螺旋槳船舶振動(dòng)輻射噪聲分析課件

推進(jìn)器激勵(lì)船舶振動(dòng)輻射聲計(jì)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(dòng)的數(shù)學(xué)物理模型，采用聲極子模型計(jì)算各船體截面振動(dòng)引起的輻射聲壓。計(jì)算分析了激勵(lì)力直接作用到船體和經(jīng)螺旋槳、軸系激勵(lì)船體振動(dòng)產(chǎn)生輻射的差別，指出軸系振動(dòng)對(duì)螺旋槳激勵(lì)力激起船體振動(dòng)并產(chǎn)生聲輻射有著關(guān)鍵的影響作用。（中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫21408）一,引言二,艇體低頻振動(dòng)計(jì)算方法三,輻射聲計(jì)算方法四,計(jì)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(chǎng)中，除了提供動(dòng)力外還產(chǎn)生不定常激勵(lì)力作用到船艇結(jié)構(gòu)上，是引起艇體振動(dòng)的一個(gè)重要激勵(lì)源。螺旋槳通過軸系激勵(lì)艇體振動(dòng)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(guó)外很早就在這方面研究了并建立了計(jì)算方法和控制措施。本文針對(duì)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(jiǎn)化的適合工程設(shè)計(jì)應(yīng)用的螺旋槳非定常力經(jīng)軸系激勵(lì)艇體振動(dòng)輻射噪聲計(jì)算方法，在滿足工程計(jì)算精度的條件下，極大的簡(jiǎn)化了輻射噪聲計(jì)算方法。

艇體低頻振動(dòng)輻射聲計(jì)算方法對(duì)于潛艇螺旋槳、軸系及艇體耦合振動(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)與縱向振動(dòng)耦合，而水平面內(nèi)的彎曲振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)耦合，而從，需對(duì)這兩組無法解耦的振動(dòng)進(jìn)行同時(shí)解耦。在推導(dǎo)艇體體梁的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣時(shí)，把參考坐標(biāo)系的原點(diǎn)建立在剛度中心，因此梁?jiǎn)卧龃瓜驈澢\(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)，所以引起的橫向位移可以忽略，只考慮縱向位移。于是梁?jiǎn)挝坏膶?shí)際縱向位移可以表示為梁?jiǎn)挝坏膶?shí)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(dòng)、水平彎曲和扭轉(zhuǎn)耦合的振動(dòng)的單元位移向量記為并將梁?jiǎn)挝辉獌?nèi)部的橫向位移和轉(zhuǎn)角位移表達(dá)成梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)的二次多項(xiàng)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?jiǎn)卧獞?yīng)變勢(shì)能和動(dòng)能，進(jìn)而得到梁?jiǎn)卧膭偠群唾|(zhì)量矩陣。以垂向彎曲與縱向振動(dòng)耦合為例，梁的單元應(yīng)變勢(shì)能與動(dòng)能可分別表示為；由上兩式并根據(jù)矩陣知識(shí)轉(zhuǎn)變可得梁?jiǎn)挝辉饔糜诖瓜驈澢c縱向耦合振動(dòng)時(shí)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(duì)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(dòng)的耦合作用；主推力軸承同時(shí)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(dòng)及縱向振動(dòng)耦合作用。將船艏到艉將船體梁?jiǎn)卧洼S系梁?jiǎn)卧墓?jié)點(diǎn)逐一編號(hào)，并將船體梁?jiǎn)卧洼S系梁?jiǎn)卧膭偠?、質(zhì)量矩陣填入對(duì)應(yīng)自由度，從而組裝形成總剛度陣和總質(zhì)量陣，針對(duì)分析頻率計(jì)算得廣義剛度矩陣得式；再將用于描述各軸承動(dòng)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(dòng)的結(jié)構(gòu)有限元?jiǎng)偠染仃?。再考慮流場(chǎng)作用在螺旋槳上的激勵(lì)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(dòng)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(dòng)的位移解。艇體梁模型的輻射聲計(jì)算方法針對(duì)推進(jìn)器、軸系及艇體耦合振動(dòng)具有低頻特性，此頻率段內(nèi)的聲波波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于船體截面的尺度，因此，無論是彎曲振動(dòng)還是縱向振動(dòng)，艇體梁?jiǎn)卧穆曒椛涠紳M足致密條件，因而可以使用聲極子模型計(jì)算各艇體截面振動(dòng)引起的輻射聲壓。船體水下振動(dòng)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(jì)算。船體彎曲振動(dòng)引起船體段元在水介質(zhì)中橫向平動(dòng)且不產(chǎn)生船體截面變化，因此可用偶極模型計(jì)算各梁?jiǎn)卧囊疠椛渎晧?。聲壓公式為；?dāng)船體做縱向振動(dòng)時(shí)，縱向運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)引起的局部體積變化。因此，可用單極子模型計(jì)算因船體縱向振動(dòng)引起的水下輻射聲壓級(jí)，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?jiǎn)卧臋M截面積和縱向彎曲橫向位移，0為聲場(chǎng)點(diǎn)與艇軸線的夾角，縱向振動(dòng)產(chǎn)生聲壓與聲場(chǎng)點(diǎn)在艇體橫截面上的方位角無關(guān)。

當(dāng)不同激勵(lì)力間不存在固定相位差時(shí)，其振動(dòng)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(lì)引起的輻射聲場(chǎng)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(jì)算由兩方向振動(dòng)引起的總輻射聲壓級(jí)。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(dòng)的耦合作用，所以單獨(dú)縱向激勵(lì)將引起垂向彎曲振動(dòng)，反之亦然。由同一激勵(lì)力引起的縱向振動(dòng)和垂向彎曲振動(dòng)存在確定相位差關(guān)系，因此，由此兩振動(dòng)分量引起的輻射聲場(chǎng)也將存在穩(wěn)定的相位差關(guān)系，從而應(yīng)使用場(chǎng)點(diǎn)聲壓復(fù)幅值相加的方法疊加此兩振動(dòng)分量引起的輻射聲。同時(shí)，由不同激勵(lì)力引起的船體振動(dòng)輻射噪聲仍能使用能量疊加法計(jì)算輻射聲壓級(jí)。計(jì)算結(jié)果及分析

以典型船體為例，從設(shè)計(jì)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(lì)，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(lì)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(lì)作用下的耦合是可以忽略的。而在垂向激勵(lì)下，艇體首階縱向振動(dòng)固有頻率附近引起的耦合縱向明顯，但對(duì)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(lì)船體振動(dòng)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(dòng)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(jì)算船體梁振動(dòng)引起的輻射聲場(chǎng)。但由于螺旋槳激勵(lì)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(dòng)噪聲問題存在某些爭(zhēng)議。軸系減振設(shè)計(jì)分析：前述計(jì)算結(jié)果表明，在船體縱向振動(dòng)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(dòng)特性很難改變，因此欲改變螺旋槳經(jīng)軸系激勵(lì)船體振動(dòng)輻射聲特性，在激勵(lì)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(shí)際傳遞到船體上的激勵(lì)力。具體本文不做進(jìn)一步討論，軸系減振設(shè)計(jì)的第二個(gè)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(dòng)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(dòng)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(duì)推進(jìn)器激勵(lì)船體振動(dòng)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(lì)船體振動(dòng)并產(chǎn)生輻射聲的數(shù)學(xué)物理方程，給出了振動(dòng)響應(yīng)和輻射聲的計(jì)算方法，通過螺旋槳、軸系及艇體耦合振動(dòng)噪聲計(jì)算案例，得出了以下結(jié)論：一，垂直激勵(lì)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(dòng)，而縱向激勵(lì)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(lì)船體振動(dòng)產(chǎn)生輻射噪聲主要體現(xiàn)為船體首階縱向振動(dòng)的強(qiáng)輻射和軸系子系統(tǒng)首階縱向振動(dòng)的力放大作用，他們是螺旋槳激勵(lì)船體