水下辐射噪声快速预报方法研究_李兵

第32卷第10期2010年10月舰 船 科 学 技 术

SH I P SC I E NCE AND TEC HNOLOGY V o.l 32,No .10

Oc.t ,2010

水下辐射噪声快速预报方法研究

李 兵,戴 江,苗金林,林 立

(中国舰船研究院,北京100192)

摘 要: 实现水下辐射噪声的在线预报,需要提高预报方法的快速性与准确性。为此,开展水下辐射噪声快

速预报方法研究,研究在不同频段采用不同预报方法,低频段的边界元方法采用系数矩阵预存技术可极大地减少预报时间,高频段经过特征参数敏感性分析以及辐射效率混合公式的确立,保证了统计能量法的预报精度。经过舱段模型的仿真计算和试验测量对比,表明该快速预报方法准确可行。

关键词: 快速预报;矩阵预存;特征参数;辐射效率中图分类号: TB56 文献标识码: A

文章编号: 1672-7649(2010)10-0054-03

DO I :10 3404/j issn 1672-7649 2010 10 014

Research on fast predictm ethod for under water radiation noise

LI B ing ,DA I Ji a ng ,M IAO Ji n -li n ,LIN L i

(Ch i n a Ship R esearch and D evelopm ent Acade m y ,Beiji n g 100192,Ch i n a)

Abst ract : W h ile pred ict the online under w ater radiated no ise ,the speed i n ess and accuracy o f the predictm et h ods are needed to i m prove .For t h is purpose ,th is paper did so m e research in fast pred icti o n m ethod o f under w ater radiated no ise ,the study adopt d ifferent m ethods i n different frequency ,in the l o w er

frequency band ,BE M is adopted ,and coeffic i e ntm atri x pre -reser vati o n is applied wh ich cou l d save m ost of the ti m e ,in the h i g h frequency band,characteristi c para m eter sensitiv ity analysis and the rad iation effic i e ncy for m ulasm ainta i n the pred iction accuracy of high -frequency pred i c ti o n .The prediction is certificated by the m odel experi m en,t wh ich sho w s the validity of this m ethod .

K ey w ords : fast predic;t coeffic ient m atrix pre -reservation;characteristic para m eter ;rad i a ti o n effic i e ncy

收稿日期:2010-04-12;修回日期:2010-04-30

作者简介:李兵(1982-),男,硕士,助理工程师,主要从事常规潜艇声隐身研究工作。

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。

第10期李 兵,等:水下辐射噪声快速预报方法研究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:

{[K 1S ]- 2[M 1S ]}{U 1}={f M }+{f p

1},

(1){[K 2

S ]- 2

[M 2

S ]}{U 2}={f p

1}+{f P

2};(2)

声有限元运动方程为

{[K a ]- 2

[M a ]}{p 1}=-i 0[S 1]{V 1}-i 0[S 2]{V 2};

(3)壳表面声压与速度的关系:

[A ]{p 2}=[B ]{V 2};

(4) 联立式(1)~式(4),可求解表面声压:

{p 2}=[A ]-1

[B ]{V 2}=[Z R ]{V 2},(5)

进而计算声场辐射声功率

w =12

R e

S

p 2v *2

d s 。(6)

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:

1+

k

i 1

1i

n 1

- 12n 1 - 1k n 1- 21n 2

2+

k

i 2

2i

n 2

- 2k n 2

- k 1n k

- k 2n k

k +

k

i k

k i

n k

E

1/n 1

E

2/n 2

E

k /n k =1

P

1

P

2

P

k

(7)

由计算的E i ,可得子系统的响应。对结构而言,可得均方振速:

V 2

i =

E i

m i

。(8)

式中:m i 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

P =

i

0C 0A i V 2

i

i 。(9)

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。

图1 有限元模型F i g 1 F i n ite ele m ent model

2 1 低频快速预报

在低频段,使用有限元和边界元方法进行预报的快速性主要取决于式(5)中系数矩阵的计算,而系数矩阵对于确定预报对象而言仅是频率的函数。因此,针对固定的预报对象,可以预先计算好系数矩阵并存入数据库。在进行预报时,只要从数据库中调用相应的矩阵即可,这样可以极大地提高计算速度。以预报模型为例,将采用直接计算矩阵预报和调用预存矩阵

预报的时间进行对比,见表1。

表1 预报时间对比

T ab .1 Com par ison o f predicti on ti m e

系数矩阵计算时间

后处理时间

总时间直接计算

3h 51s 20s 3h 8m i n 51s

预存矩阵

0s

152s

152s

从表1中可以看出,采用预存矩阵的方式后,预

报的时间大大减少。采用系数矩阵预存技术可以实现快速预报的目的。

2 2 高频快速预报

在高频段,统计能量预报方法在模态密度、损耗因子的选取上存在难度。为此,分别对这2种特征参数进行研究分析。给出模态密度公式选取和损耗因

子大小对辐射声功率的影响,如图2和图3所示。经过对比后发现,高频段将圆柱壳等效为平板结构,或直接作为柱壳结构,2种估算方法对辐射声功率的预报结果有差异,建议在计算中直接使用模态密度

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