多设备源激励下水中柱壳结构声振特性研究

多设备源激励下水中柱壳结构声振特性研究

高晟耀;缪旭弘;王雪仁;周奇郑

【摘要】Vibration and sound radiation characteristics of submerged finite cylindrical shells under multiple excitations are researched. Based on thin shell theory, the vibro-acoustic coupling equations of the shell under multiple excitations are established. Then, the analytical solutions of the vibration response and the sound radiation power of the shell are formulated in terms of modal expansion method. Influences of the multiple excitations on the vibration response and acoustic radiation of the shell are analyzed. The results show that the vibration response and radiation power decrease with the increase of the spacing of the excitations. Circumferential excitations can hardly trigger the vibration and acoustic radiation of the shell. Concentration of the axial excitation forces can induce strong vibration response and acoustic radiation. Enlarging the contact area of the excitation force can lead to good sound insulation effects. Results of the research can provide a theoretical basis for vibration and noise control of underwater vehicles.%研究多个设备振动激励下的水中有限长圆柱壳体振动与声辐射特性.基于薄壳理论,建立单频多个设备振动激励下水中有限长圆柱壳体的声振耦合方程,采用模态展开法推导出多源激励下壳体振动响应和辐射声功率的解析表达式,分析设备激励源数、激励形式及其组合方式等对壳体振动响应和辐射声功率的影响规律.研究表明:多设备振动激励作用下,施加的多点激励力间距越大,壳体结构振速响应和辐射声功率越低;沿周向施加线激励力,不易激起壳体振动与声辐射,而沿轴向施加的激励力越集中,所激起壳体的振动与声辐射越强;

在激励力合力相同的条件下,增加激励力接触面积可有效隔声.研究结果可为水下航行体的振动噪声控制提供理论依据.

【期刊名称】《噪声与振动控制》

【年(卷),期】2017(037)006

【总页数】5页(P107-110,143)

【关键词】声学;圆柱壳体;模态展开法;多源激励;声振特性

【作者】高晟耀;缪旭弘;王雪仁;周奇郑

【作者单位】海军装备研究院,北京 100161;海军装备研究院,北京 100161;海军装备研究院,北京 100161;海军工程大学,武汉 430033

【正文语种】中文

【中图分类】TB532

水中弹性结构振动与声辐射问题，一直是各国学者研究的焦点。根据隐蔽性要求，水下航行体应保持低噪声水平。中低航速时，水下航行体辐射噪声主要由内部机械设备激励壳体振动并扰动周围流体介质产生。因此，研究多设备源激励有限长圆柱壳体的声振特性具有重要的理论和应用价值。

理论上，有限长或无限长无肋圆柱壳体的流固耦合问题，可以根据壳体振动控制方程，采用模态展开法导出结构振动和声辐射解析表达式[1]。

Burroughs等仅考虑肋骨产生的径向力，研究了无限长双周期环向加肋圆柱壳体的解析解[2]，汤渭霖等在此基础上给出了有限长加肋圆柱壳体声振问题的近似解析解[3]。陈军明等将纵肋作用简化为附加阻抗与振动模态的叠加，研究了水中无限长纵向加肋圆柱壳自由振动特性[4]。Rosen与Singer基于变分原理建立了含肋

骨作用无限长圆柱壳体的振动方程，并采用解析法和数值分析法研究了水中有限长圆柱壳体结构的声振特性[5]。

实际上，航行体内部布置多套机械设备，通常情况下这些单机设备组合运行。根据线性系统的叠加原理，多激励源作用下壳体结构响应、辐射声压，理论上等于各单设备激励下结构响应、辐射声压的相干叠加。精确计算其声振耦合特性，必须先明确各设备激励下结构响应、辐射声场的相位关系，这在理论与工程应用中比较困难。陈明等采用了试验方法研究了复杂壳体声振问题，指出多源激励下结构响应和辐射声场可近似为单源激励下结构响应、辐射声场的非相干叠加[6]。目前为止，多设

备激励壳体结构的声辐射研究并不多见。

本文基于薄壳理论，建立多个设备激励源作用下水中有限长圆柱壳体的声振耦合方程，将壳体振动位移和表面声压表示为各阶模态与波形的组合，运用模态展开法推导结构振动响应和辐射声功率的解析表达式，从而进行结构的声振耦合特性研究。研究如图1所示的多个设备振动激励下有限长圆柱壳体的振动与声辐射问题。设

圆柱壳体的壳体厚度为h，半径为a，且有h/a＜＜1，长度为2L。材料密度为ρc，泊松比为υ，杨氏模量为E，损耗因子为η。周围介质密度为ρ0，声速为c0。柱

壳振动用中面在z、φ、r方向的位移u、v、w表示，速度用u˙、v˙、w˙表示。当

壳体周围有水介质时，壳体振动将引起表面介质振动而产生声场，即只有法向分量w对声场有贡献。

当浸没流体中的圆柱壳体受多个设备振动激励时，采用计及弯曲应力的Flügge壳体速度控制方程，建立系统动力学方程 [7–8]，有

，壳体表面声压为 pa，Fz、Fφ、Fr分别为作用在圆柱壳体上三个方向设备振动产生的激振力总和（其频率为ω）。

根据线性系统的叠加原理，圆柱壳体的振动响应可用模态展开法求解，因此将解设为