拖曳声纳阵隔振模块性能计算分析

　　0 引言

　　拖曳线列阵声纳具有远离拖船、噪声低、可变深、可充分利用水文条件以及孔径不受限制等优点,在现代反潜、海洋水文和资源勘探测量中,得到了越来越广泛的应用和发展。但是拖曳线列阵声纳在探测远距离信号或弱信号时,对探测效果起重大制约因素的是流噪声。因此抑制拖线阵声纳流噪声,就成了提高拖线阵声纳性能的关键因素。在声阵模块前、后插入性能优良的隔振模块,尽可能衰减振动,是抑制流噪声的有效途径。目前对隔振模块的性能已进行了初步的研究[1-4]。在对若干样模块所做的拖曳自噪声测量中,发现由质量、弹簧、粘弹性阻尼系统构成的隔振模块,具有良好的隔振性能,声阵样模块装了隔振模块样模块后,在拖速为3m/s时可使声阵的自噪声降低5-10dB[1]。作者对隔振模块在不同激励频率下的隔振量进行了实际测量[3,4]。徐亮等[5]将隔振模块视为具有链状结构的多自由度系统,用传递矩阵法计算了隔振模块隔振量。汪鸿振等[6]对不同拖速下拖缆的振动固有频率和模态进行了计算。本文则利用有限元法对隔振模块的隔振性能进行理论计算分析。

　　1 计算模型

　　由于拖曳线列阵在水中呈零浮力,故在拖船作直航拖曳运动时它在水中呈一条水平直线。对于首隔振模块,其所受到的力有:拖缆的拉力;首隔振模块后各模块对它的拉力,大小等于首隔振模块后各模块所受到的流体阻力之和;首隔振模块自身所受的流体阻力,它是一个沿模块轴向分布的分布力。以上各力大小均与拖曳速度有关。拖曳线列阵作匀速直线运动时,只要已知其运动速度就可求得隔振模块所受的各个轴向力。它们都是常量[4]。因此在计算时,假定隔振模块在水中处于零浮力(重力和浮力平衡)状态,并处于水平位置。隔振模块由护套、尼龙绳、支撑件、填充剂等所组成[1],如图1所示。

　　为了模拟隔振模块在实际工作过程中受力状态,在其两端各增加一根弹簧。左弹簧一端固定,右弹簧受到拉力作用。在隔振模块右端施加水平激振力作用。其激振力F2=F0sinXt,F0分别为25N和50N,激振频率为5-100Hz。图2所示为隔振模块的计算模型。

　　隔振模块是一具有分布质量和刚度的连续系统,具有无限个自由度。其数学模型用偏微分方程描述,其边界问题(固有频率及振型函数)和动力响应的精确求解很难进行。本文利用有限元方法进行求解。在处于平衡位形的隔振模块上取n个节点,将两个节点之间的隔振模块段用连接两节点的管单元来代替,这样就将隔振模块划分为(n-1)个管单元。由于支撑件不与护套固定连接,它们的主要作用是使得隔振模块在收、放过程中不被压坏,所以在处理隔振模块内部的填充液体和支撑件时,按其单位长度的质量加入到管单元的质量中。任意选取一隔振模块单元,其长度1。如图2所示,其中x轴方向与隔振模块单元轴线重合。设在该单元上隔振模块沿x轴方向的振动位移为u(x,t),沿y轴方向的振动位移为v(x,t),沿z轴方向的振动位移为w(x,t)。在单元上任取一微元段dx,在振动过程中其长度为[6]: