水下辐射噪声快速预报方法研究

　　0 引言

　　目前,水下辐射噪声的快速预报通常采用以下2种技术途径:第1种,根据潜艇在不同工况实测的辐射噪声,回归得到经验公式,潜艇在不同航行状态的辐射噪声,可以由经验公式计算得到;第2种,根据潜艇不同部位的振动数据,在不同的频段采用不同的方法建立声辐射物理—数学模型,数值预报潜艇的辐射噪声。现阶段采用第2种技术途径进行预报。在低频段,利用有限元方法处理潜艇复杂结构的振动问题,配合边界元方法,解决流固耦合和声辐射问题[1];在高频段,利用统计能量法模拟潜艇复杂结构中的功率流,解决壳体内部子结构振动传递和声辐射的定量预报问题[2]。但对于潜艇水下辐射噪声快速预报而言,低频段的系数矩阵计算时间过长难以满足快速性要求,高频段的特征参数选取直接影响预报结果的准确性。

　　因此,为了实现潜艇水下辐射噪声预报的快速性和准确性,本文基于第2种技术途径,在低频段通过采用系数矩阵预存技术提高预报速度,高频段通过开展特征参数估算提高预报精度,并通过舱段模型的试验对比分析验证该技术途径合理,预报方法可行。

　　1 快速预报理论模型

　　在低频段采用有限元结合边界元方法,其求解过程可以表述如下:

　　结构振动的有限元矩阵方程[3]为:

　　声有限元运动方程为

　　壳表面声压与速度的关系:

　　联立式(1)~式(4),可求解表面声压:

　　进而计算声场辐射声功率

　　在高频段采用统计能量法,统计能量法本质是将结构由多个子系统来模拟,子系统之间可以相互耦合。根据能量守恒原理,子系统消耗的能量加上传递给其他子系统的能量,应该等于输入给该子系统的能量。对于具有K个子系统的艇体结构,其能量平衡矩阵方程[4]为:

　　由计算的Ei,可得子系统的响应。对结构而言,可得均方振速:

　　式中:mi为子系统i的质量。

　　由结构的均方振速,可得到结构辐射声功率

　　统计能量分析计算结构的振动响应和声辐射主要涉及模态密度、损耗因子、辐射效率等统计参数,统计能量法计算的结果取决于统计参数的计算。

　　2 预报方法的快速性分析

　　为了实现潜艇水下辐射噪声快速预报的目的,根据低频段与高频段理论方法的不同特点,在低频使用有限元和边界元方法,在高频采用统计能量方法。预报模型选取轴向长度为2.16m,端面直径为1.02m,壳内有环肋的单层圆柱壳,其有限元模型见图1。