水下结构物低频振动相关性及声辐射特性分析

＼
［ ｛ ｝ Ｋ］Ｕ Ｍ ］ Ｕ ＋［ ｛ ｝＝０ 。
（） ２
利用 本 征 向量 的正交 性 ， 以给 出真 空 中结构 的 可 本 征 模态 和对 应 的本 征值 、 态频 率 。 模 当 弹性结 构置 于 声学 介质 中时 ， 流体 与结 构 的 在 交 接 面 Ｓ上 流体 与结 构之 间存 在 着相 互作 用 ， 声压 对 结 构产 生 一个 面力 的 作 用 。根 据 虚 功 原 理 可 将 该 面 力 等 效移 置 到单元 节点 上 ， 是 ， 于 弹性 结 构 与 声 场 的 耦 合振 动 矩 阵方程 为 ：
Ａｎａ ｙ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｉ ｎ ｆｌ ｗ ｒ ｑ ｎ ｙ ｖ ｂｒ ｔｏ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｌ ｓｓ ｏ ｏ ｒ ｌ ｔｏ ｓ ｏ ｏ ｆ ｅ ｕｅ ｃ ｉ ａ ｉ ｎ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓ ｉｓ
ａ ｄ ａ ｏ ｔｃ ｒ ｄｉ ｔｏ ｆａ ｓ ｂｍ ｅ ｇ ｄ ｓ ｒ ｃ ｕｒ ｎ ｃ ｕｓｉ ａ ａ ｉ ｎ ｏ ｕ ｒ ｅ ｔ ｕ ｔ ｅ
Ａｂｓｒ ｃ ： Ｔｈ ｏ ｒ ｌｔｏ ｏ ｆｅ ｅ ｉ ｒ ｔｏ ｏ ｓ ｗｉ ｅｙ ｃ ｎ ｉｔ ｎ ｌｗ一 ｑ ｅ ｃ ｉ ｒ ｔ ｎ ｏ ｔａ ｔ ｅ ｃ ｒｅ ａｉ ｎ ｆ ｒｄｉ ｒ ｎｔｖ ｂ ａ ｉｎ ｍ ｄｅ ｄ ｌ ｏ ｓｓｓ ｉ ｏ ￣ｅ ｕ ｎ ｙ ｖ ｂ ａ ｉ ｆ ｆ ｏ ｓ ｂ ｒ ｅ ｔｕｃｕ ｅ ． ｓ ｄ ｏ ｉ ｉｅ ｅ ｅ ｅ ｔｂ ｕ ｄ ｒ ｌ ｍｅ ｔｔ ｅ ｒ ａ ｄ ｎａ ｃ ｓ ｂ ａｉ ｅ ｍｏ ｅ ｎｄ ａ ｕ ｍｅ ｇ ｄ ｓｒ ｔ ｒ ｓ Ｂａ ｅ ｎ ｆｎ ｔ ｌｍ ｎ — ｏ ｎ ａ ｙ ｅｅ ｎ ｈ ｏ ｙ， ｙ ｍｉ ｕ ｍ ｒｎ ｄ ｌａ ｎ ｍ ｅ ｉａ ｏ ｕ ｉｎ ｍ ｅｈ ｄ ｈ ｖ ｅ ｎ ｅ ｔ ｂ ｉｈｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ． ｅ ｉｆｕｅ ｃ ｓｂ ｎ ｅ ｂ ｄ ｅ ｎ ｕ ｄ ｅ ｕ ｒｃ ｌｓ ｌ ｔｏ ｔ ｏ ａ ｅｂ ｅ ｓａ ｌｓ ｄ ｉ ｈ ｓｐ ｐ ｒ Ｔｈ ｎ ｌ ｎ ｅ ｙ ｉｔ ｒ ｅ ｄ ｄ ａ ｄ ｏ ｔａ ｄ ｄ ｗａ ｅ ｂｉ ｃ ｉ ｅ ｂ ｓ ｓ ｄ ｃ ｎ ｑ ｉ ｍ ｅ ｔ ｎ ｌｗ ￣ｅ ｕ ｎｃ ｏａ ｉ ａ ｉｎ ｍｏ ｓｗｅ ｅ ｄ ｓ ｕ ｓ ｄ Ｔｈ ｎ ｔｒ， ｇ ｍａ ｈ ｎ ａ ｅ ， ｅ ｋ ａ ｄ ｅ ｕ ｐ ｎ ｓｏ ｏ ｑ ｅ ｙ ｔｔ ｌｖｂｒ ｔ ｄｅ ｒ ｉｃ ｓ ｅ ． ｅ ｏ
连水 以及 大型 机组 基 座 、 内铺 板 、 舱 设备 等 对 航 行 器
低 频振动 特性 的影 响 。在此基 础 上 ， 究 了推进 器通 研 过 轴 系纵 向激 励 引起 的 低 频 弯 曲振 动 与 纵 向振 动 的 相 关性 ， 并进 行声 辐射计 算分 析 。研究 结果 对理 解推
方 程 时 的计 算 工作 量 比较 大 。 整船 在真 空 中 的振 动 特
性， 由于所 形 成 的 ［ ］和 ［ ］矩 阵 为 对称 阵 ， 动力
方 程式 （ ） ２ 的求 解较 易 。但 与 附连 水 耦 合后 ， 动力 方 程 变为 式 （ ） 动力方 程 中的耦 合 刚度 阵 和 质量 阵 为 ５，
非对 称 阵 ， 阵一旦 庞 大 ， 全采 用 有 限元 求 解 流 固 矩 完
［ ］ Ｕ｝＋［ ｛ 肘 ｛ Ｃ ］ Ｕ｝＋［ ｛ Ｋ ］ Ｕ｝＝ ｛ 。 （ ） Ｆ ｝ １ 其 中 ： Ｍ ［ ］为结构 质量矩 阵 ；［ ］为结 构刚度 矩 阵 ； ［ Ｃ ］为结构 阻尼矩阵 ；｛ 为结构 载荷力 向量 。 Ｆ｝ 当 ｛ Ｆ ｝＝０ 并 取 ［ ＝０， 有 ， ｃ］ 则
１ １ 水 下 弹性 结构 物振 动 有 限元矩 阵 方程 ． 真 空 中含有 阻 尼 的弹 性 结 构 振 动 的有 限元 矩 阵 方程 可 表示 为 ：
构 周 围 的流场 在 此 响应 下 的声 压 。 由于 整 船模 型 非 常 复杂 ， 用有 限元 进 行 离 散 后 ， 散 过 程 中所 形 采 离 成 的刚度 阵 ［ ］及 质量 阵 ［ ］相 当庞 大 ， 解 动 力 Ｍ 求
低频 动力 学模 型及 求 解方 法 ， 论 了舷பைடு நூலகம்间 、 外 附 讨 舷
和 推力 轴 承传 递给结 构 引起水 下 辐射 噪声 ， 随着 频率 的提 高 ， 进器 产 生 的激 振 力 急 剧下 降¨ 水下 结 构 推 ，
物 的较高 振 型难 以激励 出来 ， 因此推 进器 激振力 引起
此 基 础 上 ， 究 了 推 进 器 通 过 轴 系 纵 向激 励 引 起 结 构 的低 频 弯 曲 振 动 与 纵 向 振 动 的相 关 性 ， 进 行 声 辐 射 计 算 分 析 。 研 并 研 究 结 果 对 理 解 推 进 器 交变 力作 用 下 的 水 下 结 构 物 低 频 声 辐 射 的形 成 过 程 有 实 质 性 的 意义 。
ｔｅｃｒ ｌ ｉ ｅ ｅｎｌｗ￣ ｑ ｅｃ ｔｌ ｅｕａ ｖ ｒｔ ｎｍ ｄｓ ｔ ｎ ｖｒ ｎ ｅｔ ａ） ｎ ｎ ｉ ｄｎ ｌ ｈ ｏｒ ａ ｏ ｂ ｔ ｅ ｅ ｔｎ ｗ ｏ ｅ ｕｎ ｙｔ ａ ｆ ｘｒｌ ｉ ａ ｏ ｏ ｅ（ｒ ｓｅｓ ａｄｖｒｃ１ ａｄｌ ｇ ｕ ｉａ ｏ ｌ ｂ ｉ ａ ｅ ｉ ｏ ｔ
ｖｂ ａｉ ｎ ｍｏ ｅ ｆａ ｖ ｓ ｅ ｙ ｌ ｎ ｔ ｗａ ｓ ｉ ｐｉｉ ｎ ｓ ｉ ｕｓｒ ｔｄ． ｈ ａ ｉ ｉｒ ｔｏ ｄ ｓ ｏ ｅ ｓ ｌｂ ｅ ｇｈ ｙ ｎｓ ｒｔ ｇ ｉ ｌ ｔａ ｅ Ａｔｔ ｅ ｓ ｍｅ ｔｍｅ，ｈ ｃ ｕ ｔ ａ ｉｔｏ ｉ ｌ ｔ ｅ ａ ｏ ｓｉ ｒ ｄ ａｉ ｎ ｃ ｃ ａ ａ ｔｒｓｉ ｓ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｗｅ ｅ ａ ｃ ｌ ｔｄ．Ｔｈ ｒ ｓ ｔ ｓ ｗ ｔ ａ ｔ ｅ ｅ Ｓ ｓｒ ｎ ｃ ｒｅａ ｉｎ ｔ ｌ ｗ ｆｅ ｕｅ ｃ ｂ ｒ ｃ ｌｕ ａ ｅ ｅ ｅ ｕｌ ｓ ｈｏ ｈ ｔ ｈ ｒ ｉ ａ ｔｏ ｇ ｏｒ ｌ ｔ ａ ｏ ｒ ｑ ｎ ｙ ｙ ｏ ｌ ｎ ｔ ｗａ ｓ ｉｓ ｒｔｎｇ Ｔｈ ｏ ｃｕｓｏ ｓ ｇｖ ｎ ａ ｅ ｆ ｖ ｒ ｂ ｅ ｆｒ ｓ ｍｅ ｇ ｄ ｖ ｓｅ ｃ ｕ ｔｃ ｄ ｓｇ ｅ ｇｈ ｙ ｎ ｐｉｉ ｉ ． ｅ ｃ ｎ ｌ ｉｎ ｉ ｅ ｒ ａ ｏ ａ ｌ ｕｂ ｒ ｅ ｅ ｓ ｌａ ｏ ｓｉ ｅ ｉ ｎ． ｏ Ｋ ｅ ｒ ｓ： ｙ ｗｏ ｄ
过程 有实 质性 的意义 。
收 稿 日期 ： ０ ０—０ ２ ２１ ６— ３ 作 者 简 介 ： 珊 珊 （９ ２一） 女 ， 程 师 ， 究 方 向 为 减 振 降 噪 技 术 。 关 １８ ， 工 研
第 ８期
关珊 珊 ， ： 下结构 物低 频振 动 相 关性及 声 辐射 特性 分析 等 水
耦合 动力 响 应 方 程 具 有 很 大 困 难 ， 极 易 出 现 奇 异 且
解 。对 于流 固耦 合 下结 构 的特 征频 率和 振 型 ， 全采 完
用 Ｆ Ｍ 获 取也 存在 相 同 的问题 。 Ｅ 本 文现 利用 结构 “ 干模 态 ” 解 结 构 在 流场 中 的 求 “ 湿模 态 ” 避 免 了利 用 有 限元 求 解 大 型 流 固耦 合 方 ， 程， 即忽 略 流体 刚度 ， 时 流场 中结 构 振 动 控 制 方 程 此 式 （ ） 写为 式 （ ） 式 中 ｛ ｝ ５可 ６ ， 为与 流场耦 合后 的结 构位 移 。 由有 限 元 求 解 方 程 式 （ ） 得 结 构 刚 度 阵 ２获
１ ２ 耦 合振 动特 性 的 求解 ．
・ ９・ ３
１ 基 本 原 理
流 固耦合 力学 的一 个 最 重 要 特 征 是 流 体 与 固 体
传统 的Ｆ Ｍ／ Ｅ Ｅ Ｂ Ｍ法 求 解 水 下 结 构 物 振 动 声 辐 射 ， 利用 有 限 元 法 （ Ｅ 求 解 出 结 构 在 流 固耦 合 是 Ｆ Ｍ） 情 况 下 的响应 ， 即结构 在 受到 外部 激励 情 况下 的表 面
摘 要 ： 振动相关性普遍存在于水下结构物低频总振动中。本文基于有限元／ 边界元理论给出了水下结构物
低 频 振 动 模 型 及 求 解 方 法 ， 论 了 舷 间 、 外 附 连 水 以 及 大 型 机 组 基 座 、 内铺 板 、 备 等 对 低 频 振 动 特 性 的影 响 。在 讨 舷 舱 设
关键 词 ： 低 频 总振动 ； 辐射 噪 声 ； 间、 外 附连 水 ； 关性 舷 舷 相
中图分 类号 ： Ｔ ５ Ｂ３ 文献 标识 码 ： Ａ
文 章编 号 ： １７ ７ ４ （ ０ １ ０ ０ ３ ０ Ｄ ：０ ３ ０ ／．ｓ ．６ ２— ６ ９ ２ １ ． ８ ０ ８ ６ ２— ６ ９ ２ １ ） ８— ０ ８— ３ ＯＩ１ ． ４ ４ ｊｉ ｎ １７ ７ ４ ． ０ １０ ． ０ ｓ
第３ ３卷 第 ８期
２１ ０ １年 ８月
舰
船
科
学
技
术
Ｖｏ ． ３， Ｎｏ． １３ ８
Ａｕ ．，２ １ ｇ ０１
Ｓ Ｉ Ｈ Ｐ ＳＣＩ ＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
水下结构物低频振动相关性及声辐射特性分析
关 珊 珊 ，曹为 午 ，陈 明
（ 汉第二 船舶 设计研 究所 ， 武 湖北 武 汉 ４ ０ ６ ） ３ ０ ４
水 下结 构 物推 进 器 激起 的结 构 声 辐 射 对 总体 噪 声 水平 有重 要 影 响 。推 进 器 的激 振 力 通 过 尾部 轴 承
中 ， 于 由于推 进器 运行 引起 的水下 结 构物 的低频 振 对 动 ， 向和 横 向 （ 向 ） 动 的 相 关性 研 究 具 有 重 要 纵 垂 振 意义 。本 文基 于有 限 元边 界 元 理 论 给 出水 下 结 构 物
的噪 声 主要是 低 频 噪 声 。在 低 频 段其 量 级 甚 至 可 能 超过 推进 器 自身 的噪声 水 平 ， 水下 结构 物 的主要 噪 是
声 源之 一 。 振 动 相关性 普 遍存 在 于水 下 结 构 物 低频 总振 动
进 器交 变力 作用 下 的水 下 航 行 器低 频 声 辐 射 的 形 成
Ｃ ｌｅ ａｉｎ ＯＴ ｌ ｔｏ
ｌｗ ￣ｅ ｕｅ ｃ ｏａ ｖｂ ａｉｎ； ａ ｏ ｓｉ ｒ ｄａ ｉｎ； ｉ ｅ ｂｅ ｄ ｄ ｎ ｏ ｔ ａ ｄ ｄ ｏ ｑ ｎ ｙ ｔ ｔｌ ｉ ｒ ｔｏ ｃ ｕｔ ｃ ａ ｉｔｏ ｎｔｒ ｄ ｅ ａ ｄ ｕ ｄ ｅ ｗａ ｅ ； ｔｒ
０ 引 言
ＧＵＡＮ ｈ ｎ—ｈ ｎ，ＣＡＯ ｅ － Ｓ ａ ｓａ Ｗ ｉＷＵ，ＣＨＥＮ ｉ ｇ Ｍ ｎ
（ ｈ ｎＳｃ ｎ ｈｐＤ ｓ ｎａ ｄＲ ｓａｃ ｎｔｕｅ Ｗｕ ａ ３ ０ ４ Ｃ ｉａ Ｗｕ ａ ｅｏ ｄＳ ｉ ｅｉ ｎ ｅｅｒｈＩｓｔｔ， ｈ ｎ ４ ０ ６ ， ｈｎ ） ｇ ｉ
位 移 或速 度 ， 后 再 利 用 边 界 元 法 （ Ｅ 求 解 出 结 然 Ｂ Ｍ）
两 相介 质 之 间的相 互作 用 ， 即可变 形 的 固体 在 流体 荷
载 的作 用 下会 产生 变形 或 运动 ， 变形 或运 动又 反 过 而 来 影 响流 场 的状 态 ， 而 改 变 流 体 荷 载 的 分 布 和 大 从 小 Ｉ 。正是 这种 两 相 介 质 之 间 的相 互 作 用 将 在 不 ４ 同条件 下 产生 形式 各异 的流 固耦合 现象 。