船舶水下輻射噪聲計(jì)算評(píng)估方法應(yīng)用

文武

摘 要：船體受到動(dòng)力設(shè)備激勵(lì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)，而振動(dòng)不僅會(huì)對(duì)居住艙室造成影響，還會(huì)引起周?chē)牧黧w振動(dòng)，導(dǎo)致水下產(chǎn)生輻射噪聲。本文就通過(guò)有限元與邊界元結(jié)合法，借助Patran/Nastran和Virtual.lab有限元的軟件對(duì)船舶水下的輻射噪聲實(shí)施聯(lián)合仿真和計(jì)算，在實(shí)船測(cè)試與船模試驗(yàn)的計(jì)算后獲取激勵(lì)源條件下船舶水下的輻射噪聲實(shí)際情況，進(jìn)而對(duì)初步設(shè)計(jì)中水下輻射噪聲評(píng)估法實(shí)施修正，提升船舶的聲學(xué)設(shè)計(jì)與評(píng)估精確度。

關(guān)鍵詞：船舶;水下輻射噪聲;計(jì)算評(píng)估;方法應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：U661.44文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）20-0034-03

Abstract： When the hull is excited by the power equipment， it will generate corresponding vibration， and the vibration will not only affect the living room， but also cause the surrounding fluid to vibrate， resulting in radiated noise underwater. In this paper， through the combination of finite element and boundary element method， with the help of Patran/Nastran and Virtual.lab finite element software， the joint simulation and calculation of the underwater radiated noise of the ship were carried out， the actual situation of the underwater radiation noise of the ship under the excitation source condition was obtained after the actual ship test and the ship model test calculation， and then the underwater radiation noise evaluation method in the preliminary design was revised to improve the accuracy of the ship's acoustic design and evaluation.

Keywords： ship;underwater radiated noise;calculation evaluation;method application

新時(shí)期，隨著現(xiàn)代船舶業(yè)的迅速發(fā)展，人們對(duì)現(xiàn)代船舶的性能要求不斷提高，不僅要求船舶的振動(dòng)與噪聲滿足舒適性的要求，還要求水下輻射的噪聲也在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。船舶水下的輻射噪聲太大，不僅會(huì)對(duì)水下設(shè)備正常運(yùn)行造成影響，還會(huì)對(duì)海域內(nèi)生物日常活動(dòng)造成不利的影響，因此這就需要采用合理有效的計(jì)算評(píng)估法對(duì)船舶水下的輻射噪聲實(shí)施預(yù)測(cè)，為船舶設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的依據(jù)，從而有效控制船舶水下的輻射噪聲。

1 船舶水下輻射噪聲計(jì)算評(píng)估方法概述

對(duì)于船舶水下的輻射噪聲來(lái)說(shuō)，其指標(biāo)體現(xiàn)出船舶減振和降噪措施的效果優(yōu)劣，是對(duì)船舶受到被動(dòng)聲納所探測(cè)和發(fā)現(xiàn)的距離遠(yuǎn)近衡量。此指標(biāo)一般通過(guò)船舶于水中激發(fā)出遠(yuǎn)場(chǎng)的聲壓實(shí)施評(píng)估與檢驗(yàn)，而遠(yuǎn)場(chǎng)主要是指距離船舶有—定的距離且將船舶當(dāng)作一個(gè)點(diǎn)位置。現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)和資料中并沒(méi)有見(jiàn)到關(guān)于船舶水下輻射噪聲評(píng)估方法的研究。而對(duì)船舶振動(dòng)的噪聲預(yù)報(bào)法中也存在一些成熟法，包括有限元、邊界元以及統(tǒng)計(jì)能量等方法，盡管這些方法為船舶振動(dòng)的噪聲性能評(píng)估提供了依據(jù)，但它們普遍對(duì)船舶參數(shù)存在己知度的要求高等問(wèn)題[1]。

2 有限元與邊界元結(jié)合法理論

2.1 有限元法

在有限元法中，把結(jié)構(gòu)離散成有限的多個(gè)單元類(lèi)型，把無(wú)線的自由度轉(zhuǎn)化為有限的自由度，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)有限參數(shù)代數(shù)的方程組實(shí)施計(jì)算。船舶是船體梁，其本身就是彈性結(jié)構(gòu)，將其放置在聲學(xué)的介質(zhì)內(nèi)，則船體和流體的接觸面會(huì)發(fā)生相互耦合的作用。船體和流體耦合的作用一般存在4種類(lèi)型耦合的模型，主要有水彈性、全耦合、氣動(dòng)彈性和虛擬質(zhì)量等方法模型。本文就通過(guò)虛擬質(zhì)量方法對(duì)流固耦合實(shí)施模擬，此方法主要是把流體對(duì)船體結(jié)構(gòu)的作用借助一附加性質(zhì)量矩陣來(lái)表示，則船體于流體內(nèi)振動(dòng)的狀態(tài)就表示為：

[[M+MA][u..]+[K+KA]·[u]={0}] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[M]與[MA]分別為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣作用以及流體作用條件下其結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生附加質(zhì)量的矩陣;[K]與[KA]分別為結(jié)構(gòu)剛度矩陣以及流體作用條件下其結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生附加剛度的矩陣;[u..]和[u]分別為加速度和速度的向量。

根據(jù)式（1）分析，流體的狀態(tài)會(huì)改變附加質(zhì)量的矩陣，并且結(jié)構(gòu)的振動(dòng)會(huì)以結(jié)構(gòu)邊界面為載體對(duì)流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生影響。因此，通過(guò)虛擬質(zhì)量方法對(duì)流固耦合實(shí)施模擬，要于Nastran的求解器內(nèi)對(duì)船體的外殼部分水線以下的網(wǎng)格實(shí)施定義。

2.2 邊界元法

本文通過(guò)邊界元法對(duì)聲場(chǎng)輻射實(shí)施計(jì)算，將船舶水線以下結(jié)構(gòu)發(fā)生的振動(dòng)當(dāng)作水下輻射的噪聲主要來(lái)源，并不考慮水線以上的結(jié)構(gòu)振動(dòng)以及空氣輻射的噪聲等，所以將水線以下部分船體外殼的速度響應(yīng)當(dāng)作邊界元約束條件，并在邊界元的計(jì)算模型內(nèi)對(duì)水線面和聲場(chǎng)進(jìn)行定義，其水平面位置壓力是0，具體情況如圖1所示[2]。

3 船體振動(dòng)的響應(yīng)計(jì)算和評(píng)估

3.1 建立有限元的模型

在仿真計(jì)算中，為了確保計(jì)算的精準(zhǔn)性，要確保有限元模型具有良好的精度。按照實(shí)際情況，建立有限元模型，通過(guò)Shell的單元對(duì)船體內(nèi)甲板、縱橫艙壁、舷側(cè)外板等進(jìn)行表示;而縱桁、縱骨、橫梁和立柱等則通過(guò)Beam的單元實(shí)施建模;船舶的壓載水、潤(rùn)滑油和燃油等通過(guò)Solid的單元進(jìn)行表示;機(jī)械設(shè)備和甲板的貨物等通過(guò)Mass點(diǎn)實(shí)施模擬。網(wǎng)格設(shè)置成500 mm的大小，則整個(gè)船體有限元的模型共有31 200個(gè)數(shù)量的節(jié)點(diǎn)和72 554個(gè)數(shù)量的網(wǎng)格，如圖2所示。

3.2 激勵(lì)力

船舶水下的輻射噪聲主要可以分為結(jié)構(gòu)類(lèi)噪聲、流噪聲和螺旋槳的噪聲等。其中，結(jié)構(gòu)類(lèi)噪聲是船舶動(dòng)力設(shè)備內(nèi)部的動(dòng)力元件發(fā)生往復(fù)或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的，從船體外殼朝外進(jìn)行噪聲輻射。當(dāng)船舶在低速狀態(tài)航行時(shí)，其結(jié)構(gòu)類(lèi)噪聲所產(chǎn)生水下的輻射噪聲大致占70%，所以動(dòng)力設(shè)備和傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)對(duì)水下輻射噪聲的影響是研究的重點(diǎn)。

本文主要以實(shí)船測(cè)試方式獲取柴油類(lèi)發(fā)電機(jī)、軸系中間的支撐基座和推進(jìn)電機(jī)的機(jī)腳振動(dòng)等振動(dòng)的數(shù)值，并且通過(guò)船模試驗(yàn)獲取螺旋槳產(chǎn)生脈動(dòng)的壓力值[3]。

3.3 水下輻射的噪聲預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)對(duì)比分析

本文中，船舶采用電力推進(jìn)方式，柴油機(jī)是8缸機(jī)，額定轉(zhuǎn)速是500 r/min。通過(guò)頻率響應(yīng)方式計(jì)算獲取船體外板以下部分振動(dòng)速度的響應(yīng)，并采用邊界元法輸入，獲取不同頻率下聲場(chǎng)中水下輻射的噪聲聲壓具體分布。船舶初步設(shè)計(jì)中，由水下輻射的噪聲計(jì)算得知，柴油機(jī)的半缸頻位置存在較大的聲壓級(jí)，要重點(diǎn)對(duì)此頻率位置水下輻射的噪聲實(shí)施控制。將原來(lái)隔振器的頻率降低1 Hz，同時(shí)綜合考慮柴油機(jī)穩(wěn)定性和聯(lián)軸器位移補(bǔ)償情況，提升此頻率位置的隔振效果，控制船體振動(dòng)響應(yīng)。

初步評(píng)估船舶水下噪聲后，優(yōu)化柴油機(jī)隔振器剛度，然后計(jì)算水下輻射噪聲，獲取50 Hz和100 Hz頻率聲場(chǎng)內(nèi)的聲壓級(jí)具體分布圖，如圖3與圖4所示。根據(jù)船舶水下輻射噪聲的實(shí)際測(cè)量要求，選用一定距離測(cè)點(diǎn)當(dāng)作計(jì)算場(chǎng)點(diǎn)，通過(guò)歸一化處理獲取水下輻射噪聲的聲壓級(jí)狀態(tài)。

按照中國(guó)船級(jí)社發(fā)布的《船舶水下輻射噪聲檢測(cè)指南》，對(duì)水下的輻射噪聲進(jìn)行測(cè)試。其間要確保海況與測(cè)試滿足要求，將被測(cè)的船舶以圖5方式實(shí)施機(jī)動(dòng)，一共執(zhí)行6個(gè)航次進(jìn)行測(cè)量，被測(cè)船舶和水聽(tīng)器間的最小會(huì)遇距離是200 m或1倍的船長(zhǎng)，取兩者的較大值[4]。

將聲壓級(jí)折合到距離聲源為1 m位置1/3倍條件下的頻程頻帶，把計(jì)算結(jié)果和實(shí)船水下輻射噪聲的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。在頻率10～200 Hz的大部分頻段內(nèi)，仿真結(jié)果小于實(shí)測(cè)結(jié)果，可能是因?yàn)槁曉纯紤]不全面，忽視流噪聲或輔機(jī)設(shè)備振動(dòng)的噪聲等，而在10～200 Hz的頻率中，總體誤差小于3 dB，總級(jí)僅差1 dB，因此仿真結(jié)果較為準(zhǔn)確。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用一種有限元和邊界元結(jié)合法，對(duì)船舶水下輻射的噪聲實(shí)施計(jì)算和評(píng)估，通過(guò)建立模型對(duì)水下輻射的噪聲進(jìn)行預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)。對(duì)比分析可知，仿真結(jié)果具有很好的準(zhǔn)確性，能夠?yàn)榇霸O(shè)計(jì)提供良好的參考依據(jù)。

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