張 波，向 陽(yáng)，郭 寧，李 飛，肖鴻飛

(1. 武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；2. 船舶動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)用技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430063)

水下雙層圓柱殼全頻段聲振特性研究

張 波1,2，向 陽(yáng)1,2，郭 寧1,2，李 飛1,2，肖鴻飛1,2

(1. 武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；2. 船舶動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)用技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430063)

為研究水下雙層圓柱殼結(jié)構(gòu)全頻段聲振特性，基于VA-ONE建立了FE-BEM混合法、FE-SEA混合法及SEA法3種不同的計(jì)算模型，進(jìn)行了不同輻射介質(zhì)中輻射聲功率及外殼振速的計(jì)算，并進(jìn)一步研究了內(nèi)外殼及肋板厚度、約束條件、激勵(lì)位置及層間流體對(duì)雙層圓柱殼聲輻射特性的影響；基于FE-BEM混合法研究了圓柱殼結(jié)構(gòu)的聲散射特性；研究了肋板在結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量傳遞中的作用，提出了2種阻尼肋板的減振降噪方案并進(jìn)行相關(guān)仿真分析。結(jié)果表明：重流體能夠抑制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，但由于重流體聲阻抗較大，結(jié)構(gòu)的輻射聲功率變大；結(jié)構(gòu)聲散射曲線在某些頻率處出現(xiàn)峰值，且峰值頻率與結(jié)構(gòu)自身的固有特性有關(guān)；阻尼肋板能得到較好的減振降噪效果，工程上建議使用金屬聚氨酯阻尼肋板。

水下聲輻射；雙層圓柱殼；全頻段；阻尼肋板

0 引 言

潛艇及艦船的隱身性直接影響到艦艇的作戰(zhàn)能力，而艦艇結(jié)構(gòu)的自噪聲又是影響隱身性最主要的因素，因此對(duì)艦艇結(jié)構(gòu)進(jìn)行水下聲輻射預(yù)報(bào)及聲振特性研究具有重要意義。潛艇及艦船動(dòng)力艙段的主要結(jié)構(gòu)形式通常是圓柱殼，因此研究雙層圓柱殼水下聲輻射具有實(shí)際意義。李海峰等[1]利用三維水彈性力學(xué)理論及三維水彈性聲學(xué)軟件深入研究了軸承剛度及間距對(duì)水下結(jié)構(gòu)聲振特性的影響，得到了較為實(shí)用的結(jié)論，但其主要研究100 Hz以下的結(jié)構(gòu)水下聲振特性。張陽(yáng)陽(yáng)等[2]利用三維聲彈性理論研究了彈性板-圓柱殼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和水下聲輻射，并提出了切實(shí)可行的降噪方案，但其研究的頻率范圍主要在300 Hz以下，屬于低頻段。和衛(wèi)平等[3]利用統(tǒng)計(jì)能量法計(jì)算了環(huán)肋圓柱殼在力激勵(lì)下的高頻段振動(dòng)與聲輻射，并與解析法計(jì)算結(jié)果取得了較好的吻合，證明了統(tǒng)計(jì)能量法在進(jìn)行高頻段圓柱殼聲振響應(yīng)研究的有效性。譚路等[4]通過(guò)結(jié)構(gòu)有限元法及流體的邊界元法得到圓柱殼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，運(yùn)用波數(shù)譜法將結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行波數(shù)域展開，獲得了結(jié)構(gòu)振動(dòng)和輻射聲功率的波數(shù)譜，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)聲輻射模式的判斷，其研究?jī)?nèi)容對(duì)圓柱殼結(jié)構(gòu)的聲學(xué)設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的針對(duì)性，但其分析范圍限于中低頻段。姚熊亮等[5]基于Flugge殼體理論及Helmholtz方程，對(duì)雙層圓柱殼聲振耦合方程進(jìn)行求解，并研究了層間不同連接介質(zhì)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)及聲輻射特性的影響，但其主要研究500 Hz以下的結(jié)構(gòu)聲輻射性能。夏齊強(qiáng)等[6]基于阻抗失配及波形轉(zhuǎn)換原理設(shè)計(jì)出一種阻抗加強(qiáng)型環(huán)形肋，其研究結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)出的圓柱殼結(jié)構(gòu)能夠有效地降低輻射噪聲，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值，但其研究頻率范圍也是500 Hz以下。Mauro Caresta等[7]研究了圓柱殼結(jié)構(gòu)在軸向激勵(lì)下的低頻振動(dòng)特性和聲輻射特性，利用兩端有無(wú)限大障板的有限長(zhǎng)圓柱殼模型模擬無(wú)限長(zhǎng)圓柱殼，利用模糊理論模擬加強(qiáng)筋的作用，利用無(wú)限元法計(jì)算流體載荷的壓力作用，從而獲得結(jié)構(gòu)輻射聲壓，并與有限元/邊界元計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了本文方法的準(zhǔn)確性，并進(jìn)一步研究了環(huán)筋和流體載荷等變量對(duì)有限長(zhǎng)圓柱殼的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和聲學(xué)響應(yīng)的影響。

由前述分析可以看出，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究了圓柱殼結(jié)構(gòu)低頻段或高頻段的聲振特性，但對(duì)圓柱殼結(jié)構(gòu)全頻段聲振特性的研究還鮮有涉及。本文將利用FE-BEM混合法、FE-SEA混合法及SEA法進(jìn)行全頻段水下雙層圓柱殼結(jié)構(gòu)的聲振響應(yīng)計(jì)算及特性研究，以期為艦艇的水下全頻段聲振預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)。

1 理論概述

1.1 FE-BEM混合法基本理論

FE-BEM混合法的基本思想是：先通過(guò)有限元法計(jì)算結(jié)構(gòu)的振動(dòng)物理量，如結(jié)構(gòu)的位移及振速，然后將結(jié)構(gòu)表面的振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果作為輻射聲場(chǎng)的邊界條件，利用BEM求解器獲得模型輻射聲阻抗矩陣、模態(tài)阻力矢量以及節(jié)點(diǎn)速度等中間數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出結(jié)構(gòu)輻射聲場(chǎng)。

1.2 FE-SEA混合法基本理論

FE-SEA混合法以波動(dòng)耦合理論為基礎(chǔ)，將系統(tǒng)分為長(zhǎng)波（有限元）子系統(tǒng)和短波（統(tǒng)計(jì)能量法）子系統(tǒng)，2個(gè)子系統(tǒng)間通過(guò)混合連接進(jìn)行耦合。具有不確定邊界的統(tǒng)計(jì)性子系統(tǒng)的響應(yīng)可看作直接場(chǎng)與混響場(chǎng)的疊加。采用有限元法計(jì)算直接場(chǎng)的響應(yīng)，采用統(tǒng)計(jì)能量法計(jì)算統(tǒng)計(jì)性子系統(tǒng)的能量響應(yīng)，然后根據(jù)擴(kuò)散場(chǎng)互易關(guān)系求出統(tǒng)計(jì)性子系統(tǒng)的混響場(chǎng)載荷[8-10]。最后利用混合連接將統(tǒng)計(jì)性子系統(tǒng)與確定性子系統(tǒng)進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)中低頻段結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)的計(jì)算與分析。

1.3 SEA法基本理論

統(tǒng)計(jì)能量法從時(shí)間平均、頻率平均及空間平均的統(tǒng)計(jì)角度預(yù)測(cè)子系統(tǒng)間的能量流傳遞、各子系統(tǒng)的能量響應(yīng)。該方法的基本原理是：將整個(gè)結(jié)構(gòu)分成若干個(gè)統(tǒng)計(jì)能量子系統(tǒng)，對(duì)每個(gè)SEA子系統(tǒng)建立能量平衡方程；最后，將各子系統(tǒng)能量平衡方程聯(lián)合求解，從而得出各子系統(tǒng)的能量響應(yīng)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)能量分析模型中每個(gè)子系統(tǒng)單位帶寬內(nèi)模態(tài)數(shù)N的多少，可將研究對(duì)象的頻率范圍劃分為低頻區(qū)、中頻區(qū)和高頻區(qū)；N≥5為高頻區(qū)；1＜N＜5為中頻區(qū)；N≤1為低頻區(qū)。

2 雙層加肋圓柱殼聲振特性研究

雙層圓柱殼長(zhǎng)為11 m、內(nèi)徑為7 m、外徑為8 m、內(nèi)外殼厚度均為0.036 m。內(nèi)外殼間為環(huán)形肋板，肋板厚為0.036 m，以間隔1 m的距離沿母線方向橫向布置。外殼及肋板材料均為鋼材，密度為7 800 kg/m3，泊松比為0.3，楊氏模量為2.1E11 Pa，雙層圓柱殼兩端面沿圓周邊簡(jiǎn)支。力作用在圓柱殼內(nèi)殼中心位置，大小為50 N，方向垂直母線向上，場(chǎng)點(diǎn)設(shè)在圓柱殼外殼正上方3 m處，輻射介質(zhì)為水，水的密度為1 000 kg/m3，水中聲速為1 500 m/s，雙層圓柱殼模型如圖1所示?；赩A-ONE軟件對(duì)雙層圓柱殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行帶寬內(nèi)模態(tài)數(shù)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，在16～80 Hz范圍內(nèi)，內(nèi)外殼、端面及肋板的模態(tài)數(shù)N≤1，定義為低頻區(qū)；在100～400 Hz范圍內(nèi)，內(nèi)外殼模態(tài)數(shù)N ≥5，端面及肋板模態(tài)數(shù)1＜N＜5，定義為中頻區(qū)；在500～4 000 Hz范圍內(nèi)，內(nèi)外殼、端面及肋板模態(tài)數(shù)N≥5，定義為高頻區(qū)。針對(duì)不同的頻率區(qū)間采用不同的計(jì)算方法，針對(duì)不同的計(jì)算方法建立不同的仿真模型；在低頻段，圓柱殼結(jié)構(gòu)內(nèi)外殼、端面及肋板均建立為有限元子系統(tǒng)；在中頻段，端面及肋板建立為有限元子系統(tǒng)，內(nèi)外殼建立為統(tǒng)計(jì)能量子系統(tǒng)；在高頻段，內(nèi)外殼、端面及肋板均建立為統(tǒng)計(jì)能量子系統(tǒng)；3種不同的計(jì)算模型如圖3所示。

通過(guò)VA-ONE對(duì)圖3中不同計(jì)算模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)及場(chǎng)點(diǎn)輻射聲功率的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，由于附漣水的作用，雙層圓柱殼結(jié)構(gòu)在水中的輻射聲功率與外殼振速均快速達(dá)到峰值，且峰值向低頻方向移動(dòng)；在整個(gè)分析頻段內(nèi)（除80 Hz外），水中結(jié)構(gòu)的輻射聲功率大于空氣中的輻射聲功率，且水中總體輻射聲功率（111.08 dB）大于空氣中總體輻射聲功率（101.55 dB）；在所分析頻段內(nèi)（除16～30 Hz范圍外），水中外殼的振速小于空氣中的值。在中低頻段，結(jié)構(gòu)在水中的輻射聲功率曲線和外殼振動(dòng)速度曲線出現(xiàn)多個(gè)峰值；在中高頻段，結(jié)構(gòu)的外殼振速在水中和空氣中相差不大。以上特性表明：重流體負(fù)載會(huì)消耗結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量并且抑制結(jié)構(gòu)外殼的振動(dòng)速度，改變結(jié)構(gòu)的固有特性，尤其是中低頻段的固有特性。

水雖然能夠抑制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度，但由于水的密度及水中聲速遠(yuǎn)大于空氣，水中的聲阻抗遠(yuǎn)大于空氣，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)水下輻射聲功率大于空氣中的輻射聲功率，這說(shuō)明結(jié)構(gòu)輻射聲功率不僅與結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度有關(guān)，還與輻射介質(zhì)的阻抗特性有關(guān)。

為研究?jī)?nèi)外殼及肋板對(duì)結(jié)構(gòu)水下聲振響應(yīng)的影響，本文分別改變外殼厚度、內(nèi)殼厚度及肋板厚度，并進(jìn)行全頻段的聲振響應(yīng)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

由圖5（a）可以看出，在所分析的頻段范圍內(nèi)，隨著外殼厚度的增加，結(jié)構(gòu)在水中的輻射聲功率也會(huì)增加（3種厚度下結(jié)構(gòu)的總體輻射聲功率分別為110.455 dB，111.081 dB及111.581 dB）；結(jié)構(gòu)的聲輻射效率曲線隨著外殼厚度的變化趨勢(shì)與輻射聲功率曲線類似；由于輻射效率主要由輻射面的幾何物理參數(shù)決定，因此外殼厚度改變，結(jié)構(gòu)的輻射效率會(huì)發(fā)生改變；除低頻段某些頻率外，在所分析的頻段內(nèi)，外殼厚度越大，輻射效率越高（3種厚度下結(jié)構(gòu)總體聲輻射效率分別為0.123 9，0.218 5及0.391 2）。

由圖5（b）可以看出，在16～100 Hz頻段內(nèi)輻射聲功率3條曲線相差不大，說(shuō)明雙層殼結(jié)構(gòu)內(nèi)殼厚度的改變對(duì)該頻段輻射聲功率的影響很??；在100～4 000 Hz頻段內(nèi)，內(nèi)殼厚度=0.028 m時(shí)的輻射聲功率最大，厚度=0.044 m時(shí)的輻射聲功率最小，在該頻段內(nèi)雙層圓柱殼結(jié)構(gòu)內(nèi)殼厚度越小輻射聲功率越大；總體上隨著內(nèi)殼厚度的增加，結(jié)構(gòu)輻射聲功率減?。?種不同內(nèi)殼厚度下結(jié)構(gòu)輻射聲功率分別為112.778 dB，111.081 dB及109.623 dB）。

由圖5（c）可以看出，肋板在3種不同厚度條件下，結(jié)構(gòu)的輻射聲功率曲線基本重合，這說(shuō)明在所分析的頻段內(nèi)，改變肋板厚度對(duì)雙層圓柱殼結(jié)構(gòu)的輻射聲功率影響不大。

其他條件不變，僅將圓柱殼兩端面的簡(jiǎn)支約束改為固支約束，計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)輻射聲功率如圖6所示。其他條件不變，將激勵(lì)力作用位置設(shè)置在左邊第1個(gè)肋板兩側(cè)且作用于內(nèi)殼內(nèi)表面，方向垂直母線向下，大小仍為50 N，計(jì)算后得到的結(jié)構(gòu)輻射聲功率如圖7所示。

由圖6 可以看出，不同約束條件下（簡(jiǎn)支、固支），雙層加肋圓柱殼結(jié)構(gòu)輻射聲功率曲線重合，這說(shuō)明結(jié)構(gòu)兩端面的約束情況對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的聲輻射沒有影響。由圖7可以看出，激勵(lì)位置不同，結(jié)構(gòu)在低頻段輻射聲功率曲線有所差異，這是因?yàn)榧?lì)位置的變化會(huì)改變各階模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的貢獻(xiàn)量，相應(yīng)的改變結(jié)構(gòu)對(duì)聲學(xué)響應(yīng)的貢獻(xiàn)量，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)輻射聲功率的變化；在中高頻段，激勵(lì)位置的改變對(duì)結(jié)構(gòu)輻射聲功率的影響較小。

內(nèi)外殼及相鄰肋板會(huì)形成封閉層間，層間不同的介質(zhì)對(duì)結(jié)構(gòu)聲振響應(yīng)有不同的影響，本文對(duì)層間真空（原始狀況）、層間充水及層間充空氣3種情況分別進(jìn)行聲振響應(yīng)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

由圖8可以看出，在較低頻率處，層間充水的輻射聲功率小于層間真空的輻射聲功率；在50 Hz以后，層間充水輻射聲功率大于層間真空輻射聲功率。由于水的阻抗特性很大，導(dǎo)致層間充水時(shí)結(jié)構(gòu)總體輻射聲功率（115.133 dB）大于層間真空的總體輻射聲功率（111.081 dB）。在低頻段（16～100 Hz），結(jié)構(gòu)在水中的輻射聲功率及外殼振速曲線與真空中的輻射聲功率及外殼振速曲線有較大的差異，而在中頻和高頻段，兩曲線的趨勢(shì)基本一致，這說(shuō)明隨著頻率的增高，層間流體的耦合作用降低。

在低頻段，層間充空氣的輻射聲功率小于層間真空輻射聲功率，這是由于在低頻時(shí)層間的空氣起著空氣彈簧的作用，衰減了內(nèi)外殼間振動(dòng)能量的傳遞。在中頻段和高頻段，層間充空氣輻射聲功率大于層間真空輻射聲功率，即在中高頻段，層間抽真空可以減小外場(chǎng)輻射聲功率?？傮w上層間充空氣輻射聲功率（112.529 dB）大于層間真空輻射聲功率（111.081 dB）。

在16～200 Hz范圍內(nèi)，層間充水的外殼振動(dòng)速度大于層間真空的外殼振動(dòng)速度；在200～4 000 Hz范圍內(nèi)，層間充水振動(dòng)速度小于層間真空，總體上層間充水振動(dòng)速度（0.000 409 m/s）小于層間真空振動(dòng)速度（0.000 480 m/s），這表明層間流體（水）能夠一定程度上抑制結(jié)構(gòu)外殼的振動(dòng)。在低頻段，層間充空氣與層間真空狀況下的外殼振動(dòng)速度有所差異，但在中頻段和高頻段兩者的外殼振動(dòng)速度相差不大?？傮w上層間充空氣的外殼振動(dòng)速度（0.000 467 m/s）略小于層間真空時(shí)的外殼振動(dòng)速度（0.000 480 m/s）。

層間充水雖然一定程度上抑制了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，但會(huì)使得結(jié)構(gòu)總體輻射聲功率有較大幅度的增加。層間充空氣僅使得結(jié)構(gòu)振速略微降低，但也會(huì)使得總體輻射聲功率增加；在低頻段，層間充空氣可以獲得較好的減振降噪效果；在中高頻段，層間抽真空可以獲得較好的減振降噪效果。

潛艇結(jié)構(gòu)在水下航行時(shí)不僅自身輻射噪聲，而且外界艦船主動(dòng)聲吶發(fā)射的聲波作用到潛艇表面后也會(huì)向外場(chǎng)散射聲波，形成聲散射噪聲。本文假定外界聲波在一個(gè)固定位置處并且是一個(gè)平面波，平面波大小為50 Pa，作用方向分別與母線成45°，90°及135°，分析頻段為16～80 Hz，利用FE/BEM混合法進(jìn)行外場(chǎng)點(diǎn)輻射聲功率及外殼振動(dòng)速度的計(jì)算。聲散射模型示意圖及結(jié)構(gòu)聲振響應(yīng)結(jié)果分別如圖9和圖10所示。

由圖10可以看出，不管是輻射聲功率曲線還是外殼振速曲線都在某些頻率處出現(xiàn)峰值，這對(duì)水下結(jié)構(gòu)的隱身性極為不利，在減振降噪時(shí)要重點(diǎn)考慮這些峰值頻率點(diǎn)。由圖10（a）可以看出，不管平面波以何種角度入射，結(jié)構(gòu)輻射聲功率曲線的峰值頻率相同，這與結(jié)構(gòu)自身的固有特性有關(guān)；由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，當(dāng)入射角度也成對(duì)稱性時(shí)，結(jié)構(gòu)的輻射聲功率曲線及外殼振速曲線均重合，如45°和135°入射情況；由于各階模態(tài)對(duì)圓柱殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)的貢獻(xiàn)各不相同，各階振型對(duì)聲場(chǎng)的貢獻(xiàn)也各不相同，從而導(dǎo)致振速與輻射聲功率峰值在頻率上的差異。

3 雙層圓柱殼肋板聲學(xué)設(shè)計(jì)研究

肋板在增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性的同時(shí)，又承擔(dān)著內(nèi)外殼間振動(dòng)能量傳遞的橋梁，殼間肋板對(duì)結(jié)構(gòu)的聲輻射有著重要的影響。本文分別計(jì)算了內(nèi)外殼間有無(wú)肋板的輻射聲功率及外殼振速，如圖11所示；分別提取有無(wú)肋板2種情形下的第1、第10及第20階振型，如圖12所示。

由圖11（a）可以看出，在中低頻段有無(wú)肋板的輻射聲功率有較大的差異，加肋后圓柱殼結(jié)構(gòu)的輻射聲功率大于層間無(wú)肋板的輻射聲功率；隨著頻率的增加，在中高頻區(qū)層間有肋板及無(wú)肋板2種情形下的輻射聲功率基本無(wú)差異；由此可見，層間肋板主要影響結(jié)構(gòu)中低頻區(qū)的輻射聲功率，但總體上層間加肋圓柱殼輻射聲功率大于層間無(wú)肋圓柱殼輻射聲功率。

由圖11（b）可以看出，在所分析的頻段內(nèi)，層間有無(wú)肋板2種情形下的外殼振速具有較大的差異；由于層間肋板的作用，圖中兩曲線峰值及峰值所對(duì)應(yīng)的頻率都發(fā)生了改變，層間加肋情形下的外殼振速大于層間無(wú)肋的外殼振速，同時(shí)可以看出2條曲線峰值出現(xiàn)一種“對(duì)稱”狀態(tài)，即一條曲線在某頻率附近達(dá)到峰值，而另一條曲線在該頻率附近則達(dá)到低谷。

由圖12可以看出，層間無(wú)肋情況下結(jié)構(gòu)的振型主要以結(jié)構(gòu)的外殼或內(nèi)殼的局部振動(dòng)為主；層間加肋后，結(jié)構(gòu)的振型均為整體振動(dòng)，同時(shí)可以看出層間加肋后結(jié)構(gòu)的固有頻率增加。這說(shuō)明層間加肋后整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度相對(duì)于質(zhì)量來(lái)說(shuō)增加的更加明顯，結(jié)構(gòu)的固有頻率變大，結(jié)構(gòu)固有特性發(fā)生了改變，并且層間肋板起著“橋梁”作用，增強(qiáng)了內(nèi)外殼間振動(dòng)能量的傳遞。

由以上分析可知，層間肋板對(duì)雙層圓柱殼結(jié)構(gòu)的聲振特性具有很大的影響。為減小內(nèi)外殼間振動(dòng)能量的傳遞，考慮在肋板上施加阻尼材料構(gòu)成含阻尼肋板。聚氨酯及橡膠不僅有較好的強(qiáng)度同時(shí)具有較高的阻尼，可以消耗結(jié)構(gòu)間的振動(dòng)能量，因此本文分別將0.025 m厚度的聚氨酯、橡膠敷設(shè)在原實(shí)肋板表面，形成金屬聚氨酯（或橡膠）阻尼肋板；基于FE-BEM混合法、FE-SEA混合法及SEA法對(duì)含阻尼肋板的雙層圓柱殼進(jìn)行全頻段聲振響應(yīng)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖13所示。

由圖13（a）可以看出，除低頻段個(gè)別頻率點(diǎn)外，金屬聚氨酯阻尼肋板及金屬橡膠阻尼肋板輻射聲功率均小于實(shí)肋板輻射聲功率；金屬橡膠阻尼肋板峰值頻率與實(shí)肋板峰值頻率基本一致，峰值大小發(fā)生改變；金屬聚氨酯阻尼肋板相對(duì)于實(shí)肋板其峰值大小和頻率均發(fā)生改變；實(shí)肋板敷設(shè)阻尼材料后總體輻射聲功率減小，其中金屬聚氨酯阻尼肋板降噪效果最好（實(shí)肋板、金屬聚氨酯阻尼肋板及金屬橡膠阻尼肋板平均輻射聲功率分別為111.081 dB，107.576 dB及108.094 dB）。

由圖13（b）可以看出，在低頻段阻尼肋板的外殼振速大于實(shí)肋板外殼振速，在中頻段實(shí)肋板外殼振速大于阻尼肋板外殼振速，在高頻段實(shí)肋板及阻尼肋板外殼振速相差不大?？傮w上阻尼肋板的外殼振速小于實(shí)肋板外殼振速，其中金屬聚氨酯阻尼肋板外殼振速最?。▽?shí)肋板、金屬聚氨酯阻尼肋板及金屬橡膠阻尼肋板外殼平均振速分別為0.000 480 m/s，0.000 249 m/s及0.000 305 8 m/s）。

以上聲振特性表明，阻尼肋板能夠減小內(nèi)外殼間振動(dòng)能量的傳遞，從而可以減小結(jié)構(gòu)的輻射聲功率及外殼振速。其中，金屬聚氨酯阻尼肋板的減振降噪效果最好，同時(shí)聚氨酯密度小于橡膠，因此工程上建議使用金屬聚氨酯阻尼肋板。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用FE-BEM混合法、FE-SEA混合法及SEA法分別進(jìn)行水下雙層圓柱殼結(jié)構(gòu)低頻段、中頻段及高頻段的聲振響應(yīng)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了水下圓柱殼結(jié)構(gòu)全頻段聲振響應(yīng)預(yù)報(bào)及特性分析。研究結(jié)果表明：

1）雙層加肋圓柱殼結(jié)構(gòu)在水下的輻射聲功率大于在空氣中的輻射聲功率，但振速小于空氣中的振速；水由于附加質(zhì)量的作用，消耗了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量且抑制了外殼振速，但由于水中的聲阻抗遠(yuǎn)大于空氣，結(jié)構(gòu)輻射聲功率變大。

2）雙層圓柱殼結(jié)構(gòu)外殼厚度越大，水中輻射聲功率越大；內(nèi)殼厚度越大，水中輻射聲功率越??；層間肋板厚度及端面約束條件對(duì)結(jié)構(gòu)水下輻射聲功率影響較小。結(jié)構(gòu)水下輻射聲功率不僅與激勵(lì)大小有關(guān)還與激勵(lì)位置有關(guān)。

3）層間充水一定程度上可以抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)但會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)水下輻射聲功率增加，工程上要綜合考慮層間充水的影響；在中低頻段層間充空氣可以減小水下聲輻射，但在中高頻段層間抽真空可以獲得較好的減振降噪效果。

4）雙層圓柱殼結(jié)構(gòu)聲散射特性與聲輻射特性一樣，在低頻段均會(huì)出現(xiàn)多個(gè)峰值，并且峰值頻率與結(jié)構(gòu)自身的固有特性有關(guān)，這對(duì)艦船的隱身性極為不利，減振降噪中要重點(diǎn)考慮峰值頻率點(diǎn)。

5）層間肋板增強(qiáng)了內(nèi)外殼間振動(dòng)能量的傳遞，將阻尼材料應(yīng)用在肋板上可以減弱內(nèi)外殼間的耦合作用，減小結(jié)構(gòu)的水下輻射聲功率及外殼振速。工程上為獲得較好的減振降噪效果，建議使用金屬聚氨酯阻尼肋板。

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Research of underwater double cylindrical shell vibro-acoustic characteristics within full frequency

ZHANG Bo1,2, XIANG Yang1,2, GUO Ning1,2, LI Fei1,2, XIAO Hong-fei1,2
(1. School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China;2. Key Laboratory of Marine Power Engineering and Technology, Ministry of Communications, Wuhan 430063, China)

In order to study the acoustic vibration characteristics of underwater double layered cylindrical shells in the whole frequency band, three different calculation models are established based on VA-ONE, which are hybrid FE-BEM method, hybrid FE-SEA method and hybrid SEA method; the radiated sound power and the vibration velocity of the shell in different radiation medium were calculated. The effects of inner and outer shell and ribbed plate thickness, constraint condition, incentive position and inter layer fluid on the sound radiation characteristics of double cylindrical shell are further studied. Study acoustic scattering characteristics of double cylindrical shell structures based on FE-BEM hybrid method. The function of the ribbed plate in the structural vibration energy transmit is further studied, put forward two vibration and noise reduction schemes of damping boards and carry out corresponding simulation analysis. The results show that heavy fluid can suppress the vibration of structure, however, because of the large acoustic impedance of the heavy fluid, the radiated sound power of structure becomes larger. The peak value of the structure acoustic scattering curve appears at some frequencies, and the peak frequency is related to the inherent characteristics of the structure itself. The damping ribbed plate can get better vibration and noise reduction effect, metal polyurethane damping ribbed plate is recommended to use in engineering.

underwater acoustic radiation；double cylindrical shell；whole frequency；damping ribbed plate

TB532

A

1672-7649(2017)11-0009-08

10.3404/j.issn.1672-7649.2017.11.003

2017-01-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51079118，51279148)

張波(1993-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)檎駝?dòng)與噪聲控制。