舰艇空气噪声引起水下噪声的估算方法及试验验证

结果表明， 在 ２００Ｈｚ 以下的低频段两者几乎完
全重合， 高频段平均透射系数远大于垂直透射 系数。
不同壳板厚度在各种角度无规入射时的平 均 透 射 系 数 比 较 见 图 ２。 计 算 时 取 ｈ＝５￣３０ｍｍ
图 １ 平均声压透射系数和垂直声压透射系数的比较 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ
图 ２ 不同壳板厚度的平均透射系数比较
Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｈｅｌｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ
空气噪声激励舱室壳体时， 形成一个表面振动速度分布复杂的辐射体； 但当壳体边缘的声压级确
场中各种角度无规入射的平均透射系数。通过与实船测试结果进行比较， 基本上验证了此方法的实用性。
关键词： 水下噪声； 工程估算； 舱室噪声
中图分类号： ＴＢ５６１
文献标识码： Ａ
Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒ ｉｍｅｎｔａｌ ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒ ｗａｔｅｒ ｎｏｉｓｅ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ａｉｒ ｂｏｒ ｎｅ ｔｒ ａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ
（１１）
Ｚ３ｓｉｎＰ Ｚ３ｓｉｎＱ
Ｍ＝ !Ｚ２ ／Ｚ３ "ｃｏｓ２２&２ｃｏｔＰ＋ !Ｚ２ｔ ／Ｚ３ "ｓｉｎ２２&２ｃｏｔＱ
（１２）
其中， Ｚ２ ＝%２ ｃ２ ／ｃｏｓ!２， !２是 纵 波 折 射 角 ， Ｚ２ｔ ＝%２ ｂ２ ／
ｃｏｓ&２， ｂ２ 是钢板中横波速度， &２是横波折射角， Ｐ＝
ｋ２ ｈｃｏｓ!２， Ｑ＝’２ ｈｃｏｓ&２， ’２＝ω／ｂ２ 是横波波数。纵波
作者简介： 陈 明（ １９６９－ ） ， 男， 上海交通大学船舶海洋与建工学院在职博士生。
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船舶力学
第 １２ 卷第 ４ 期
文献［３］则报导了设置降噪密封舱来降低潜艇噪声的方法。国内自九十年代初以来对此问题开展了零 星研究： 文献［４］指出舰艇机舱内的空气噪声有一小部分可以穿过耐压壳体而透射到水中， 透射声功率 约十几毫瓦， 几乎正好等于现代舰艇在低航行时辐射到水中的声功率； 文献［５］测量了封闭矩形箱中空 气噪声向水中的透射， 并采用统计能量法对简化的试验模型进行了透声计算； 文献［６］针对空气中平面 声波经加筋板向水中传输进行了数值计算； 文献［７］则从 Ｆｌüｇｇｅ 薄壳理论和 Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ 波动方程出发， 推导了有限长加筋圆柱壳在内部声源简谐力激励下的藕合方程。综合来看， 对于实际舰艇空气噪声引 起的水下噪声的定量预报， 国内研究较少， 还有大量的问题需要解决。
ＴＷ
＝
Ｚ１０ Ｚ３０
!／２
# # # ０
Ｔ ２ !!１ "ｃｏｓ!１ｓｉｎ!１ｄ!１
!／２
０ ｃｏｓ!１ｓｉｎ!１ｄ!１
＝
Ｚ１０ Ｚ３０
２
!／２ ０
２
Ｔ
!!１
"ｃｏｓ!１ｓｉｎ!１ｄ!１
（８）
由此得到声压平方的平均透射系数
# ２
Ｔ ＝２
!／２ ２
Ｔ
０
!!１ "ｃｏｓ!１ｓｉｎ!１ｄ!１
（９）
２
因此（ ３） 式中的 ２０ ｌｇ Ｔ 应该用 １０ ｌｇＴ 代替。
折射角 !２、横波折射角 &２和水中透射角 !３均可
由 Ｓｎｅｌｌ 定律算出。
图 １ 给出垂直入射的声压透射系数和各种
角度入射的平均声压透射系数。计算参数为： 钢
板 % ２ ＝７ ８００ｋｇ／ｍ３， ｃ ２ ＝５ ８００ｍ／ｓ， ｂ ２ ＝３ １００ｍ／ｓ； 水： %３ ＝１ ０００ｋｇ／ｍ３， ｃ３ ＝１ ５００ｍ／ｓ。ｈ＝３０ｍｍ。计算
第 １２ 卷第 ４ 期 ２００８ 年 ８ 月
文章编号： １００７－ ７２９４（ ２００８） ０４－ ６６３－ ０６
船舶力学 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈｉｐ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ
舰艇空气噪声引起水下噪声的 估算方法及试验验证
Ｖｏｌ．１２ Ｎｏ．４ Ａｕｇ． ２００８
陈 明 １， ２， 孙新占 ２， 刘远国 ２， 陶 猛 １， 汤渭霖 １
ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓ－ ｓｕｒｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
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船舶力学
第 １２ 卷第 ４ 期
多种情况。计算结果表明， 当板厚从 ５ｍｍ 变到 ３０ｍｍ 时， 在 ２００Ｈｚ 以下的低频段， 不同板厚的平均透 射系数几乎相同； 在 ２００Ｈｚ 以上的频段， 透声系数有较大幅度减小； 但当板厚从 ２０ｍｍ 变到 ３０ｍｍ 时， 在 ２００Ｈｚ 以上的频段， 随着板厚的增加， 平均透射系数略有减少， 因此从全频段来看（ １０￣１０ｋＨｚ） ， 增加 板厚对降低平均透射系数并不显著。
ＣＨＥＮ Ｍｉｎｇ １，２， ＳＵＮ Ｘｉｎ－ ｚｈａｎ ２， ＬＩＵ Ｙｕａｎ－ ｇｕｏ ２，ＴＡＯ Ｍｅｎｇ １， ＴＡＮＧ Ｗｅｉ－ ｌｉｎ １
（１ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｎａｖａｌ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ， Ｏｃｅａｎ ａｎｄ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏ Ｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００３０， Ｃｈｉｎａ； ２ Ｗｕｈａｎ Ｎｏ ２ Ｓｈｉｐｂｕｌｉｄｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｗｕｈａｎ ４３００６４， Ｃｈｉｎａ）
室内的吸声系数， 舱室内空气噪声级 ＬＰ１ 可以表示为
ＬＰ１ ＝Ｌｐ＋１０ ｌｇ !Ｓ "－ １０ ｌｇ !Ｓ０ "＋!Ｌ０
（１）
$ # % ｍ
式中： Ｌｐ＝１０＊ｌｇ
１
０．１＊Ｌｉ
１０
，
ｍ ｉ＝１
为机械设备在自由场的测量表面上测量得到的均方声压级， ｄＢ； Ｓ 为测
量表面的面积， ｍ２； ｍ 为测量表面上的测点数； Ｌｉ 为第 ｉ 点的声压级， ｄＢ； Ｓ０ 为舱室内表面面积； ｍ２； !Ｌ０
! " Ｔ＝
Ｚ２０
!Ｚ１０
＋Ｚ３０
２Ｚ２０ "ｃｏｓｋ２ ｈ＋ｊ
Ｚ３０
２
Ｚ２０
＋Ｚ１０
Ｚ３０
ｓｉｎｋ２ ｈ
（４）
式中： Ｚｉ０ ＝"ｉ ｃｉ， ｉ＝１， ２， ３ 为三种介质的特征声阻抗， ｋ２ ＝２#ｆ／ｃ２为钢板纵波波数， ｆ 为频率， ｈ 为钢板厚度。
（ ４） 式的声压透射系数， 除了与钢板厚度、密度等参数有关外， 只与钢板的纵波速度有关； 但考虑
到舱室内部的声场是混响声场， 入射到壳体的声波是无规入射的， 既有垂直入射也有其它各种角度入
射， 因此本文采用平均透射系数评估壳体的透声特性。平均透射系数是空气声学中引入的参量， 它定
第４期
陈 明等： 舰艇空气噪声引起水下噪声 …
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２
义为透射总能量与入射总能量之比。当声波以 !１角入射时， 它在平面界面上的声能量正比于 ｐｉ !!１ "
（ １ 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院， 上海 ２０００３０； ２ 武汉第二船舶研究所， 武汉 ４３００６４）
摘要： 随着舰艇隐身技术的发展， 由舱室空气噪声引起水下噪声变得越来越重要。本文从经典的声波透射理论
出发， 建立了一种较简单的空气噪声传递产生水下噪声的工程估算方法， 其中壳板的声压透射系数采用混响声
有关空气噪声通过平板向水中透射的一般理论研究见文献［１］， 书中研究了混响空气噪声透过有 限大平板向水中辐射的情况。一些文献表明， 国外对此问题十分重视： 文献［２］建立了空气噪声传播模 型， 描述了机舱中噪声源的声功率大小、机舱的声学及几何特性与水下艇体的传递损失之间的关系；
收稿日期： ２００７－ ０８－ １５
定后， 传播衰减可按如下处理： 当接收点与艇体距离小于舱室长度时， 声压传递函数大致按柱面波衰
为考虑舱室内吸声影响的修正值。
$ % !Ｌ０＝１０＊ｌｇ
１＋ ４＊ !１－ !０ " !０
（２）
其中!０ 是舱内材料的吸声系数， 估算时可参照不同材料的吸声系数取值［７］。
因为空气噪声的参考声压是 ２０"Ｐａ， 水声的参考声压是 １"Ｐａ， 所以透射到水中的声压级 Ｌｐ３ （ ｒｅｆ
１"Ｐａ） 是：
倾斜入射平面波从空气经过钢板层透射到水中的声压透射系数可采用下式计算［９］：
Ｔ
!!１
"＝
Ｍ
!Ｚ１＋Ｚ３
２ＮＺ３ "＋ｉ $!Ｎ２－
２
Ｍ
"Ｚ３＋Ｚ１
%
（１０）
其中 Ｚ１＝%１ ｃ１ ／ｃｏｓ!１， Ｚ３＝%３ ｃ３ ／ｃｏｓ!３， !１是空气中入射角， !３是水中透射角。
２
２
Ｎ＝ Ｚ２ｃｏｓ ２&２ ＋ Ｚ２ｔ ｓｉｎ ２&２
（５）
其中， ｄ" ＝ｓｉｎ!１ｄ!１ｄ$。设钢板的声压透射系数是
Ｔ !!１ "＝ ｐｔ !!１ "／ｐｉ !!１ "
（６）
类似地， 透射的总能量是：
! # " Ｗ２ ＝ ２!
Leabharlann Baidu
!／２ ２
Ｔ
０
!!１ "ｐｉ
!!１
２
" ｃｏｓ!１ｓｉｎ!１ｄ!１
／Ｚ３０
（７）
２
假设 ｐｉ !!１ " 是常数， 两者相比得到平均能量透射系数ＴＷ的表示式
本文通过理论计算和试验两部分工作， 进一步研究舰艇空气噪声引起的水下噪声。理论上从经典 的声波透射理论出发， 建立了一种较简单的空气噪声传递至水中的工程估算方法。在试验时， 采用扬 声器发声模拟机械设备产生的空气噪声， 试验测量空气噪声通过实船壳体透射到水中引起的水下辐 射噪声， 并对比分析空气噪声对水下噪声的影响规律。
ｃｏｓ!１／Ｚ１０。假设整个空间立体角中各方向入射的几率相等， 平面上总的入射能量 Ｗ１为：
!# " !# # " ２
２!
!／２
２
Ｗ１ ＝
" ｐｉ !!１ " ｃｏｓ!１ｄ" ／Ｚ１０ ＝
ｄ#
０
０
ｐｉ !!１ " ｃｏｓ!１ｓｉｎ!１ｄ!１ ／Ｚ１０
! # " ＝ ２!
!／２ ０
ｐｉ !!１ "２ｃｏｓ!１ｓｉｎ!１ｄ!１ ／Ｚ１０
２ 理论估算
估算舰艇舱室空气噪声产生水下噪声主要有三个环节， 舱内壳板处空气声压计算， 声波通过艇体
透射入水中， 水中声波从艇体到观测点的传播衰减。
舱室内部声场是由舱内设备产生的声波多次反射叠加而形成的混响场， 其量级是由声源在自由
空间条件下测得的直达分量和由局部吸声舱壁的多次反射分量两部分组成。因此计算时需要考虑舱
Ｌｐ３ ＝Ｌｐ１ ＋２０ ｌｇ２０＋２０ ｌｇ Ｔ
（３）
式中 Ｌｐ１ 为（ １） 式中的计算结果， 参考声压是 ２０"Ｐａ。Ｔ 是声压透射系数， 它随入射角和频率而变化。
对于声波通过艇体透射入水的问题， 文献［４］取声学教科书中给出的声波从介质 １（ 空气） 垂直入射
到介质 ２（ 钢板） 再透射到介质 ３（ 水） 时的声压透射系数［８］：
１前 言
一般认为， 舰艇的水下噪声来源于三大噪声源—螺旋桨噪声、机械噪声和水动力噪声。机械噪声 产生的主要机理是艇上机械设备振动通过基座和管路传递到艇壳引起壳板弯曲振动而向水下辐射噪 声， 另一种机理是舰艇舱室空气噪声通过壳板传输引起水下辐射噪声。以往认为后一种途径产生的噪 声量级较小， 因而被人们所忽视， 但当舰艇的其它噪声源得到有效治理后， 空气噪声引起水下噪声的 问题就会突出地显现出来。因此对这一路径的传递规律进行研究和试验， 进而对之采取有效的防护和 治理措施， 也是实现舰艇安静性的重要环节。
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ａｓ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｎａｖａｌ ｓｈｉｐｓ ｓｔｅａｌｔｈ，ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｎｏｉｓｅ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ａｉｒｂｏｒｎｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｂｅｃｏｍｅ ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ． Ａ ｓｉｍｐｌｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｒｏｍ ｃｌａｓｓｉｃａｌ ｓｏｕｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｈｕｌｌ ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｒａｎｄｏｍ ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｓｏｕｎｄ ｉｎ ａ ｒｅｖｅｒｂｅｒａｎｔ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｆｉｅｌｄ． Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｖａｌｉｄａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ａ ｎａｖａｌ ｓｈｉｐ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｎｏｉｓｅ； ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ； ｃａｂｉｎ ｎｏｉｓｅ