螺旋槳船舶振動輻射噪聲分析課件

推進(jìn)器激勵船舶振動輻射聲計算方法

謝基榕徐利剛沈順根吳有生摘要；文章在鐵木辛柯梁的基礎(chǔ)上，建立螺旋槳、軸系及船體耦合振動的數(shù)學(xué)物理模型，采用聲極子模型計算各船體截面振動引起的輻射聲壓。計算分析了激勵力直接作用到船體和經(jīng)螺旋槳、軸系激勵船體振動產(chǎn)生輻射的差別，指出軸系振動對螺旋槳激勵力激起船體振動并產(chǎn)生聲輻射有著關(guān)鍵的影響作用。（中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫21408）一,引言二,艇體低頻振動計算方法三,輻射聲計算方法四,計算結(jié)果分析五,討論六,結(jié)論引言潛艇螺旋槳工作于非均勻艉流場中，除了提供動力外還產(chǎn)生不定常激勵力作用到船艇結(jié)構(gòu)上，是引起艇體振動的一個重要激勵源。螺旋槳通過軸系激勵艇體振動引起輻射噪聲是潛艇水下航行輻射噪聲的重要組成部分，國外很早就在這方面研究了并建立了計算方法和控制措施。本文針對螺旋槳低頻寬帶力譜的頻率特性，在艇體梁模型基礎(chǔ)上建立了簡化的適合工程設(shè)計應(yīng)用的螺旋槳非定常力經(jīng)軸系激勵艇體振動輻射噪聲計算方法，在滿足工程計算精度的條件下，極大的簡化了輻射噪聲計算方法。

艇體低頻振動輻射聲計算方法對于潛艇螺旋槳、軸系及艇體耦合振動系統(tǒng)建立上圖所示的數(shù)學(xué)物理模型，該模型包括兩大部分；船體梁模型和軸系子系統(tǒng)，支撐軸承和推力軸承作為軸系結(jié)構(gòu)的約束條件劃歸為軸系子系統(tǒng)。由于艉流作用在螺旋槳上的合力具有低頻特性，而在低頻0~f(f為艙段周向的首階共振頻率)范圍內(nèi)，采用艇體梁模型描述艇體振動便可得滿足工程要求的解。在艇體梁模型中，船體結(jié)構(gòu)被當(dāng)做截面不發(fā)生變形的變截面梁結(jié)構(gòu)。由于實際船體在各截面處的彎曲剛度中心與質(zhì)心不重合，因此，垂直面內(nèi)的彎曲振動與縱向振動耦合，而水平面內(nèi)的彎曲振動與扭轉(zhuǎn)振動耦合，而從，需對這兩組無法解耦的振動進(jìn)行同時解耦。在推導(dǎo)艇體體梁的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣時，把參考坐標(biāo)系的原點(diǎn)建立在剛度中心，因此梁單元做垂向彎曲運(yùn)動時，梁的單位截面的轉(zhuǎn)角位移將產(chǎn)生明顯的縱向位移，如上圖。由于截面轉(zhuǎn)角位移引起的縱向位移是微幅運(yùn)動，所以引起的橫向位移可以忽略，只考慮縱向位移。于是梁單位的實際縱向位移可以表示為梁單位的實際橫向位移可以表示為應(yīng)用結(jié)構(gòu)有限元理論，分別將船體梁垂向彎曲和縱向耦合振動、水平彎曲和扭轉(zhuǎn)耦合的振動的單元位移向量記為并將梁單位元內(nèi)部的橫向位移和轉(zhuǎn)角位移表達(dá)成梁單元節(jié)點(diǎn)的二次多項式關(guān)系，將縱向位移表示成節(jié)點(diǎn)位移的線性關(guān)系，從而可以得到任意節(jié)點(diǎn)位移下的梁單元應(yīng)變勢能和動能，進(jìn)而得到梁單元的剛度和質(zhì)量矩陣。以垂向彎曲與縱向振動耦合為例，梁的單元應(yīng)變勢能與動能可分別表示為；由上兩式并根據(jù)矩陣知識轉(zhuǎn)變可得梁單位元作用于垂向彎曲與縱向耦合振動時的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣。在低頻段，連接軸系結(jié)構(gòu)與艇體之間的軸承裝置可以使用等效的阻尼彈簧模擬。對于徑向支撐軸承，考慮橫向剛度，在軸系與艇體間起彎曲振動的耦合作用；主推力軸承同時具有橫向剛度和縱向剛度，其在軸系與船體間起到彎曲振動及縱向振動耦合作用。將船艏到艉將船體梁單元和軸系梁單元的節(jié)點(diǎn)逐一編號，并將船體梁單元和軸系梁單元的剛度、質(zhì)量矩陣填入對應(yīng)自由度，從而組裝形成總剛度陣和總質(zhì)量陣，針對分析頻率計算得廣義剛度矩陣得式；再將用于描述各軸承動力性能的阻抗參數(shù)換算到等效剛度并分別疊加到廣義剛度矩陣中，即可得到描述螺旋槳、軸系系統(tǒng)和船體耦合振動的結(jié)構(gòu)有限元剛度矩陣。再考慮流場作用在螺旋槳上的激勵力，從而得到了包括螺旋槳、軸系系統(tǒng)和船體結(jié)構(gòu)在內(nèi)的全系統(tǒng)振動方程；完成方程組求解后即可得到螺旋槳、軸系與船舶結(jié)構(gòu)耦合振動的位移解。艇體梁模型的輻射聲計算方法針對推進(jìn)器、軸系及艇體耦合振動具有低頻特性，此頻率段內(nèi)的聲波波長遠(yuǎn)大于船體截面的尺度，因此，無論是彎曲振動還是縱向振動，艇體梁單元的聲輻射都滿足致密條件，因而可以使用聲極子模型計算各艇體截面振動引起的輻射聲壓。船體水下振動聲輻射在輻射機(jī)理上可以分解為兩部分，并分別使用不同聲輻射模型計算。船體彎曲振動引起船體段元在水介質(zhì)中橫向平動且不產(chǎn)生船體截面變化，因此可用偶極模型計算各梁單元的引起輻射聲壓。聲壓公式為；當(dāng)船體做縱向振動時，縱向運(yùn)動經(jīng)泊松效應(yīng)引起截面產(chǎn)生體積變化，截面變化部位(含艏、艉端部分)的縱向運(yùn)動也將產(chǎn)生局部的體積變化，見下圖所示其中a（x）為各截面處的艇體平均半徑，陰影面積部分表示艇體縱向振動引起的局部體積變化。因此，可用單極子模型計算因船體縱向振動引起的水下輻射聲壓級，三部分體積變化產(chǎn)生的輻射噪聲總和為；式中，S,u分別為梁單元的橫截面積和縱向彎曲橫向位移，0為聲場點(diǎn)與艇軸線的夾角，縱向振動產(chǎn)生聲壓與聲場點(diǎn)在艇體橫截面上的方位角無關(guān)。

當(dāng)不同激勵力間不存在固定相位差時，其振動響應(yīng)及后續(xù)的聲壓也不具有固定的相位差，因此，多激勵引起的輻射聲場也不存在穩(wěn)定的干涉作用，從而適合使用能量疊加方法計算由兩方向振動引起的總輻射聲壓級。在本文中，由于考慮了因質(zhì)量中心偏離剛度中心引起的縱向與垂向彎曲振動的耦合作用，所以單獨(dú)縱向激勵將引起垂向彎曲振動，反之亦然。由同一激勵力引起的縱向振動和垂向彎曲振動存在確定相位差關(guān)系，因此，由此兩振動分量引起的輻射聲場也將存在穩(wěn)定的相位差關(guān)系，從而應(yīng)使用場點(diǎn)聲壓復(fù)幅值相加的方法疊加此兩振動分量引起的輻射聲。同時，由不同激勵力引起的船體振動輻射噪聲仍能使用能量疊加法計算輻射聲壓級。計算結(jié)果及分析

以典型船體為例，從設(shè)計方案中提取船體梁模型參數(shù)，參考全船平均質(zhì)量中心在其剛度中心以下0.3m處，根據(jù)各船艙的功能初步分配各艙質(zhì)量中心的不同分布，并取單位力作為螺旋槳處的非定常激勵，分析軸系到船體的力傳遞特性和船體的聲輻射特性。下圖給出了單位力直接激勵艇體產(chǎn)生的輻射噪聲，從圖中可以看出在平均質(zhì)量中心e=0.3情況下，彎曲耦合引起的輻射聲壓變化很小尤其在縱向激勵作用下的耦合是可以忽略的。而在垂向激勵下，艇體首階縱向振動固有頻率附近引起的耦合縱向明顯，但對寬頻帶上的輻射總聲壓貢獻(xiàn)卻很小。討論船體梁模型適用性：螺旋槳經(jīng)軸系激勵船體振動產(chǎn)生輻射噪聲具有低頻特性，與之相應(yīng)的也只需要考慮低頻范圍內(nèi)的船體動力響應(yīng)特性。因此，船體梁模型成為分析工作的優(yōu)先選擇，并使用單聲極子，偶極子模型計算船體梁振動引起的輻射聲場。但由于螺旋槳激勵力頻率范圍又略超過船體艙段首階固有頻率，因此一直以來，使用船體梁模型研究螺旋槳，軸系及船體耦合振動噪聲問題存在某些爭議。軸系減振設(shè)計分析：前述計算結(jié)果表明，在船體縱向振動固有頻率和軸系子系統(tǒng)固有頻率處的水下輻射噪聲都比較高。一般而言，船舶結(jié)構(gòu)的固有振動特性很難改變，因此欲改變螺旋槳經(jīng)軸系激勵船體振動輻射聲特性，在激勵力特性不變的情況下，只能通過改變軸系子系統(tǒng)參數(shù)來改變實際傳遞到船體上的激勵力。具體本文不做進(jìn)一步討論，軸系減振設(shè)計的第二個著眼點(diǎn)便是降低軸系子系統(tǒng)或是船體固有頻率處的共振峰值，其有效途徑之一便是采用動力吸振器或是位置自適應(yīng)的主推力軸承，位置自適應(yīng)的主推力軸承方案仍是建立在降低主推力軸承縱向剛度的基礎(chǔ)上，但通過調(diào)節(jié)主推進(jìn)力軸承在靜載荷作用下的平衡位置以提供更低的縱向動剛度。這些復(fù)雜的控制措施都還需要進(jìn)一步深入研究。結(jié)論本文針對推進(jìn)器激勵船體振動產(chǎn)生輻射噪聲具有低頻特性，建立了推進(jìn)器經(jīng)軸系激勵船體振動并產(chǎn)生輻射聲的數(shù)學(xué)物理方程，給出了振動響應(yīng)和輻射聲的計算方法，通過螺旋槳、軸系及艇體耦合振動噪聲計算案例，得出了以下結(jié)論：一，垂直激勵力作用下需要考慮質(zhì)量中心與剛度中心偏離引起的垂向彎曲與縱向耦合運(yùn)動，而縱向激勵力作用下則可以忽略此耦合因素。二，螺旋槳縱向非定常力以軸系激勵船體振動產(chǎn)生輻射噪聲主要體現(xiàn)為船體首階縱向振動的強(qiáng)輻射和軸系子系統(tǒng)首階縱向振動的力放大作用，他們是螺旋槳激勵船體