舰船结构声学设计及噪声预报技术探讨

    舰船结构声学设计是实现舰船声隐身的前提．若能在设计阶段就能对未来舰船的声学性能较为准确地预报，对于正在进行的舰船结构设计有着重要的指导意义． 决定舰船机械噪声的因素包括: 机械设备的激励特性、舰船结构的振动传递特性以及船体的声辐射特性． 舰船结构声学设计及噪声预报也应从这三方面着手进行［1 －3］．

    舰船结构声学设计涉及众多学科． 以往的研究大多注重于个别技术领域，对上述三方面相互关联及相互影响的研究较少，而这些都是声学性能预报中不可忽略的方面． 文中以国外某型驱逐舰为背景，选择四型船用柴油主机的实测振动数据作为激励源; 模拟各种减振降噪方案，在该舰的有限元模型上分析柴油机机脚、基座面板以及船体外板的振动，研究舰船结构的振动传递特性; 并且利用边界元方法计算得到舰船的水下噪声． 文中着重研究了设备的振动激励、基座结构对于振动的传递、船体的声辐射以及三者间的关系; 通过模拟计算与分析，较全面地探讨了舰船结构声学设计以及水下噪声预报中的关键问题．

    1 舰船结构振动的传递及噪声预报原理

    依据振动模态分析理论，舰船结构作为多自由 度振动系统，从设备安装基座 p 点到船体外板 l 点的传递函数 Hlp( ω) 可表示为

    式中: λi为舰船结构振动的复模态频率，ψi为复振型，它们与舰船结构的复模态质量 ai、复模态刚度Ki以及复模态阻尼 Ci有关［4］．

    以基座面板上的减振器安装点作为原点，将跨点导纳 Hlp( ω) 与原点导纳 Hpp( ω) 相除，得到船体外板的振动响应 Xl( ω) 与基座面板的振动响应Xp( ω) 之比，即

    于是，在实模态的条件下，船体外板的振动响应与基座面板的振动响应之比 T( ω) 可以写成以下形式:

    可见，T( ω) 是一频率函数，与舰船结构的各阶振动模态及其参与程度有关． 与传统的传递函数Hlp( ω) 相比，T( ω) 的幅频特性具有明确的物理意义，反映了振动的传递特性，可将其定义为振动传递率． 振动传递率仅仅取决于船体包括基座的结构与材料阻尼，而与外部激励无关［5］． 因此，舰船结构声学设计的一项重要任务是对影响振动传递率的各个要素进行控制．

    关于船体结构的水下声辐射，通常借助于声辐射效率的概念，如下式:

WR= ρcSσrad＜ v2＞ ( 4)

    式中: 海水密度 ρ 与水中声速 c 为定值; 船体外板的振动速度 v 需要结合具体的辐射面积 S 进行能量平均，需要考虑该辐射面上的声辐射效率 σrad．水下声辐射的计算结果与具体舱段的外形、尺寸、外板厚度、内部的肋间距等参数有关［6 －7］．