出海管路系统的噪声振动及声辐射

　　随着计算机软硬件的迅速发展,各种数值分析方法得到了广泛的应用,诸如有限元分析法(FEM)和边界元分析法(BEM)成为声学工程研究中必不可少的工具.然而对于系统高频振动和噪声分布情况的研究,应用上述两种方法的效果不佳[1].为此,统计能量方法(SEA)提供了一条较为可靠和高效的途径[2,3].在应用SEA时[4～6],所研究的结构或系统被分割成一系列单一的振动子系统,对每个子系统建立功率平衡方程后,便可得到一线性方程组.通过求解以模态密度和损耗因子为变量的函数,可以得到各个子系统之间的能量比,进而计算出每个子系统的辐射功率,并可预测各个子系统的辐射声功率强度.本文采用SEA对出海管路系统的噪声振动及声辐射进行研究.

　　1　统计能量方法

　　对于一个含有N个子统的结构,其中一个子系统在稳态激励下的功率平衡方程为

式中:Pi为i子系统的输入功率;Ej和ηj分别为第j子系统空间和时间的平均能量及内损耗因子(包括辐射损耗因子);ω为角频率.由能量平衡方程可知,i子系统的输入功率必等于整个系统中各子系统的损耗功率.

　　也可用另外一种方式表示这种能量关系.假设

式中:ηij为子系统i和j的耦合损耗因子;ni为i子系统的模态密度.两子系统之间的互易性关系式为

　　从每个子系统到所有其他子系统的能量关系为

　　这个系统方程可以通过算法快速求出,其解为输入子系统的存储能量和其他接收子系统之间的存储能量比Ej/Ei.进而还可以得到每个子系统与整个输入功率的比值.

　　2　简单管路的SEA模型

　　SEA模型的基本单元,即子系统,包含有丰富的振动模态,特别是在高频段.根据潜艇管路系统通海口段的布局进行简化处理,先进行最简模型研究.取一段有限长的充水管路,出水口一端加一块足够大障板,以模仿实际潜艇的非耐压层,如图1所示.设管壳所包容的一段水柱为1#子系统,管壳为2#子系统.在该系统下,SEA模型中只有2个子系统,图中的Pin表示在进水口端作用到1#子系统上的输入噪声功率.管壁一方面与水柱耦合作用,另一方面又要与周围的空气耦合作用,即管壁由于振动还进行声辐射.假设噪声通过管路耦合作用,一部分将辐射到管口外无限大的水域中.由于该系统中一个子系统为固体结构,另一个子系统为流体,所以在振动机理上,两者截然不同.

　　图2为2个子系统的耦合关系(即能量传递)框图.在该系统中,管壳的内部耗散损耗因子和辐射损耗因子共同组成了2#子系统钢管的内损耗因子,而1#子系统的内损耗因子由水柱所在的声空间的内部耗散损耗因子和管口的声辐射损耗因子组成.