聲吶平臺(tái)噪聲控制機(jī)理分析

李東升，徐海賓，蔡衛(wèi)豐，劉漢文

（1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫214082；

2.海鷹企業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，江蘇無(wú)錫 214061）

聲吶平臺(tái)噪聲控制機(jī)理分析

李東升1，徐海賓2，蔡衛(wèi)豐2，劉漢文2

（1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫214082；

2.海鷹企業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，江蘇無(wú)錫 214061）

文章針對(duì)艦艇聲吶平臺(tái)的噪聲問(wèn)題，研究了三大噪聲源對(duì)聲吶自噪聲的影響。研究表明，聲吶艙水動(dòng)力噪聲分量主要受肋骨結(jié)構(gòu)影響，在設(shè)計(jì)中應(yīng)避免肋骨的形函數(shù)與湍流脈動(dòng)壓力波數(shù)—頻率譜耦合。艦艇自身的螺旋槳噪聲和輻射噪聲主要從后部和底部向聲吶平臺(tái)傳遞，在聲吶壁面附近和聲吶區(qū)域產(chǎn)生較高噪聲，為提高聲吶自噪聲控制效果，應(yīng)在非透聲壁面采取隔聲措施。舷側(cè)聲吶受艇體振動(dòng)影響較大，應(yīng)在聲吶單元安裝導(dǎo)軌的振動(dòng)傳遞途徑上采取阻尼控制措施，有效降低聲吶單元的振動(dòng)響應(yīng)。

聲吶；聲吶罩；聲吶自噪聲；水動(dòng)力噪聲

0 引 言

聲吶基陣部位的噪聲，就是通常所說(shuō)的聲吶自噪聲，主要是艦船機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲以及海洋環(huán)境噪聲對(duì)聲吶基陣產(chǎn)生的一種背景干擾。為降低這些干擾對(duì)聲吶探測(cè)的影響，國(guó)內(nèi)外在聲吶艙內(nèi)外主要采用了吸聲結(jié)構(gòu)、阻尼材料、聲障板等手段控制聲吶自噪聲。但這些措施具體控制效果如何，如何合理布置、優(yōu)化減振降噪材料，需從噪聲源、頻率特征、傳遞途徑等角度綜合考慮聲吶平臺(tái)的噪聲控制效果。對(duì)聲吶平臺(tái)的噪聲預(yù)報(bào)和控制分析，Maidanik[1]和Kuo[2]等采用無(wú)限大平板模型，分別計(jì)算了機(jī)械力和湍流脈動(dòng)壓力激勵(lì)下聲吶罩內(nèi)的噪聲；Muer[3]和Vassas[4]采用統(tǒng)計(jì)能量法建立了聲吶罩在湍流脈動(dòng)壓力激勵(lì)下自噪聲計(jì)算方法。俞孟薩[5]采用解析法建立了加肋平板在湍流脈動(dòng)壓力激勵(lì)下肋骨對(duì)自噪聲的影響。

因此，為解決聲吶平臺(tái)噪聲問(wèn)題，本文從噪聲源傳遞途徑的角度出發(fā)，采用解析和數(shù)值混合法研究透聲窗肋骨對(duì)自噪聲的影響，振動(dòng)和輻射噪聲向聲吶平臺(tái)的傳遞規(guī)律，為聲吶平臺(tái)低噪聲設(shè)計(jì)提供參考。

1 聲吶自噪聲控制措施及機(jī)理分析

1.1 湍流激勵(lì)透聲窗的水動(dòng)力噪聲

透聲窗水動(dòng)力噪聲是加肋薄殼結(jié)構(gòu)在表面湍流脈動(dòng)壓力激勵(lì)下，殼板彈性振動(dòng)將水動(dòng)力能量轉(zhuǎn)換為寬帶連續(xù)譜的噪聲能量。文獻(xiàn)[5-6]將透聲窗簡(jiǎn)化為無(wú)限周期加肋殼板，分析了殼板材料、肋骨對(duì)水動(dòng)力噪聲的影響，指出肋骨使平板彎曲波數(shù)向高波數(shù)遷移，其與湍流脈動(dòng)壓力波數(shù)—頻率譜的峰值重合，將在聲吶艙內(nèi)產(chǎn)生高噪聲峰值，起到放大自噪聲的作用。考慮到透聲窗具有雙向加肋的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，采用理論解難以直接分析。因此，為解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力噪聲分析問(wèn)題，本文利用有限元分析復(fù)雜加肋結(jié)構(gòu)的模態(tài)響應(yīng)，采用理論解分析復(fù)雜加肋結(jié)構(gòu)形函數(shù)和湍流脈動(dòng)壓力波數(shù)頻率—譜的耦合關(guān)系，為透聲窗肋骨優(yōu)化提供設(shè)計(jì)方法。

為使本方法具有通用型，建立圖1所示彈性板振動(dòng)模型，彈性板單元面積為Ap，長(zhǎng)為L(zhǎng)y，寬為L(zhǎng)x，其上方受湍流脈動(dòng)壓力激勵(lì)pt，下方受聲波pa作用。彈性薄板結(jié)構(gòu)彎曲振動(dòng)位移方程滿足[7]：

式中：D為板彎曲剛度，ms為板面密度，Cd為板阻尼系數(shù)。pa（x， y，z，t）為作用在板上的聲壓，pt為湍流脈動(dòng)壓力激勵(lì)力。

上式對(duì)應(yīng)的振動(dòng)位移自由解為：

式中：ψmnx，（ ）

y 為彈性板的模態(tài)本征函數(shù)。由彈性板的邊界條件和Fourier變換，可得作用在彈性板上的模態(tài)聲壓：

圖1 彈性結(jié)構(gòu)振動(dòng)模型Fig.1 Modelofflexible structure vibration

式中：ρ0為水介質(zhì)密度，c0為水中傳播聲速，Smn（ k1，k2）為模態(tài)波函數(shù)，σmn為模態(tài)輻射效率，mmn為模態(tài)附加質(zhì)量。Vmn（ω ）為模態(tài)振速。

因?yàn)橥牧髅}動(dòng)壓力為隨機(jī)過(guò)程，彈性板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性需用功率譜密度描述，模態(tài)振速的自譜密度φVmn可用模態(tài)力的自譜密度表示[5]：

式中：Ap為彈性板的面積，Φppk1，k2，（ ）ω 為彈性板表面湍流脈動(dòng)壓力的波數(shù)—頻率譜函數(shù)。

由（6）式可知，模態(tài)力的自譜密度取決于湍流脈動(dòng)壓力的波數(shù)—頻率譜和模態(tài)波函數(shù)乘積的波數(shù)積分，反映了湍流脈動(dòng)壓力與結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)的空間耦合程度。由速度自譜密度和模態(tài)振速的關(guān)系，可得模態(tài)輻射聲功率：

相應(yīng)的聲功率級(jí)為：

式中：P0為參考聲功率，P0=0.67×10-18瓦。

折算到參考距離1 m處的均方聲壓級(jí)為：

根據(jù)上述建立的方法，利用有限元軟件建立加肋彈性板的數(shù)值模型，由加肋彈性板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)可得各階模態(tài)的本征函數(shù)ψmn（ x， y ）、模態(tài)波函數(shù)Smn（ k1，k2）、模態(tài)輻射效率σmn（ω）等，分析肋骨和湍流波數(shù)譜的耦合關(guān)系，最終可得加肋彈性板結(jié)構(gòu)在湍流脈動(dòng)壓力激勵(lì)下的模態(tài)輻射聲壓SPLmn。

采用有限元建立1 m×1 m彈性雙向加肋殼板，肋骨尺寸見(jiàn)表1。

表1 加肋平板肋骨尺寸Tab.1 Scale of stiffener for plate

圖2 加肋平板的模態(tài)波函數(shù)Smn（ k1，k2）Fig.2 Modal wave function Smn（ k1 ，k2）of stiffened plate

圖3 湍流脈動(dòng)壓力譜和模態(tài)波函數(shù)的相互作用Fig.3 Interaction of modal wave function and turbulence pressure wave-number spectrum

圖4 平板和加肋平板各模態(tài)的輻射聲壓Fig.4 Comparison of radiation sound pressures of structure mode between plate and stiffened plate

1.2 輻射噪聲對(duì)聲吶自噪聲的影響

艦艇輻射噪聲包含艇體輻射噪聲和螺旋槳輻射噪聲，其噪聲傳播途徑比較復(fù)雜，還沒(méi)有較好的理論能準(zhǔn)確描述輻射噪聲從艇艉到艇艏的傳播。但考慮到輻射噪聲主要是從導(dǎo)流罩后部和底部向聲吶平臺(tái)傳遞，因此建立導(dǎo)流罩?jǐn)?shù)值模型，采用數(shù)值有限元的方法計(jì)算分析導(dǎo)流罩內(nèi)的聲場(chǎng)分布特征。針對(duì)某艦艏聲吶平臺(tái)，采用結(jié)構(gòu)有限元和聲學(xué)有限元的方法建立數(shù)值模型，見(jiàn)圖5，分別分析聲吶平臺(tái)后部和底部噪聲源對(duì)聲吶自噪聲的影響。

圖5 聲吶平臺(tái)聲學(xué)有限元模型Fig.5 FEM model of sonar platform

圖6 輻射噪聲后部傳遞途徑分析模型Fig.6 Transfer Path Analysis model of radiation sound for the tail of the platform

圖7 吸隔聲對(duì)后部入射噪聲的降噪效果Fig.7 Noise reduction effect of absorption and isolation scheme on sound incident from the heel-wall of the platform

圖8 輻射噪聲底部傳遞途徑分析模型Fig.8 Transfer Path Analysis model of radiation sound for the bottom of the platform

圖9 吸隔聲對(duì)底部入射噪聲的降噪效果Fig.9 Noise reduction effect of absorption and isolation scheme on sound incident from the bottom-wall of the platform

計(jì)算表明，噪聲傳遞到聲吶平臺(tái)區(qū)域，會(huì)激勵(lì)聲吶平臺(tái)非透聲界面的鋼結(jié)構(gòu)、透聲窗和內(nèi)外水耦合振動(dòng)，振動(dòng)噪聲傳遞到聲吶基陣部位。從噪聲分布圖可見(jiàn)，罩內(nèi)后部區(qū)域噪聲較高，越靠近殼板結(jié)構(gòu)區(qū)域的噪聲較大，而中間區(qū)域噪聲相對(duì)較低。為降低罩內(nèi)聲吶自噪聲，在非透聲界面采取吸聲和隔聲綜合措施，可有效阻擋外界噪聲對(duì)聲吶自噪聲的影響，見(jiàn)圖6～9。因此，在聲吶導(dǎo)流罩內(nèi)采取吸聲措施降低聲反射的同時(shí)，應(yīng)注重在非透聲界面根據(jù)噪聲頻率采取隔聲措施，抑制外界噪聲激勵(lì)殼體結(jié)構(gòu)對(duì)聲吶自噪聲的影響。

1.3 艇體振動(dòng)對(duì)聲吶自噪聲的影響

艦艇艏部聲吶離主要振動(dòng)源較遠(yuǎn)，受艦艇振動(dòng)影響相對(duì)較小。而舷側(cè)聲吶在艇體側(cè)部寬區(qū)域內(nèi)分布，受艦艇機(jī)械設(shè)備振動(dòng)影響較為明顯，高振動(dòng)噪聲會(huì)在舷側(cè)聲吶部位產(chǎn)生假目標(biāo)等現(xiàn)象。因此，在艇體與聲吶導(dǎo)軌安裝方式確定的條件下，利用有限元建立舷側(cè)聲吶安裝結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型（見(jiàn)圖10），在艇內(nèi)采用多點(diǎn)激勵(lì)作用在耐壓殼體內(nèi)側(cè)，數(shù)值分析在導(dǎo)軌及其附近區(qū)域采取抑振措施對(duì)聲吶單元振動(dòng)響應(yīng)的影響。

分析結(jié)果表明，舷側(cè)陣附近耐壓殼體振動(dòng)對(duì)聲吶單元振動(dòng)影響較大?？紤]到舷側(cè)聲吶工作頻率通常在幾百赫茲，增大聲吶安裝導(dǎo)軌的阻尼損耗，可使聲吶單元振動(dòng)響應(yīng)降低5 dB以上。在聲吶安裝導(dǎo)軌和輕外殼連接的附近區(qū)域采用阻尼抑振措施，能有效降低聲吶單元振動(dòng)10 dB左右，見(jiàn)圖11。

圖10 舷側(cè)聲吶陣布置示意圖Fig.10 Sonar Array installation on the sideboard of the ship

圖11 不同減振措施對(duì)聲吶單元振動(dòng)的影響比較Fig.11 Comparison of vibration reduction effect of various vibration-reduce measurements

2 結(jié) 論

本文針對(duì)艦艇聲吶自噪聲問(wèn)題，分析了水動(dòng)力噪聲、輻射噪聲和艇體振動(dòng)三大噪聲源對(duì)聲吶自噪聲的影響。研究結(jié)論主要如下：

（1）聲吶部位的水動(dòng)力噪聲主要由透聲窗受湍流激勵(lì)產(chǎn)生，其作用機(jī)理主要為湍流波數(shù)—頻率譜和透聲窗加肋殼板的模態(tài)波函數(shù)耦合，產(chǎn)生各模態(tài)輻射噪聲。耦合強(qiáng)度由橫向肋骨剛度決定，橫向肋骨剛度大，肋骨在模態(tài)波函數(shù)上產(chǎn)生較高峰值，模態(tài)輻射噪聲高。因此，為降低透聲窗水動(dòng)力噪聲，應(yīng)減小橫向肋骨，適當(dāng)增大流向肋骨以保證整體強(qiáng)度；

（2）輻射噪聲主要從聲吶平臺(tái)的后部和底部向艏聲吶傳遞，計(jì)算分析表明，為抑制輻射噪聲對(duì)聲吶自噪聲的干擾，在聲吶平臺(tái)壁面敷設(shè)吸隔聲結(jié)構(gòu)，能有效降低輻射噪聲對(duì)聲吶自噪聲的影響；

（3）針對(duì)舷側(cè)聲吶的安裝方式，計(jì)算分析了聲吶安裝導(dǎo)軌減振措施對(duì)聲吶單元振動(dòng)響應(yīng)的影響，計(jì)算表明，耐壓殼振動(dòng)對(duì)聲吶單元振動(dòng)影響較大，應(yīng)在振動(dòng)傳遞途徑上采取阻尼抑振措施，減弱殼體振動(dòng)向舷側(cè)聲吶的傳遞。

[1]Maidanik G.Domed sonar system[J].J Acoust.Soc.Am.,1968,44(1)：113-124.

[2]Kuo E Y T.Acoustic field generated by a vibrating boundary,I.General formulation and sonar-domed noise loading[J].J Acoust.Soc.Am.,1968,43(1)：25-31.

[3]Muet I LE.Bruit dorigine hydrodynamique rayonnéàl’intérieur d’un dǒme sonar：études expérimentales etévaluation S. E.A.[J].Journal d’Acoustic,1987,21：111-116.

[4]Vassas M.Evaluation of flow noise on a hull mounted sonar array,UDT’99,1999：356-359.

[5]俞孟薩.隨機(jī)聲彈性理論及聲吶罩聲學(xué)設(shè)計(jì)研究[D].無(wú)錫：中國(guó)船舶科學(xué)研究中心,2007.Yu Mengsa.Theory of random acoustoelasticity and its application in acostic design of sonar domes[D].China Ship Scientific Research Center,2007.

[6]俞孟薩,李東升.聲吶罩夾芯式透聲窗的聲學(xué)設(shè)計(jì)研究[J].聲學(xué)學(xué)報(bào),2005,30(5)：427-434.Yu Mengsa,Li Dongsheng.Design of sandwich acoustic window for sonar dome[J].ACTA Acustica,2005,30(5)：427-434.

[7]何祚鏞.結(jié)構(gòu)振動(dòng)與聲輻射[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社,2001.

Mechanism analysis of noise control for Sonar Platform

LI Dong-sheng1,XU Hai-bin2,CAI Wei-feng2,LIU Han-wen2
(1.National Key Laboratory on Ship Vibration&Noise,China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China, 2.Hai Ying Co.Ltd.,Wuxi 214061,China)

To investigate the sound characteristics of the ship sonar platform,the effect of the three typical noise source on the sonar self-noise is researched.The results show that the hydrodynamic noise factor is mainly affected by the stiffener of the dome,and hence in order to avoid the resonance,it is suggested that the wave-number shape function of the stiffener should be designed to differ from peak of the turbulence wave-number spectrum.Noise of propeller and mechanical radiation sound is transferred through the bottom and tail of the platform,thus the noise near the wall of the platform is higher,which means in order to control the self-noise of the platform,the non-transmission wall should have a sound-isolation layer.The vibration and sound radiation of the hull is the main factor of broadside sonar noise,thus in the vibration transmission path some damping work should be done to lower down the broadside sonar noise.

sonar;sonar dome;sonar self-noise;hydrodynamic noise

TB53

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2017.07.013

1007-7294（2017）07-0907-07

2017-05-28

李東升（1977-），男，高級(jí)工程師，E-mail：kysma@163.com；

徐海賓（1975-），男，高級(jí)工程師。