船舶艏部声呐罩水动力噪声评估

邵云生，陈亚，朱正道，吴文伟（海军无锡地区代表室，江苏无锡406；船舶振动噪声重点实验室，江苏无锡408）

船舶艏部声呐罩水动力噪声评估

邵云生1，陈亚1，朱正道2，吴文伟2
（1海军无锡地区代表室，江苏无锡214061；2船舶振动噪声重点实验室，江苏无锡214082）

文章针对非规则形状的艏部声呐罩，基于统计能量理论，建立了艏部声呐罩自噪声的理论模型，并分析了非透声窗吸声系数和过渡区声源对声呐罩噪声的影响。经对过渡区声源高频噪声影响的计算修正，大大提高了计算精度。试验验证表明，过渡区附近腔体自噪声计算结果与测试值相差小于5 dB，较好地反映了腔内自噪声分布规律。

声呐罩；水动力噪声；自噪声；统计能量法

1 引言

舰艇声呐部位自噪声主要包括机械噪声分量和水动力噪声分量。舰艇艏部声呐远离机械振动源，通过围壁隔声安装、声呐罩内设置隔声和吸声障板等措施可以比较轻易地控制机械噪声对声呐自噪声的影响。声呐罩紧邻基阵，声呐罩壁结构受湍流脉动压力激励振动产生的辐射噪声基本没有传播损失而影响到声呐基阵，声呐部位的自噪声应该考虑以声呐罩罩壁结构受湍流脉动压力激励产生的水动力噪声为主要对象。舰艇艏部声呐罩表面的转捩区靠近艏部声呐基阵，转捩区脉动压力产生的噪声直接影响声呐自噪声，舰艇艏部声呐自噪声应考虑转捩区的影响。文献[1]综述了声呐自噪声预报的模型和方法。Maury[2]将机舱划分为矩形单元，计算湍流脉动压力激励机舱壁产生的舱室噪声。在频率较高的频段，结构和声场激发的振动和声模态密集，它们随机迭加使结构振动或声场空间分布趋于均匀，不再存在明显的空间峰点和谷点现象，可以采用“统计能量法”（SEA）来模拟。文献[3]针对布置在水下航行体舷侧的声呐基阵，建立声呐罩受湍流脉动压力激励产生的自噪声的统计能量计算方法。文献[4]借鉴集成模态法，将不规则声呐罩腔体划分为若干近似矩形腔的子系统，假设每个矩形腔之间有虚拟弹性膜，对应每个子腔体，声呐罩壳壁划分为近似矩形板，建立集成统计能量法（Integ-SEA）模型，计算艏部声呐自噪声的水动力噪声分量。文献[5]采用Cright声辐射公式以及相关分析方法和功率谱密度概念，计算边界层转捩区声源在艏部声呐基阵部位产生的噪声。

本文针对非规则形状的艏部声呐罩，采用文献[4]的方法，用经典的统计能量法建立包括腔体、壳板和虚拟弹性膜子系统的能量平衡方程，再利用虚拟弹性膜质量和刚度为零的条件进行简化，以声呐罩壁面的湍流脉动压力激励输入条件，预报舰船艏部声呐部位自噪声的水动力噪声分量，根据Lauchle过渡区湍流单极子猝发理论，计算过渡区直接声辐射，并对艏部声呐自噪声作修正。

2 统计能量基本方程

根据能量守恒原理，子系统消耗的能量加上传递给其它子系统的能量，等于输入给该子系统的能量[6]。对于具有N个子系统的系统，其能量平衡方程组为：

式中：Ei，Pi，ni，和ηi分别为第i个子系统的平均能量、平均输入功率、模态密度以及能量损耗因子，ηij为第i个子系统和第j个子系统之间的能量传递损耗因子，ω为角频率。

求解（1）式可得各子系统的能量，由求得的能量，腔体内的声压谱级按（2）式计算：

其中：ρi、c分别为声腔中流体介质的密度和声速，Vi为声腔的体积。

3 统计参数

3.1 模态密度

对声呐罩来说，典型的子系统有板壳和声腔，下面分别给出典型子系统的模态密度。a.矩形弹性平板弯曲振动的模态密度

式中：s、ms和D为平板面积、面密度和弯曲刚度。

由于流体负载的作用，水中平板的群速度不同于真空中平板的群速度，模态密度会发生变化，流体负载使平板模态频率降低，考虑流体负载的平板模态密度由下式确定：

i合频率以下，反映平板流体附加质量的近场惯性负载受平板边界条件的影响不大，可采用无限大平板的流体附加质量模拟透声窗外声场的流体负载。

式中：ρ0、C0为声介质密度和声速，Cl为平板纵波声速，fc为吻合频率，f为频率，对于透声窗α=2，非透声窗α=1。

b.三维声腔的模态密度

式中：V为声腔体积，s为声腔内表面积，l为声腔的总边长，c0为声速。

3.2 损耗因子

a.透声窗结构能量损耗因子

声呐罩透声窗结构的损耗主要由结构材料阻尼和声辐射阻尼两部分组成：

式中：ηs为结构材料的损耗系数，约为2.5×10-4~5.0×10-2，ηrod为声辐射损耗系数，可以由辐射效率计算得到：

式中：σ为辐射效率，其具体表达式由下文给出。

b.声腔能量损耗因子

声呐罩腔体的能量损耗，包括声腔内流体介质的声吸收以及罩内非透声界面吸声材料的声吸收，声腔能量损耗因子采用下式计算：

式中：α0为声介质声吸收系数，考虑透声窗声传输和非透声界面声吸收的等效吸声系数。在声呐工作频率范围，声介质的声吸收很小，可以忽略不计。

c.平板与声腔传递损耗因子

在吻合频率以下，平板向空腔的声辐射效率为向半无限空间的声辐射效率的2倍，平板与声腔的传递损耗系数为：

式中：平板辐射效率σ可以采用Maidanik公式计算。

fc为吻合频率，λc为相应的吻合波长，P为平板周长，lx、ly为平板边长。

d.声腔与声腔传递损耗因子

式中：s0为声腔之间的连接面积，vi为声腔i的体积，τij为声能传输系数。

e.平板与平板连接传递损耗因子

式中：CBi为i子系统中的弯曲波速，si为i子系统的面积，L为平板连接的长度，τij为能量传输系数，不同的波型和连接形式，其计算方法不同。

角型结构：材料相同，厚度不同的角型结构，弯曲波能量传递系数为

式中：ε=h2/h1为厚度比（下同）。

图1 L型结构Fig.1“L”type structure

图2 十型结构Fig.2“十”type structure

图3 T型结构Fig.3“T”type structure

十型结构：材料相同，h1=h3，h2=h4，弯曲波能量传递系数为：

T型结构：材料相同，h1=h3，弯曲波能量传递系数为：

Hydrodynam ic acoustic assessment on the sonar dome of ships

SHAO Yun-sheng1,CHEN Ya1,ZHU Zheng-dao2,WUWen-wei2
(1 Navy Commissary in Wuxi,Wuxi214061,China;2 China Ship Scientific Research Center,Wuxi214082,China)

In order to control the hydrodynamic noise in sonar dome,a statistical energymodel is used to analyze self-noise of a bow sonar dome with irregular shaped cover.The influence of sound absorption coefficient of non transmission acoustic window and noise source of transition zone on sonar self noise field is analyzed.After the correction of the impact on high frequency noise of the transition zone source,the calculation precision is greatly improved.Test results show that calculation results of self noise in the cavity near the transition zone agree wellwith the experimental results,and well reflect the sound field distribution of sonar cavity.

sonar dome;hydrodynamic noise;self noise;SEA

U661.4

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2014.11.014

1007-7294（2014）11-1386-11

2014-08-20

邵云生（1976-），男，海军无锡地区代表室高级工程师；

陈亚（1985-），男，高级工程师；

朱正道（1980-），男，中国船舶科学研究中心高级工程师，E-mail：zd_zhu@163.com。