潜艇典型结构的声振特性研究概况及声学设计构想
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收稿 日期 ：２ １－６２ ； 改 日期：０ １ ８３ ０ １ ．４ 修 ０ ２ １－ ．０ ０ 基金项 目： 国防科技预研基金 资助项 目（０ １０ ０ ０ ０ ） ４ １１ １ ２ １ １ ． 作 者简 介 ： 陈志坚 （９ ７ ） 男 ， １ ５ 一 ， 湖北 天 门人 ， 授 ， 教 博士生 导 师， 主要从事舰船结构振动与噪声控制研究 。
壳 的声辐 射 ， 他们 基于 Ｆｕ ｇ 理 论 ， ｌｇｅ 声压 用壳 体真 空
中的模态展开， 得到与壳体模态有关 的机械阻抗， 表
征流 体 产 生 的模 态 耦 合 的辐 射 阻抗 ， 以及 谐 和 点激 励 的广 义 力 。Ｈａａｉ Ｓｎｍａ ８分 别研 究 了水 中 ｒｒ和 ａｄ ｎ［ ， 两端 为 无 限长 刚性 障管 时和两 端为 圆板 封 闭有 限长 加肋 圆柱 壳 的振 动 声辐 射 ， 用 Ｓｎｅｓ ｏｔｒ 采 ａｄｒ． ｉ 壳体 Ｋ ｅ 振 动控 制方 程 ， 肋 骨 的作用 力 和 力矩 用 阻 抗矩 阵 将 表示， 利用肋 骨 与 壳体连 接处 的边 界条 件 ， 到矩 阵 得 表示 的振动 状态 解析解 。谢官模 ｎ采 用 能量法 考察 了环肋 圆柱 壳 在 流场 中 的声辐 射 性 能 ， 论 了静 水 讨 压 力 、 肋 间距和 肋 骨 刚 度等 参 数 对 声辐 射 性 能 的 环 影 响 。罗斌 ｎ进 一步 讨论 了不 同肋骨 形式 对环 肋柱
中图 分 类 号 ： ６ ． Ｕ６ １ ４ ４ 文献标识码 ： Ａ Ｄ 编 码 ：０ ９ ９ ．ｓ． ０ －３ ５２ １ ． ．０ ＯＩ １ ３６ ￣ｉ ｎ１ ６ １５ —０ ２０ ０ １ ｓ ０ ２
Ｒｅ ｉｗ ｆ ｂ ｏ ａ ｏ ｓｉ ａ ａ ｔｒｓｉ ｓｏ ｕ ｍ ａ ｉ ｅａ ｄＡｄ ａ ｃ ｓ ｖ ｅ ｏ ｒ — ｃ ｕ ｔｃＣｈ ｒ ｃｅ ｉｔｃ ｆＳ ｂ ｒｎ ｎ ｖ ｎ ｅ Ｖｉ
能量 ， 他采用组合的 Ｇ ｅｎ ｒ 函数和 Ｆ ｕ ｅ 积分变换 ｅ ｏｒ ｒ ｉ 求 得 了辐 射 声压 ； 随后 他 又应 用 模 态分 析 方 法研 究 了有 限长 圆柱壳在流体中的辐射声压和振动 响应，
对 一 系 列 的轴 向特 征 函数 求 得 了 白辐 射 阻 、 射抗 辐
和 互 辐射 阻 、 射 抗 的一般 积分表 达 式 ， 辐 同时 也得 到 了 它 们 的 低 频 和 渐 近 表 达 式 。 Ｂ１ｕａ ｎ ｔ Ｊ ＿ ． ｌｇ ｅ 和 ． ａ Ｌ Ｇ ｙ ｄ ｒ 究 了流 场 中有 限长 圆柱 壳和 环肋 圆柱 ｕ ａｅ ＇ 研
出了远场 辐射 声压 的解 析 公式 ， 讨论 了静水 压 力 、 环
肋间距和肋骨刚度等参数对声辐射性能的影响。陈
美 霞和骆 东平 ［ ２ 了一 系 列关于 水下有 限长 加筋 １０ ８］ －做 双 层 圆柱 壳 关 于 结构 响应 和 声 辐射 的研 究 ， 要 用 主
Ｆ ｇ 壳体方程描述壳体 的振动， ｌｇ ｕ 通过将加筋结构等 效为 反 力和 反 力矩 加 在 圆柱 壳 表 面上 ， 将其 引入 到
壳体振 动方 程 中 ， 析 了双 层 圆柱 壳 的几 何参 数 、 分 激 励 力方 向、 壳体位 移 形式 的变化 、 间连接 型 式 以及 壳 双 层 壳体 不 同 的 阻尼 敷 设 方 式对 水 下 声 辐 射 的影 响 。Ｙ ｈ等 口 对 无 限 长周 期 性加 筋 圆柱 壳在 简 谐 ａ 余弦激 励 下 的声功 率特性 进行 了空间谐 波分 析 。彭
２ １年４ ０２ 月
噪
声
与
振
动
控
制
第２ 期
辐 射 对 潜 艇 隐 身 技 术 有 着 重 要 意 义 。 自 １４ ９５年 Ｒ ｙｅ ｈ首次 对 圆柱 壳 自由振 动进 行 开创 性研 究 以 ａｌｇ ｉ 来 ， 国学 者 对这 一 问题进 行 了大量 的理 论研 究 和 各 实 验研 究 。Ｊｎ ｅ ［ 最 早对浸 没 声场 中 的圆柱 壳进 ｕｇｒ２ ， 行 研 究 ， 出流 体 声介 质 的反 作 用 力等 价 于 壳体 的 指 附加 质 量 和 一个 阻 尼 力 ， 出 附连 水 的存 在 使 壳体 得 的 固有频 率大 大 降低 。Ｓｅａｉ ｅ 研 究 了无 限长 ｔ ｎｓ ｎ ｐ ｈ 的非 均匀 地谐 和振 动 的圆柱 表面 的辐射 声 压和辐 射
因此 ， 降低 潜艇 结 构 辐 射 噪 声不 仅 可 以降低 舰 船 目 标特 征信 号 ， 且 还 可 以增 大 自身 声 纳系 统 的作用 而 距 离 ， 而 大大 提 高 潜 艇 的水 下 对 抗 能力 。也 正 是 从
基 于此 ， 潜艇 的声 振 特 性研 究 和 结 构 声学 设 计对 其 声 隐 身具 有 重 要 的意 义 ， 一直 都 是 国 内外 学 者研 究
旭等 ［根据模态叠加原理推导了有限长两端带半无 ２ ３ １
限长 刚性 障板 的环 肋加 强圆柱 壳受 机械 力和 内部声 源简 谐激 励下 的“ 内部 声腔 一加筋 柱 壳 一外 部 声场 ” 耦合 方 程 ， 究 了其 受 激 振动 声 辐射 问题 。李冰 茹 研 等 ［考 虑有 限长 圆柱 壳 体与 声场 之 间 的互 耦 合 ， ２ ４ １ 讨 论它们 之 间 的互辐 射 阻抗 对 壳体 的辐射 声 压级 和表 面振 动 均 方速 度 级 的影 响 ， 重 分 析 了壳 体 的 纵横 着 比以及材 质对 圆柱 壳体 声辐 射特 性 的影 响 。廖 长 江 等 口对 外 力激励 下有 限长 纵 向加肋 圆柱 壳体振 动 与 声辐 射及 其影 响因 素进行 了研 究 。 采用 上述 的解 析分 析 易于探 索简 单 结构 的 声辐
ｗａ ｉｃ ｓ ｅ ．Ｔ ｅ ， ｏ ｃ ａ ｔａ ｄ ａ ｍ ｅｈ ｄ ｆ ｒ ｓ ｂ ｒ ｅ Ｓ ｓ ｕ ｔ ｒ ｅ ｉ ｎ ｗｅ ｅ ｐ ｏ ｏ ｅ ｒ ｍ ｈ ｉ ｗｐ ｉ ｔｏ ｓ ｄ ｓ ｕ ｓ ｄ ｈ ｎ ａ ｆ ｗ—ｈ ｒ ｎ ｔ ｏ ｏ ｕ ｍａ ｉ ’ ｔ ｃｕ ｅ ｄ ｓｇ ｒ ｒ ｐ ｓ ｄ ｆｏ ｔ ｅ ｖ ｅ ｏ ｎ ｆ ｌ ｎ ｒ ａ ｏ ｓｉａ ｒ ｐ ｒ ｅ ｆ ｈ ｔｕ ｔｒ ， ｉｈ ｐ ｏ ｉｅ ａｒ ｆ ｒ ｎ ｅｆ ｒｆ ｒｈ ｒ ｅ ｅ ｒ ｈ ｉ ｅａ ｅ ｆ ｃ ｕ ｔ ｔ ａｔ ｅ ｉｎ ｃ ｕ ｔｃ ｌ ｏ ｅｔ ｓ ｔ ｅ ｓ ｃｕ ｅ ｗｈ ｃ ｒ ｖ ｄ ｅ ｅ ｃ ｏ ｔ ｅ ｓ ａ ｃ ｔ ｒ ａ ｏ ａ ｏ ｓｉ ｓｅ ｌ ｄ ｓｇ ． ｐ ｉ ｏ ｒ ｅ ｕ ｒ ｎｈ ｃ ｈ Ｋｅ ｒ ｓ： ｃ ｕ ｔ ｓ； ｕ ｍａ ｉ ｅ； ｃ ｕ ｔｃｓｅ ｌ ｙ ｗｏ ｄ ａ ｏ ｓｉ ｃ ｓｂ ｒ ｎ ａ ｏ ｓｉ ｔ ａｔ ｓ ｃ ｒ ｌ ｉ ｒ ｔ ｎ； ｃ ｕ ｔ ａ ｉｔ ｎ ； ｙ ｉ ｄ ｉ ａ ｈ ｌ ｈ； ｔ ｔ ａ ｂ ａ ｉ ｕ ｒ ｕ ｖ ｏ ａ ｏ ｓｉ ｒ ｄ ａｉ ｃ ｏ ｃ ｌ ｒｃ ｌ ｅｌ ｎ ｓ
摘 要： 艇结构 的振动与声辐射 特性是声 隐身研究 的重 点 。对潜艇 典型结构 的声振特性研究 现状进行综述 ， 潜 归 纳总结典型结构 声学设计的研究动态 ， 论述开展 结构 声学设计 的重要性和必要性 ， 出基于 声学性能开展结构设计 的 提 流程及方法 ， 为进 一步研 究潜艇结构声隐身设计提供参考 。 关键词 ： 声学； 艇；声隐身； 潜 结构振动 ； 声辐射 ；圆柱壳
Ｅ ｍａ ：９ ｈ ｇ １３ｃｍ — ｉ９ ｗ ｈ ＠ ６ ． ｌ ｏ
声振 特 性 研 究现 状 进 行 了综述 ， 纳 总结 典 型 结构 归
Байду номын сангаас声学 设 计 的研 究 动态 ， 出基 于 声 学性 能开 展 结构 提
设计 的流 程 及方 法 ， 为进 一 步 研 究潜 艇 结 构 声 隐身
设计 提供 参考 。
在 现 代 高科 技 战 斗 中 ， 由于反 潜 探 测 手 段 和 反
击 ； 高 频信 号 随着 传 播距 离 增 加 ， 减 十 分迅 速 。 而 衰
潜武 备 的 发展 ， 为保 证潜 艇 的 生命 力 、 高 其作 战 能 提
力， 潜艇 的声 隐身 显得 尤为 重要 。潜 艇 只有 高度 “ 安
的热 点和 方 向。本文 对近 几 十年 来潜 艇典 型 结构 的
静 ” 不 易 被 敌 方声 纳 发 现 。潜 艇 水 下 辐 射 噪 声主 才 要包 括 ： 械 噪声 、 机 螺旋 桨 噪声 和流 噪 声 。在低 速航
行 时 ， 械 噪 声 是艇 体 总 辐 射 噪声 的主 要 成 分 。 一 机 方面 由于机 械 设备 引起 的艇 体 声辐射 主 要 处于 低频 范 围 ， 噪 声性 质 以线谱 为 最 明显特 征 ， 为舰 船 的 其 成 目标 特 征信 号 ； 另一 方 面随着 水 声探 测 技术 的发 展 ， 声 呐 工作 频 率 逐渐 趋 于低 频 ， 国外 低 频 声 呐 的 工作 频 率 已降 至 １０ ０Ｈｚ以下 ； 频 声 波 在海 水 中衰 减 ０ 低 小 ， 播 距离 远 ， 传 从而使 声源 易 于被 探测 和遭 到攻
ｒｓ ａｃ ｎ ｉｇ ｆａ ｏ ｓｉ ｅｉｎ ｗｅｅａｓ ｕ ｍａｉｅ ． ｈ ｉｎｆｃｎ ｅａ ｄｎ ｃ ｓｉ ｆ ｈ ｔ ｃｕ ａ－ｃ ｕｔｃｄ ｓｇ ｅｅ ｒｈ ｆ ｄｎ ｓｏ ｃ ｕ ｔ ｄ ｓｇ ｒ ｌｏ ｓｍ ｉ ｃ ｒ ｄ Ｔ ｅｓｇ ｉ ａ ｃ ｎ ｅ ｅｓｔ ｏ ｅｓｒ ｔｒ ｌ ｏ ｓｉ ｅｉｎ ｚ ｉ ｙ ｔ ｕ ａ
１ 典型结构 的声振特性研究概况
潜艇 是 一 个 复 杂 庞大 的水 中建筑 物 ， 由耐 压 壳 体、 骨、 壁、 肋 舱 内部 平 台 、 耐 压 壳 体 、 非 实肋 板 、 支 柱 、 板、 托 上层 建筑 、 定 翼等 结构 组成 ， 标志性 典 稳 其 型 结 构 是 加肋 圆柱 壳 ， 是 决 定 艇体 低 频 噪 声辐 射 它 性 能 的主 要结 构 。研 究其 在流 场 中受激 振 动后 的声
Ａｂ ｔａ ｔ： ｈ ｉ ｒ — ｃ ｕ ｔ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ｆｓ ｂ ａ ｉ ｅ ｓａｗａ ｓａ ｍｐ ｒａ ｔ ｒ ｂ ｅ ｉ ｃ ｕ ｔ ｔ ａｔ ｔ ｄ ． ｎ ｓｒ ｃ Ｔ ｅ ｖ ｂ ｏ ａ ｏ ｓｉ ｃ ａ ａ ｔｒｓｉ ｏ ｍ ｒｎ ｓｉ ｌ ｙ ｎ ｉ ｏ ｔｎ ｏ ｌ ｍ ｎ ａ ｏ ｓｉ ｓｅ ｌ ｓ ｙ Ｉ ｃ ｃ ｕ ｐ ｃ ｈ ｕ
潜 艇 典型 结构 的声 振特 性研 究概 况及 声 学设计 构 想
文章 编 号 ：０ ６１５ （０ ２０－０ １ ６ １０—３ ５２ １）２００ — ０
潜艇典型结构 的声振特性研 究概 况 及 声 学设 计 构 想
陈志坚，夏齐强，艾海峰
（ 海军工程 大学 船舶与海洋工程 系，武汉 ４ ０３ ） ３０３
ｉ ｏ ｓｉ ｓｇ ｎＡｃ ｕ ｔｃＤｅ ｉ ｎ
Ｃ Ｅ Ｚ ｉｉ ＸＩ ｉ ｉ ｇ， ＩＨ ｉ ｅｇ Ｈ Ｎ ｈ－ａ ｊ ｎ， Ａ Ｑ － ａ ｑ ｎ Ａ ａ－ ｎ ｆ
（ ｖ ｌ ｎｖｒｉ ｆ ｎ ｉｅｒ ｇ ｅ ｔｏ Ｎａ ａＡｒｈｔｃ ｒ ＆ Ｏｃａ ｎ ， ｈ ｎ ４ ０ ３ ，Ｃ ｉａ Ｎａ ａ Ｕ ｉｅｓ ｙｏ ｇｎ ｅｉ ，Ｄ ｐ． ｆ ｖ ｌ ｃ ｉ ｔ ｅ ｔ Ｅ ｎ ｅｕ ｅｎＥ ｇ Ｗｕ ａ ３ ０ ３ ｈｎ ）
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壳 的声辐 射 ， 他们 基于 Ｆｕ ｇ 理 论 ， ｌｇｅ 声压 用壳 体真 空
中的模态展开， 得到与壳体模态有关 的机械阻抗， 表
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中图 分 类 号 ： ６ ． Ｕ６ １ ４ ４ 文献标识码 ： Ａ Ｄ 编 码 ：０ ９ ９ ．ｓ． ０ －３ ５２ １ ． ．０ ＯＩ １ ３６ ￣ｉ ｎ１ ６ １５ —０ ２０ ０ １ ｓ ０ ２
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对 一 系 列 的轴 向特 征 函数 求 得 了 白辐 射 阻 、 射抗 辐
和 互 辐射 阻 、 射 抗 的一般 积分表 达 式 ， 辐 同时 也得 到 了 它 们 的 低 频 和 渐 近 表 达 式 。 Ｂ１ｕａ ｎ ｔ Ｊ ＿ ． ｌｇ ｅ 和 ． ａ Ｌ Ｇ ｙ ｄ ｒ 究 了流 场 中有 限长 圆柱 壳和 环肋 圆柱 ｕ ａｅ ＇ 研
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美 霞和骆 东平 ［ ２ 了一 系 列关于 水下有 限长 加筋 １０ ８］ －做 双 层 圆柱 壳 关 于 结构 响应 和 声 辐射 的研 究 ， 要 用 主
Ｆ ｇ 壳体方程描述壳体 的振动， ｌｇ ｕ 通过将加筋结构等 效为 反 力和 反 力矩 加 在 圆柱 壳 表 面上 ， 将其 引入 到
壳体振 动方 程 中 ， 析 了双 层 圆柱 壳 的几 何参 数 、 分 激 励 力方 向、 壳体位 移 形式 的变化 、 间连接 型 式 以及 壳 双 层 壳体 不 同 的 阻尼 敷 设 方 式对 水 下 声 辐 射 的影 响 。Ｙ ｈ等 口 对 无 限 长周 期 性加 筋 圆柱 壳在 简 谐 ａ 余弦激 励 下 的声功 率特性 进行 了空间谐 波分 析 。彭
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第２ 期
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因此 ， 降低 潜艇 结 构 辐 射 噪 声不 仅 可 以降低 舰 船 目 标特 征信 号 ， 且 还 可 以增 大 自身 声 纳系 统 的作用 而 距 离 ， 而 大大 提 高 潜 艇 的水 下 对 抗 能力 。也 正 是 从
基 于此 ， 潜艇 的声 振 特 性研 究 和 结 构 声学 设 计对 其 声 隐 身具 有 重 要 的意 义 ， 一直 都 是 国 内外 学 者研 究
旭等 ［根据模态叠加原理推导了有限长两端带半无 ２ ３ １
限长 刚性 障板 的环 肋加 强圆柱 壳受 机械 力和 内部声 源简 谐激 励下 的“ 内部 声腔 一加筋 柱 壳 一外 部 声场 ” 耦合 方 程 ， 究 了其 受 激 振动 声 辐射 问题 。李冰 茹 研 等 ［考 虑有 限长 圆柱 壳 体与 声场 之 间 的互 耦 合 ， ２ ４ １ 讨 论它们 之 间 的互辐 射 阻抗 对 壳体 的辐射 声 压级 和表 面振 动 均 方速 度 级 的影 响 ， 重 分 析 了壳 体 的 纵横 着 比以及材 质对 圆柱 壳体 声辐 射特 性 的影 响 。廖 长 江 等 口对 外 力激励 下有 限长 纵 向加肋 圆柱 壳体振 动 与 声辐 射及 其影 响因 素进行 了研 究 。 采用 上述 的解 析分 析 易于探 索简 单 结构 的 声辐
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摘 要： 艇结构 的振动与声辐射 特性是声 隐身研究 的重 点 。对潜艇 典型结构 的声振特性研究 现状进行综述 ， 潜 归 纳总结典型结构 声学设计的研究动态 ， 论述开展 结构 声学设计 的重要性和必要性 ， 出基于 声学性能开展结构设计 的 提 流程及方法 ， 为进 一步研 究潜艇结构声隐身设计提供参考 。 关键词 ： 声学； 艇；声隐身； 潜 结构振动 ； 声辐射 ；圆柱壳
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声振 特 性 研 究现 状 进 行 了综述 ， 纳 总结 典 型 结构 归
Байду номын сангаас声学 设 计 的研 究 动态 ， 出基 于 声 学性 能开 展 结构 提
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设计 提供 参考 。
在 现 代 高科 技 战 斗 中 ， 由于反 潜 探 测 手 段 和 反
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潜武 备 的 发展 ， 为保 证潜 艇 的 生命 力 、 高 其作 战 能 提
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潜艇 是 一 个 复 杂 庞大 的水 中建筑 物 ， 由耐 压 壳 体、 骨、 壁、 肋 舱 内部 平 台 、 耐 压 壳 体 、 非 实肋 板 、 支 柱 、 板、 托 上层 建筑 、 定 翼等 结构 组成 ， 标志性 典 稳 其 型 结 构 是 加肋 圆柱 壳 ， 是 决 定 艇体 低 频 噪 声辐 射 它 性 能 的主 要结 构 。研 究其 在流 场 中受激 振 动后 的声
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潜 艇 典型 结构 的声 振特 性研 究概 况及 声 学设计 构 想
文章 编 号 ：０ ６１５ （０ ２０－０ １ ６ １０—３ ５２ １）２００ — ０
潜艇典型结构 的声振特性研 究概 况 及 声 学设 计 构 想
陈志坚，夏齐强，艾海峰
（ 海军工程 大学 船舶与海洋工程 系，武汉 ４ ０３ ） ３０３
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