，,2， ，

(1.哈爾濱工程大學 船舶工程學院，哈爾濱 150001;2.中國人民解放軍92857部隊，北京 100007)

艦船的隱蔽性與先敵發(fā)現(xiàn)的能力是艦船保存自己、有效打擊敵人的前提。降低聲吶部位的自噪聲，改善聲吶的工作環(huán)境，就意味著提高聲吶的作用距離，而提高聲吶平臺的作用距離則是提高艦船先敵發(fā)現(xiàn)能力的關(guān)鍵。由此可見，聲吶自噪聲的研究非常重要[1]。近年來越來越多的人學者開始關(guān)注聲吶自噪聲的研究[2-5]，但目前基于統(tǒng)計能量法(SEA)對聲吶自噪聲研究的還很少見。為此，基于統(tǒng)計能量分析法(SEA)[6]討論聲吶平臺自噪聲特性及降噪措施。

1 分析模型的建立

根據(jù)設(shè)計圖紙在有限元軟件ANSYS中建立有限元模型。該船體模型長120.1 m、型寬14.4 m、型深8.2 m，船殼厚度6.8 mm、加強肋板厚度4.4 mm。殼體材料為鋼材，材料屬性：彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 800 kg/m3，船殼內(nèi)壁布置加強筋以增加模型殼體的強度。在實際計算中考慮到附加質(zhì)量的影響，對密度做適當加大處理。將有限元模型導入統(tǒng)計能量軟件VAONE中，根據(jù)統(tǒng)計能量分析采用統(tǒng)計能量平均的特點對部分結(jié)構(gòu)細節(jié)進行適當簡化，建立相應(yīng)SEA分析模型，見圖1。

圖1 某艦船SEA板殼子系統(tǒng)

全船子系統(tǒng)共3 205個，其中板殼子系統(tǒng)為3 175個，聲腔子系統(tǒng)30個。

根據(jù)統(tǒng)計能量分析方法的基本出發(fā)點，將復(fù)雜的船體結(jié)構(gòu)劃分為3 205個子系統(tǒng)(包括結(jié)構(gòu)和聲場)，在外界激勵作用下產(chǎn)生振動時，子系統(tǒng)間通過接觸邊界進行能量交換，見圖2。聲吶平臺模型的SEA簡化模型見圖3。每個子系統(tǒng)的振動參數(shù)如：位移、加速度、聲壓均可由能量求得，所以“能量”是分析結(jié)構(gòu)噪聲的基本未知量。

圖2 艦船子系統(tǒng)之間的振動能量傳遞示意

圖3 某艦船聲吶平臺SEA聲腔簡化模型

進行統(tǒng)計能量分析的第一步就是確定由相似模態(tài)群構(gòu)成的子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)必須能夠清楚地表示出能量的輸入、儲存、耗散和傳輸?shù)忍匦浴Ｃ枋鲞@些子系統(tǒng)的參數(shù)有：模態(tài)密度、輸入功率、損耗因子(包括內(nèi)損耗因子和耦合損耗因子)等，這樣對每個子系統(tǒng)都能列出一個能量平衡方程，最終得到一個高階線性方程組，解此方程組求得每個子系統(tǒng)的能量，進而由能量得到需要的各個子系統(tǒng)的振動參數(shù)，如位移、速度、加速度和聲壓等。

對結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)，其振動均方速度為

(1)

式中：Ei——子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的模態(tài)振動能量;

Mi——子系統(tǒng)質(zhì)量。

振動速度級為

(2)

式中：v0——參考速度值，v0=1×10-9m/s。

據(jù)此相應(yīng)地可求出系統(tǒng)的加速度級。

對聲場子系統(tǒng)，其聲壓均方值為

(3)

聲壓級為

(4)

式中：p0——水介質(zhì)中的參考聲壓，p0=1×10-6N/m2。

由此建立能量與響應(yīng)之間的關(guān)系，由能量得到響應(yīng)量，由響應(yīng)量計算出能量。

2 聲吶平臺自噪聲特性分析

由于全船的損耗因子并未具體給出，文中按照工程項目經(jīng)驗，初步將全船的損耗因子定為0.000 1，在此基礎(chǔ)上，對艦船聲吶平臺自噪聲特性進行分析。

1)驗證計算條件是否滿足，模態(tài)密度類似于熱力學中的熱容量，它是描述振動系統(tǒng)儲存能量能力大小的一個物理量。統(tǒng)計能量法要求子系統(tǒng)帶寬內(nèi)的模態(tài)數(shù)(子系統(tǒng)模態(tài)密度)大于或者等于4。由圖4可知，大部分子系統(tǒng)的帶寬模態(tài)數(shù)大于5，滿足統(tǒng)計能量法的計算要求。

圖4 部分子系統(tǒng)的帶寬模態(tài)數(shù)

2)根據(jù)噪聲源類型分析本艦船的主要載荷。對機械載荷噪聲源的影響主要考慮主機、齒輪箱、風機、水泵、消防泵；對螺旋槳噪聲源只考慮螺旋槳激勵載荷；對于水動力噪聲源，主要考慮海水對艦船產(chǎn)生的湍流脈動干擾。全船的主要設(shè)備激勵載荷有前主機、后主機、輔機、齒輪箱、螺旋槳、前消防泵、后消防泵、風機以及前水泵。以上載荷對聲吶平臺自噪聲的影響見表1。

表1 幾種載荷對聲吶平臺自噪聲的影響

在驗證計算條件以后，對噪聲源類型與相對應(yīng)載荷進行梳理，計算分析載荷對于聲吶平臺自噪聲的影響，見圖5。

圖5 不同工況下聲吶平臺自噪聲的影響

由圖5可見，不同的工況下與湍流脈動對聲吶平臺自噪聲的影響不一樣。在單機工況下，水泵對聲吶平臺自噪聲的貢獻量最大，其次是風機，接下來是齒輪箱與主機，最小的是螺旋槳。因此，可以得出機械載荷噪聲源為聲吶平臺自噪聲的主要噪聲源。不同機械載荷對聲吶平臺自噪聲的影響見圖6。

圖6 不同機械載荷對聲吶平臺自噪聲的影響

通過圖6可知，所有載荷全開時，聲吶平臺的自噪聲聲壓級為96.9 dB，而單開水泵時候?qū)β晠绕脚_自噪聲聲壓級為96.3 dB，比其余4種單機工況的影響都大，因此可以確定水泵機械載荷是噪聲的主傳導途徑，其次是風機載荷。

通過對主要噪聲源與主傳導途徑分析可知，離聲吶換能艙室越近的激勵載荷對聲吶自噪聲的貢獻越大，反之越小。本艦船的聲吶平臺工作頻率為6.3 kHz，因此最后只需要考核在6.3 kHz下載荷對聲吶平臺自噪聲影響的大小。從圖6可知，所有載荷全開工況下在6.3 kHz下的聲吶平臺自噪聲的聲壓級為96.9 dB，而在6.3 kHz下的聲吶平臺自噪聲的考核聲壓級為90 dB，因此不符合考核要求。

3 聲吶平臺自噪聲優(yōu)化

由上述分析可見，聲吶平臺的自噪聲的聲壓值超過了考核要求。因此，要對聲吶平臺進行減振降噪的優(yōu)化措施。由于經(jīng)過各艙室結(jié)構(gòu)的主要噪聲源與其布置密切相關(guān)，故聲吶平臺自噪聲改進控制措施方法不能一概而論，而應(yīng)在噪聲源、傳遞途經(jīng)、艙室防護等綜合環(huán)節(jié)進行考慮。由以上分析可知，機械載荷噪聲源為聲吶平臺的主要噪聲源。因此主要有以下優(yōu)化途徑。

1)噪聲源。對主要噪聲源進行減振隔振措施，由于在進行計算分析時，所施加的機械載荷均是經(jīng)過隔振以后的數(shù)值，因此該途徑在計算時已經(jīng)被考慮。

2)傳遞途徑。分析主傳導途徑可知，水泵為主傳導途徑，由能量的傳遞原理可知，能量在傳遞過程中存在耗散和被材料吸收的現(xiàn)象，因此，可以通過在主要傳遞途徑上采用玻璃纖維、石棉纖維等吸聲材料、減振鋼板、減振材料等手段來適當增大材料的損耗因子，以達到在傳遞路徑上吸收更多的能量，減少到達目標艙室的能量。

3)艙室防護。當振動能量傳遞到聲吶換能艙室時，可在艙室內(nèi)敷設(shè)吸聲尖劈，吸收能量，降低艙室的自噪聲。

通過比較上述優(yōu)化途徑，確定出3種優(yōu)化方案：①為將材料損耗因子增大到0.01，增加能量傳遞途徑中的耗散量，使到達聲吶平臺的能量達到最低，進而降低聲吶平臺自噪聲。②對聲吶換能艙敷設(shè)吸聲尖劈[7-8]進行艙室防護，當能量傳遞到聲吶換能艙室時，吸聲尖劈將吸收一部分能量，進而降低聲吶平臺自噪聲。③在對聲吶換能艙室加吸聲尖劈的基礎(chǔ)上適當?shù)貙⒉牧蠐p耗因子增大到0.002。

表2為將整船的材料損耗因子增大到0.01時在考核頻點下艦船聲吶平臺自噪聲聲壓。表3為在聲吶換能艙敷設(shè)吸聲尖劈下艦船聲吶平臺自噪聲聲壓。表4給出了對聲吶換能艙室加吸聲尖劈的基礎(chǔ)上適當?shù)貙⒉牧蠐p耗因子增大到0.002時聲吶平臺自噪聲聲壓。3種不同方案下聲吶平臺自噪聲對比見圖7。

表2 材料損耗因子為0.01時聲吶平臺自噪聲聲壓 dB

表3 聲吶換能艙室敷設(shè)吸聲尖劈后聲吶平臺自噪聲聲壓 dB

表4 材料損耗因子為0.002，敷設(shè)吸聲尖劈后聲吶平臺自噪聲聲壓

圖7 3種不同優(yōu)化方案對聲吶平臺自噪聲的影響

通過表2～4可知，在將整船的損耗因子增大到0.01與在聲吶換能艙室敷設(shè)吸聲尖劈都可以達到一定的降噪效果，符合設(shè)計要求，且將整船的損耗因子增大到0.01比在聲吶換能艙室加吸聲尖劈的降噪效果更明顯。然而從可行性與經(jīng)濟原則來看，敷設(shè)吸聲尖劈比增大材料的損耗因子更加合理。故在達到一定的設(shè)計要求的前提下，應(yīng)該更加關(guān)注經(jīng)濟效益，因此，在對聲吶換能艙室敷設(shè)吸聲尖劈的基礎(chǔ)上適當?shù)貙⒉牧蠐p耗因子增大到0.002更加合理。通過表4與圖7可知，第3種方案能達到設(shè)計要求，因此第3種方案為最佳優(yōu)化方案。

4 結(jié)論

1)機械載荷是聲吶平臺自噪聲的主要噪聲源，其次為水動力，最小的是螺旋槳載荷。并且不同的激勵載荷對聲吶平臺自噪聲的影響不一樣。

2)離聲吶平臺艙室越近，則對聲吶平臺自噪聲影響越大。

3)與在聲吶換能艙室敷設(shè)吸聲尖劈相比，增加材料損耗因子對聲吶平臺自噪聲的影響效果更為顯著。工程中在主傳導路徑上采取控制措施從而增大損耗因子得到的降噪效果最優(yōu)。

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