上，激勵板安裝在測試模型基座上。為產(chǎn)生激勵力，激振桿一端固定一個質(zhì)塊，激振機工作時對激勵板產(chǎn)生一個反作用力。為防止激振機工作條件下質(zhì)塊橫向偏移，激振機兩側(cè)各固定安裝一根與激振桿平行的定位梁，梁內(nèi)側(cè)設有滑槽，質(zhì)塊頂端固定一根細梁，激振機工作時細梁可在定位梁滑槽內(nèi)滑動，參見圖1。

在試驗模型上端端板中心位置安裝一個轉(zhuǎn)接法蘭，連接桿與轉(zhuǎn)接法蘭固定連接，模型通過連接桿吊入水中，模型上端面入水深度為10m，連接桿另一端固定在測量轉(zhuǎn)臺上。測量轉(zhuǎn)臺連同模型可在0°～360°內(nèi)旋轉(zhuǎn)。在水面下7m、15m位置，距模型中心為1.8m、2.8m、4.0m、5.2m、6.4m、7.6m位置各布置一個水聽器；分別在距模型中心5.2m和7.6m兩個位置布置水聽器列陣，最上端水聽器入水深度為7m，最下端水聽器入水深度為15m，水聽器間隔分別為0.5m和1m，參見圖2。試驗時沿周向每隔20°測量一次，共18次。模型與水聽器相對旋轉(zhuǎn)一周，上、下端面測點與側(cè)面測點形成柱形封閉包絡面S1、S2，完成對試驗模型輻射聲場的測量。

標準聲源布放在試驗模型所處的水下位置，并在水面下7m、15m位置，距聲源中心為1.6m、2.5m、4.5m、5.7m位置，各布置一個水聽器；在距聲源中心5.7m位置布置水聽器列陣，最上端水聽器入水深度為7m，最下端水聽器入水深度為15m，水聽器間隔為0.5m；同時在水面下11m位置，距聲源中心3.9m、6.9m位置，各布置一個水聽器，參見圖3。

3 試驗結(jié)果

3.1 測量方法校核

球面波聲源在無限區(qū)域中其聲場按球面波規(guī)律傳播，聲場聲壓與距離呈反比關系，距離每增大一倍，聲壓級降低6dB。為了驗證聲源輻射聲場的球面波特性，取聲源軸線方向徑向距離3.9m、5.7m、6.9m位置的聲壓，按球面波傳播規(guī)律進行折算，結(jié)果與理論值的偏差小于1dB，滿足球面波傳播規(guī)律，結(jié)果參見圖4。

在驗證聲源輻射球面波的前提下，根據(jù)（6）式分別計算徑向距離為3.9m、5.7m、6.9m位置的輻射聲功率[10]，同時根據(jù)（5）式計算測量面為柱形封閉包絡面的輻射聲功率，結(jié)果參見圖5。

柱形包絡面法與按球面波傳播規(guī)律計算的聲功率曲線相互吻合。中低頻基本一致，高頻起伏小于4dB，這是因為標準聲源輻射聲場在周向角θ方向的均勻性較好，而在極角φ方向聲場有3dB左右的不均勻性，結(jié)果參見圖6、7。因此，由（5）、（6）式計算的標準聲源輻射聲功率，其偏差可能更主要是由標準聲源輻射聲場不完全滿足球面波傳播特性引起的，可以確認柱形封閉包絡面方法的可行性與可信性。

3.2 試驗模型測量結(jié)果

模型受激振動產(chǎn)生水下聲輻射，測量了包絡面S1、S2上各測點的聲壓均方值，S1側(cè)面測點數(shù)為18×17=306點，S2側(cè)面測點數(shù)為18×9=162，兩個包絡面測點的均方聲壓計算的聲功率吻合一致，400Hz以下的低頻段聲功率頻譜曲線有一定的離散，約為2dB左右，包絡面S1上測量得到的結(jié)果略高；在2.5kHz以上頻段，兩個包絡面測量得到的輻射聲功率偏差約為1dB左右，結(jié)果參見圖8。圖9為頻率640Hz，在水面下7m、9m、11m位置聲壓譜級沿周向分布。

為了分析測點數(shù)量與輻射聲功率測量結(jié)果的關系，針對包絡面S1的測點分布情況，周向測點選取數(shù)量不變，減少軸向測點選取數(shù)量，分別計算輻射聲功率，結(jié)果參見圖10。沿軸向選取2個測點，周向選取18個測點，側(cè)面測點數(shù)量為18×2=36，約占側(cè)面全部測點數(shù)量的1/9，計算的聲功率譜級與全部測點的計算結(jié)果基本一致，偏差小于1.5dB。如果在水面下7m、9m和11m位置0°方向分別取一個側(cè)面測點，其結(jié)果與全部測點的計算結(jié)果偏差為3～5dB，640Hz偏差明顯，偏差結(jié)果參見圖11。參見圖9中輻射聲壓的方向性圖，在0°方向上聲壓譜級偏小，因此，計算的輻射聲功率偏小。

如果軸向選定2個測點，進一步減少周向測點選取數(shù)量，聲功率譜級計算結(jié)果參見圖12。周向選取6個、9個測點計算聲功率譜級，其結(jié)果與全部測點的計算結(jié)果偏差接近，周向選取3個測點計算聲功率譜級，與全部測點的計算結(jié)果偏差小于1.5dB，但周向選取2個測點計算聲功率譜級，計算結(jié)果偏差起伏較大，結(jié)果參見圖13。因此，從上面的分析結(jié)果來看，計算輻射聲功率可沿軸向選取2個測點，沿周向選取3個測點。沿軸向選取2個測點即為水面下7m、11m位置，沿周向選取2個、3個測點即為0°、180°和0°、120°、240°位置。 根據(jù)圖9可知，0°、120°、240°可以表征整個周向上的聲壓分布， 而0°、180°僅可表征部分周向上的聲壓分布，丟失掉一部分較高的聲壓。因此，測點如何選取，決定了輻射聲功率測量結(jié)果的測量精度。測點的選取主要取決于聲場的均勻程度，測點偏少，測量精度明顯變差。如果部分測點的聲壓分布可表征整個聲場的聲壓分布則可利用部分測點進行計算，精度在可接受范圍內(nèi)，且簡化數(shù)據(jù)處理過程，節(jié)省數(shù)據(jù)處理時間。根據(jù)上述分析，本模型受激振動產(chǎn)生的水下輻射聲場分布比較均勻，可選取較少測點進行測量。

4 結(jié) 語

試驗采用柱形封閉包絡面法測量圓柱殼結(jié)構(gòu)模型的輻射聲功率，得到結(jié)果如下：

（1）不同包絡面測得的輻射聲功率譜級，中高頻段具有非常好的一致性，400Hz以下低頻段聲功率頻譜曲線有一定的離散，約為2dB左右，2.5kHz以上頻段聲功率頻譜曲線偏差約為1dB左右。

（2）測點的選取主要取決于聲場的均勻程度，測點偏少，測量精度明顯變差。若部分測點的聲壓分布可表征整個聲場的聲壓分布則可利用部分測點進行計算。

（3）模型受激振動產(chǎn)生的水下輻射聲場分布比較均勻，可選取較少測點進行測量。

致謝：謹向中國船舶科學研究中心俞孟薩、呂世金、吳永興、周慶云、李東升、朱正道、龐業(yè)珍和中國艦船研究院林立、苗金林致以誠摯的謝意！

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