敷设声学材料的声呐平台结构振动声辐射计算分析

    舰船声呐系统的性能对水下作战能力发挥具有重要作用。有效控制声呐平台区的噪声，以保证声呐系统正常工作就显得尤为重要。舰船噪声源主要通过两条途径传递到声呐部位：一是通过声呐导流罩透声窗进入声呐平台部位；二是通过非透声界面的振动耦合进入到声呐平台区。因此对声呐平台区非透声界面的声学处理是降低声呐导流罩内部噪声的关键因素之一。声呐平台区非透声界面通常敷设吸声尖劈、阻尼复合板等声学材料，进行吸声、隔声、阻尼的综合处理，以抑制平台区壳板振动，减小声波反射，降低平台区混响，最终降低声呐平台自噪声。本文主要对声呐平台非透声界面的声学处理效果进行理论分析研究。

    1 声呐平台结构模型

    1.1 基本结构模型

    对于复杂结构的水下振动和声辐射计算，主要采用数值计算方法，常用的数值方法有 T-矩阵法、有限元法、有限元+边界元法(FEM/BEM)[1, 2]、有限元+无限元法、双渐近法(DAA)[3]、统计能量法[4,5]等。有限元+边界元法适用于中、低频结构振动与声辐射计算，统计能量分析方法适用于中、高频结构振动与声辐射计算。

    声呐平台计算模型全部是板结构，有限元和边界元模型如图 1 所示。有限元模型总体上采用一个肋位划分4个单元，共6080个单元，节点数为6242。图中：载荷，在后壁正中心施加一个幅值为 1 N 的简谐激励力，计算频率为 10~1600 Hz 三分之一倍频程中心频率，激励力的位置如图 1(a) 箭头所示；边界条件，全自由。

    本文选用 Ansys 软件+Sysnoise 软件进行有限元+间接边界元的数值计算，利用模态叠加法计算声呐平台在水中的振动声学特性。在 Ansys 中计算模型空气中的前 2000 阶模态（第 2000 阶固有频率为 2317.5 Hz），将模态导入 Sysnoise 中，并考虑复合结构的损耗因子，同时在上下平台及后壁的内表面定义吸声材料边界特性阻抗，采用间接边界元耦合（IDEM COUPLE）方法计算出模型的振动响应和声辐射。

    1.2 结构损耗因子计算

    结构损耗因子的大小就是迟滞阻尼的大小，它反映了结构振动时能量损耗能力的大小。在对敷设有阻尼的复合结构的分析时，损耗因子是衡量其减振降噪效果的重要指标。敷设阻尼材料的弯曲振动板的损耗因子的计算公式[6]：

    式中：2η 为阻尼层材料的损耗系数；221α =h/ h；221β =E/ E； /(1)/2212112α = h h=+α；12h ,h分别为被阻尼板的粘弹性层的厚度：12E , E分别是被阻尼板和隔层材料的杨氏模数；21h 为被阻尼板和粘弹性层中性面间的距离。计算模型在上、下平台后壁的外表面敷设了阻尼材料，将上、下平台、后壁的钢板材料和敷设的阻尼材料参数带入式（1），计算得到复合结构（钢板和阻尼）的损耗因子为0.0102。