周期加肋夹芯透声窗的声呐自噪声特性研究

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1、国造船SHIPBUILDINGOFCHINA文章编号：1000-4882(2008)03-0025-13周期加肋夹芯透声窗的声呐自噪声特性研究俞孟萨，李东升，白振国摘要以舰船声呐罩透声窗的低噪声设计为背景，针对周期加肋夹芯平板和平行腔体组成的简化声呐罩模型，采用Fourier变换方法和功率谱密度概念，建立加肋夹芯透声窗受平稳随机湍流脉动压力激励产生的声呐部位水动力自噪声的计算方法，数值计算肋骨几何尺寸和间距等参数对声呐自噪声的影响。研究结果表明：加肋透声窗在湍流脉动压力激励下产生的声呐自噪声，取决于声呐罩的空

2、间滤波特性。肋骨引起的波数迁移，使透声窗与湍流脉动压力的传输峰值分量发生空间吻合共振，明显增大声呐自噪声。加肋夹芯透声窗的弹性波传播截止效应，部分抵消肋骨产生的空间调制效应，可降低声呐自噪声5~10dB。关键词：船舶、舰船工程；声呐自噪声；透声窗；湍流边界层脉动压力中图分类号：U666.7文献标识码：A1引言上世纪90年代，国外在低噪声声呐罩设计时，在两层玻璃钢中加设一层高分子粘弹性材料，制作夹芯透声窗。这种透声窗具有插入损失小、阻尼因子大、比强度高等优点［2】。声呐罩透声窗设计的一个基木要求就是保证其有足够

3、的结构强度，增加透声窗壁厚固然可以启效提高强度，但同时也会降低透声窗的透声性并增人声波束畸变。为了权衡高强度、高透声和低噪声三方面的性能，透声窗较多地采用加肋结构形式。加肋夹芯玻璃钢透声窗已成为一种实用价值较高的新型声呐透声窗结构。舰船声呐罩内基阵部位自噪声在较高航速和较高频段以水动力噪声分最为主。它是透声窗受湍流脉动压力激励产生的振动所辐射的噪声。由于实际声呐罩形状复杂，声呐部位白噪声的水动力噪声分量研究，一般都采用简化模型。Rao⑶建立了弹性平板覆盖的矩形腔声呐罩模型，计算舰船的声呐自噪声。Maidani

4、k141^用无限人平行板模型，计算湍流脉动压力激励产生的声呐罩内部噪声。Rao⑸解析求解简支矩形弹性板在湍流脉动压力激励下的振动加速度功率谱，再通过模型激振试验测定振动加速度与罩内自噪声的空间传递函数，估算声呐自噪声功率谱。考虑到声呐自噪声中水动力噪声分量频率较高，适合采用统计能最法计算。Muet161和Vassa"采用统计能量法，建立了声呐罩在湍流脉动压力激励下白噪声的计算方法。Han等人⑻采用能最流分析法，求解以时空平均能量密度为参数的平板振动方程，预报弹性平板受湍流脉动压力激励产牛的振动以及平板下方矩形

5、腔内的均方声压。文献［9」较系统地归纳过声呐罩声学设计的基本问题和自噪声计算方法。针对声呐罩透声窗的加肋薄壁结构受湍流脉动压力激励的声辐射问题，Shsh［,01研究了单根和多根肋骨加强的无限人平板与湍流脉动压力的相收稿日期:2006-10-13;修改稿收稿日期:2007-03-28互作川。Maidanik和Dickey1111研究了周期性加肋板受湍流脉动压力激励的振动响应。Rumerman112131研究了带有单根、多根或无限根加强肋骨的均匀和非均匀板，受湍流脉动压力激励的声辐射，给出有限带宽辐射声功率的近似

6、表达式。但没有考虑肋骨对湍流脉动压力的散射所产生的波数迁移，忽略了传输波数分量因波数迁移而使空间耦合增强的效应。木文在文献［14、15］研究夹芯透声窗受平稳随机湍流脉动压力激励产生的水动力自噪声计算方法基础上，利用Maidanik⑷提出的平板和平行腔体组合的声呐罩模型，重点模拟加肋夹芯透声窗结构，考虑肋骨与夹芯平板的相互作用，声呐罩内部腔体简化为平行液体层，淡化声呐罩线型等因素对透声窗声学性能的影响。采用空间Fourier变换方法和功率谱密度函数，参照Ko和Heatwole“、⑺计算柔性层流动噪声的方法，建立

7、加肋夹芯透声窗受平稳随机湍流脉动压力激励产牛水动力自噪声的计算方法，数值计算肋骨几何尺寸和间距等参数对声呐自噪声的影响，并分析加肋夹芯透声窗产生的声呐自噪声特征。2声呐口噪声计算模型考虑如图1所示的声呐罩水动力白噪声计算模型：透声窗为加肋夹芯弹性平板，其外层为玻璃钢板，小间层为粘弹性层，内层为单向周期性加肋玻璃钢板；声呐腔简化为平行液体层，声呐基阵简化为表面声反射系数为R的平面。建立如图1所示的坐标系，为方便起见，令：z°=0,Z2=+Is，图1声呐罩自噪声计算模型在区域vI＞和＜，＞中，声压#i（x,y,

8、z,Q）和”2（x,y,z,＜y）分别满足理想声介质中小振幅波动方程：（1）（i=l＞2）式中，*o=Q/Co为声波数，Co为水中声速，①为圆频率。区域vll＞、＜IV＞,弹性平板满足经典薄板小振幅弯曲振动方程:DW+g—畑叶严心）Lz=z2~P2z=z.-Pf（'=2）式中，Dj、hi、C,分别为外层和内层平板沿2方向的振动位移、弯Illi刚度、厚度和粘性阻尼参数；Ps、E、v分别为平板密度、杨氏