圓柱殼結(jié)構(gòu)模型水下輻射聲功率測量方法研究

高 巖，李 兵，戴 江

（1中國船舶科學(xué)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(tuán)公司，北京100097）

1 前 言

水下航行體在機(jī)械設(shè)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(shè)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(shè)計，是降低機(jī)械噪聲的有效技術(shù)途徑。為了客觀評價降噪效果和驗(yàn)證理論預(yù)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(xué)環(huán)境，實(shí)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(guān)系，求解Helmholtz積分方程，得到輻射聲功率。文獻(xiàn)[3]利用已知模型輻射效率和試驗(yàn)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(xiàn)[4]采用近場聲強(qiáng)矢量測量，并在封閉的測量面上進(jìn)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(diǎn)，且技術(shù)成熟，但其測點(diǎn)數(shù)目較多，工作量大。文獻(xiàn)[5]、[6]采用聲場空間變化法，由NAH變換獲得聲強(qiáng)分布，通過聲強(qiáng)法計算輻射聲功率。文獻(xiàn)[7]采用均方聲壓法，通過測量結(jié)構(gòu)附近一個包絡(luò)面上有限個離散測點(diǎn)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(yuǎn)的距離。從聲學(xué)環(huán)境角度考慮，國內(nèi)大部分聲學(xué)試驗(yàn)水池未進(jìn)行消聲處理，池壁的反聲又難達(dá)到混響聲場的要求，一般只能作為半混響聲學(xué)環(huán)境，文獻(xiàn)[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(luò)面方法測量測點(diǎn)位置的均方聲壓值，計算獲得輻射聲功率，分析了不同包絡(luò)面的測量結(jié)果以及測點(diǎn)數(shù)量對測量精度的影響，并利用標(biāo)準(zhǔn)聲源對測量方法進(jìn)行可行性和可信性的驗(yàn)證。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)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(luò)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(qiáng)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(dá)聲分量遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yàn)概況

試驗(yàn)在開闊水域進(jìn)行，可近似為自由場環(huán)境。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑殡p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(yàn)采用電磁激振方式。激振機(jī)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(jī)工作時對激勵板產(chǎn)生一個反作用力。為防止激振機(jī)工作條件下質(zhì)塊橫向偏移，激振機(jī)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(shè)有滑槽，質(zhì)塊頂端固定一根細(xì)梁，激振機(jī)工作時細(xì)梁可在定位梁滑槽內(nèi)滑動，參見圖1。

在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕隙硕税逯行奈恢冒惭b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(yàn)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(diǎn)與側(cè)面測點(diǎn)形成柱形封閉包絡(luò)面S1、S2，完成對試驗(yàn)?zāi)Ｐ洼椛渎晥龅臏y量。

標(biāo)準(zhǔn)聲源布放在試驗(yàn)?zāi)Ｐ退幍乃挛恢茫⒃谒嫦?m、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(yàn)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(guān)系，距離每增大一倍，聲壓級降低6dB。為了驗(yàn)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(jìn)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(yàn)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(luò)面的輻射聲功率，結(jié)果參見圖5。

柱形包絡(luò)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?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)聲源輻射聲功率，其偏差可能更主要是由標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)柱形封閉包絡(luò)面方法的可行性與可信性。

3.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y量結(jié)果

模型受激振動產(chǎn)生水下聲輻射，測量了包絡(luò)面S1、S2上各測點(diǎn)的聲壓均方值，S1側(cè)面測點(diǎn)數(shù)為18×17=306點(diǎn)，S2側(cè)面測點(diǎn)數(shù)為18×9=162，兩個包絡(luò)面測點(diǎn)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(luò)面S1上測量得到的結(jié)果略高；在2.5kHz以上頻段，兩個包絡(luò)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(diǎn)數(shù)量與輻射聲功率測量結(jié)果的關(guān)系，針對包絡(luò)面S1的測點(diǎn)分布情況，周向測點(diǎn)選取數(shù)量不變，減少軸向測點(diǎn)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(diǎn)，周向選取18個測點(diǎn)，側(cè)面測點(diǎn)數(shù)量為18×2=36，約占側(cè)面全部測點(diǎn)數(shù)量的1/9，計算的聲功率譜級與全部測點(diǎn)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(diǎn)，其結(jié)果與全部測點(diǎn)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(diǎn)，進(jìn)一步減少周向測點(diǎn)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(diǎn)計算聲功率譜級，其結(jié)果與全部測點(diǎn)的計算結(jié)果偏差接近，周向選取3個測點(diǎn)計算聲功率譜級，與全部測點(diǎn)的計算結(jié)果偏差小于1.5dB，但周向選取2個測點(diǎn)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(diǎn)，沿周向選取3個測點(diǎn)。沿軸向選取2個測點(diǎn)即為水面下7m、11m位置，沿周向選取2個、3個測點(diǎn)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(diǎn)如何選取，決定了輻射聲功率測量結(jié)果的測量精度。測點(diǎn)的選取主要取決于聲場的均勻程度，測點(diǎn)偏少，測量精度明顯變差。如果部分測點(diǎn)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(diǎn)進(jìn)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(diǎn)進(jìn)行測量。

4 結(jié) 語

試驗(yàn)采用柱形封閉包絡(luò)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(luò)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(diǎn)的選取主要取決于聲場的均勻程度，測點(diǎn)偏少，測量精度明顯變差。若部分測點(diǎn)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(diǎn)進(jìn)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(diǎn)進(jìn)行測量。

致謝：謹(jǐn)向中國船舶科學(xué)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！

[1]Chertock G.Sound radiation from vibrating surfaces[J].J Acoustic.Soc.Am.,1964,36(7):1305.

[2]Musha T.Evaluation of ship radiated noise level from near-field measurements[J].Applied Acoustics 1993,40:69-78.

[3]何元安,楊德森.水下結(jié)構(gòu)輻射噪聲估算方法實(shí)驗(yàn)研究[J].船舶力學(xué),1999,3(2):58-62.

[4]商德江.復(fù)雜彈性殼體水下結(jié)構(gòu)振動和聲場特性研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2000.

[5]Rasmussen P.Vibrational intensity measurement[C]//4th International Congress on Intensity Techniques.Senlis,France.1993:401-407.

[6]何元安.大型水下結(jié)構(gòu)近場聲全息的理論與試驗(yàn)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2000.

[7]張 林.魚雷振動噪聲測試與分析報告—輻射聲功率估算[R].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)科技報告,1992.

[8]俞孟薩,呂世金,吳永興.半混響環(huán)境中水下結(jié)構(gòu)輻射聲功率測量[J].應(yīng)用聲學(xué),2001,20(6):23-27.

[9]Lord H W.Noise Control for Engineering[M].McGraw-Hill Book Company,1980.

[10]杜功煥,朱哲民,龔秀芬.聲學(xué)基礎(chǔ)[M].南京:南京大學(xué)出版社,2002.