技术简介-潜艇的冲击响应和声辐射分析
- Ability to model acoustic “fluids” under transient and steady-state loading - Scattered and total wave acoustic formulations - Nonlinear fluid behavior - Incident wave loads including bubble loading - Nonreflecting boundary conditions - Acoustic infinite elements
In this technology brief two related but distinct analyses will be examined. First, the shock response of a submarine due to an underwater explosion (UNDEX) event will be considered. Second, the steady-state acoustic field established due to machinery-induced vibrations within and around the submarine will be estimated.
- Import of geometry from other CAD codes and ability to repair poor geometry - “Boolean” operations to create fluid regions by cutting out the geometry of the structure - Easy-to-use surface-based nonconforming fluid-solid coupling - Multiple meshing options
A typical “live fire” test to assess shock survivability
Key ABAQUS Features and Benefits
• A cohesive framework to create and manage analyses within ABAQUS/CAE:
ABAQUS Technology Brief
TB-04-SUB-1 Revised: January 2004
Shock Response and Acoustic Radiation Analysis of a Submarine
Copyright © 2004 ABAQUS, Inc.
Accurate numerical modeling of the shock response of naval structures such as surface ships and submarines is of considerable importance in their design since the cost associated with physical “live fire” testing is often prohibitive. Along with the shock response calibration, designers often have to grapple with opposing factors while trying to minimize the sound emitted by the craft in operating conditions. ABAQUS allows for the analysis of both the structural integrity and acoustic radiation of naval vessels.
- Abietry that can be meshed appropriately for the given analysis task
(shock, radiation, frequency extraction, etc.) • Model development tools within ABAQUS/CAE:
The shock response analysis can be performed either at the whole-ship level or for an individual mounted piece of equipment.
• Extensive results visualization within ABAQUS/CAE including acoustic far-field visualization
Background
Most naval organizations require some form of shock survival assessment to be performed on marine structures before they are commissioned.
The response of concern is the behavior of the structure when exposed to a nearby noncontact underwater explosion (UNDEX). Both the lowfrequency hull “whipping” modes and the highfrequency structural displacements are of interest.
潜艇设备冲击响应谱谱跌特性数值分析
潜艇设备冲击响应谱谱跌特性数值分析王晓欣;李笑天;马笑辉;杜国伟【摘要】[目的]设计冲击谱是舰载设备响应谱抗冲击分析的关键输入条件.为了研究大质量舰载设备安装后的谱跌特性,[方法]以潜艇为例,通过对舱段结构的有限元数值模拟,研究舰载设备在不同连接方式下冲击谱随质量及刚度变化的规律,并与目前广泛采用的国军标GJB 1060.1-91给出的冲击设计谱进行对比.[结果]结果表明:对于单自由度系统,在低频段(位移段)和高频段(加速度段),国军标给出的冲击谱更保守;在中频段(速度段),研究得到的响应谱大于国军标给出的响应谱.对于多自由度系统,依据国军标给出的方法忽略模态间的相互作用将导致计算偏于保守.此外,设备与舱段的连接方式对设备响应谱存在明显影响.[结论]研究得到的各种因素对谱跌特性的影响规律,对潜艇大型设备的抗冲击设计具有借鉴意义.【期刊名称】《中国舰船研究》【年(卷),期】2019(014)003【总页数】7页(P31-37)【关键词】潜艇;冲击响应分析;冲击谱;谱跌【作者】王晓欣;李笑天;马笑辉;杜国伟【作者单位】清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084;清华大学先进核能技术协同创新中心,北京100084;清华大学先进反应堆工程与安全教育部重点实验室,北京100084;清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084;清华大学先进核能技术协同创新中心,北京100084;清华大学先进反应堆工程与安全教育部重点实验室,北京100084;同方工业有限公司,北京100083;清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084;清华大学先进核能技术协同创新中心,北京100084;清华大学先进反应堆工程与安全教育部重点实验室,北京100084【正文语种】中文【中图分类】U661.40 引言爆炸冲击载荷作用是导致舰载设备失效的重要因素，分析和评估设备抗冲击性能是设计中的重要环节［1］。
基于冲击响应谱的抗冲击数值计算方法因计算量小、易使用，在舰载设备设计分析中得到了广泛应用。
潜艇的主要噪声来源
潜艇的主要噪声来源潜艇的噪声来源主要有三个方面：机械噪声，螺旋桨噪声以及水动力噪声。
潜艇在低速航行时，一般以机械噪声为主，随着航行速度的逐节提升，螺旋桨噪声和水动力噪声逐渐增加，开始超过机械噪声，成为主要的潜艇噪声来源。
当然，降低潜艇的噪声也应该从这三个方面进行入手。
因此，我们首先就需要更深入的了解这三个方面的噪声。
首先机械噪声，潜艇的机械设备是引起辐射噪声的主要原因，也是侧面基阵自噪声的重要组成部分。
机械噪声系指由主辅机及其系统工作产生产生的水下噪声。
可以分为：不平衡噪声、电磁力脉动噪声、齿轮噪声、轴承噪声以及管系通过基座与非支撑激励艇体振动产生的噪声。
潜艇的管路系统是机械噪声的另一个主要来源，一方面，管路振动会传递给其他结构，另一方面，管路内的噪声会通过管壁向水中辐射噪声。
一般可通过减振降噪和采取小声措施以降低潜艇机械设备等的噪声，对于降低管路噪声的措施则是在系统管路中应尽可能采用多的弹性连接管与艇体相接，对于流体强烈作用的管路采用降低流速、局部管路采用阻尼软管和加消声器的办法，减小流体冲击，隔绝此种振动传递到艇体上。
其次，螺旋浆是潜艇航行时的主要噪声源。
螺旋桨辐射噪声可分为空化噪声和螺旋桨叶振动时产生的“唱音”。
螺旋桨叶片周向载荷不均匀，旋转时会产生空泡、鸣音和振动，发出高强度的噪声。
“唱音”是由于螺旋桨叶片排挤切割水流引起的螺旋桨局部共振，是一种线谱噪声，设计好的螺旋桨可以避免“唱音”。
空化现象的出现与潜艇所处的海水深度以及螺旋桨的转速有很大的关联，空化噪声随着入水深度的增加而降低，随着螺旋桨的转速的提高而增大。
它由两部分组成，一是由螺旋桨叶片区域的大量瞬态空泡的崩溃和反弹产生，其频谱是连续的，二则是由螺旋桨附近区域中大量稳定气泡的周期性受迫振动产生，其频谱是离散的线谱。
高频时线谱成分趋于零，低频时线谱成分大于相应的连续谱，高频段连续谱随频率的平方下降，低频段连续谱随频率的平方上升，在某一较低频率处出现谱峰。
潜艇水声对抗技术的现状与发展
电子技术• Electronic Technology88 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering【关键词】潜艇 水声对抗技术 分析 发展趋势 研究水下武装力量是一个国家国防力量的重要组成部分，基于潜艇等装备的威慑力，世界各国在潜艇发展方面投入了大量的人力、物力和财力。
随着潜艇技术水平的提升，反潜作战体系也逐渐完善，为提升潜艇的战场生存能力，水声对抗技术应运而生。
与水面舰艇不同的是，传统雷达电磁波无法捕获到水面以下的潜艇，为此，依托于声纳探测技术的发展，反潜作战主要是通过声纳对潜艇进行定位，潜艇的安全受到了严重威胁。
针对这一情况，潜艇可利用水声对抗技术对对方声纳进行干扰，从而降低己方被锁定的概率，使潜艇的战场生存能力大大提升。
在反潜声纳技术持续发展的情况下，潜艇水声对抗技术的研究也将更加深入，水声对抗类型多样化，水声对抗装备智能化的发展将成为一种趋势。
1 潜艇水声对抗技术分析相比较水面舰艇来说，潜艇的行踪更加具有隐蔽性，然而，随着声纳探测设备普及，潜艇的优势也不再明显，由此，水声对抗装备成为潜艇应对声纳探测设备的重要保障。
从实际需求来看，潜艇水声对抗技术存在以下几个方面的特点。
（1）受潜艇自身平台因素的影响，潜艇无法实现在短时间内向全域实施水声对抗，从而只能集中力量向指定方向进行水声对抗；（2）潜艇水声对抗器材的应用范围局限于水面以下，无法利用火箭助推等技术快速到达指定区域，在此情况下，潜艇水声对抗的实时性则相对较低，对战场态势的把握不够；（3）基于水声对抗技术的软杀伤成为潜艇获得战场生存空间的重要手段，通过水声对抗设备对声纳、鱼雷声纳导引系统进行攻击、欺骗，使其探测性能降低或丧失，同时也避免了己方目标的暴露；（4）潜艇水声对抗技术还包括一种主动“隐身”技术，即利用吸引涂层、消音瓦等材料降低潜艇内部噪音的泄漏，以及减少地方水潜艇水声对抗技术的现状与发展文/沈沁轩声探测设备的声波反射，从而实现所谓的“隐身”效果。
第二章船舶辐射噪声及计算方法
船体结构的振动传导性
结构的振动传导性，应理解为从振源把声振动传递到船体 不同区域的能力。有时，也称之为传输特性。
在大排水量的船上，声振动级的衰减小些。这种现象可 以解释为，大排水量船上的损耗系数值比较小。随着频率的 升高，衰减有所增大，这与弯曲波波长变短（波数的增多） 有关。
沿船体的声振动级单位长度 的衰减与频率的关系
非线性
船舶舱室噪声特点
• 根据激励的物理性质可以分为初级结构噪声和次级结构噪声
• 初级结构噪声是机械的支承连接件和非支承连接件传递的动 力激发的结构振动，这种振动在结构中以波动形式传播，并 且由诸如列板、舱壁、板格等结构。
• 次级结构噪声是由机械空气噪声而引起列板、舱壁、板路等 结构中的结构振动，其声级大小与结构的惯性、刚性、阻尼 ，以及空气噪声级等有关。
部紧贴结构表面“构造”一个流体结构，对结构和流体都 要进行FEM网格离散，建立FEM方程进行分析。
有限元法及边界元法
1．有限元法及边界元法原理 假定流体是理想的声学介质，且满足如下条件：
(1)假定流体是可压的，但只允许压力与平均压力相 比有较小的变化，流体是各向同性、均匀的。
(2)声波动过程是绝热的。 (3)假定流体为非流动并且无黏的（即黏性不引起耗 散作用）。 (4)假定流体平均密度和平均压力不变，计算中求解 的压力是偏离平均压力的相对压力而不是绝对压力。
船舶舱室噪声特点
安装在上层建筑舱室内附近的高噪声机械对居住舱室中的噪声级 大小也有很大影响，甚至会成为舱室中的主要噪声源。试验表明 ，舱室中的空调装置全负荷工作时，舱室中的噪声要比本底噪声 （空调装置不工作时）高3dB-10dB。
船舶舱室噪声分析
采用功率谱分析的方法对舱室噪声进行频域分析，描述噪声信号 中谐波分量的能量按频率的统计分布。通过对某174000t散装货 船的实船测量得到的噪声时域信号，进行变换、处理后可以得到 典型的舱室噪声功率谱。
潜艇辐射噪声水平指向性测量方法
ｒ ｄ ａ ｅ ｉｅ ｔ ｓ． ｎ ｔ ｓ ｐ ｐ ｒｄ ｓ ｕ ｓ ｄ ａ ｎｅ ｐ ａ ｔｃ ｂ ｌｔ ｔ ｄ ｏ ａ ｕ ｉ ｇ ｈ ｒｚ ｎ ａ ｒ ｃ ｉｉｙ ｏ ａ ｉ ｔｄ ｎｏｓ ｅ ｔ Ｉ ｈｉ ａ ｅ ｉｃ ｓｅ ｗ ｒ ｃ ｉａ ｉｉ ｍｅｈｏ ｆｍｅ ｓ ｒｎ ｏ ｉｏ ｔ ｌｄｉｅ ｔｖｔ ｆ ｙ
当潜 艇 以 比较 小 的距 离通过 测量 水 听器 时 ， 艇 潜 上 沿首 尾 分布 的噪 声 源 与水 听器 的距 离 差 别 就 比较 大 ， 样离 水 听器较 近 的噪声 源对 水 听器测 得 的辐射 这 噪声场 就 有 较 大 的 影 响 ， 过 特 性 曲 线 会 出 现 “ 通 双
潜艇 水 下辐 射 噪声 指 向性 按 照 空 间 位 置 的 不 同
过 特性 曲线 ， 以描 述 被 测 潜 艇 匀 速直 线 航 行 ， 可 由远 及 近接 近 测 量 水 听 器 并 由 近及 远 离 开 测 量 水 听 器 。 在 这个 过 程 中 ， 艇 辐 射 噪 声 的 声 压 级 （ 功 率 谱 潜 或 级） 与测 量 水听 器相 对位 置 的对应 关系 如 图 ２所 示 。
的空 间 噪声源 ， 而不 是 传 统 意 义上 的点 声 源 ， 与潜 它
通 过在 潜艇 首部 某一 位 置安装 测距 发射 换 能器 ， 并将 该 位置 作为 参考 点 ， 利用水 下 测距信 息 与辐射 噪
声 同步 记 录的方 法 可 比较 精 确 地 得 到船 体部 位 与 辐
艇 内部 的各种 运转 的机 器 、 备 、 力 及 推 进 系 统 的 装 动 结 构 密切 相关 ， 同其 安装 形 式 、 构 振 动 传递 机 理 也 结
技 术 的发 展也 有着 重 要 的作用 。
潜艇辐射噪声的特征、强度描述方法以及一些误区
潜艇辐射噪声的特征、强度描述方法以及一些误区导读经常听大家在讨论潜艇噪声啊，那么潜艇噪声到底是什么样的，以及水声学专业上如何描述潜艇噪声强度的呢？下面我打算用尽量通俗的语言来略微讲解一下，希望不要太枯燥。
首先需要了解的基本名词和解释，如果你想真正看懂本文最好仔细看这几个名词，在谈到潜艇噪声的时候这几个名词会经常出现——当然对电子与信息工程、通信工程、雷达这种相关工程的亲以及我的同行水声工程出身的亲这几个名词可以忽略不看吧。
1、名词：(1)时域、频域：描述信号的空间，通俗的说时域就是信号的波形，频域就是信号波形经傅立叶变换后的形态。
除此之外，信号还可以经过不同变换在不同的信号空间内被描述，不过一般对信号的描述都在时域或频域空间内进行，其他各种域基本都是为了提取信号用的。
(2)带宽：信号在频域上的宽度，一般有3dB带宽，6dB带宽以及10dB 带宽多种，是指信号在频率上的能量下降到中心频率能量3dB(6,10)之内的频点间的宽度——必须注意这和搞电脑或者网络的带宽定义不同，网络的带宽在水声对应的称呼是信道最大容量。
(3)宽带、窄带：宽带是指带宽远大于频率下限的信号，而窄带一般是指带宽远小于频率下限的信号。
(4)线谱：简单而不严格的说，线谱就是单一频率的信号——实际上带宽极窄的信号也可以被称为线谱。
(5)调制谱：信号(宽带、窄带或线谱)因螺旋桨转动或其他因素将转动的能量周期性的乘到信号上，从时域上看是信号的包络，是一种幅度调制，和收音机的AM类似。
(6)谱级、频带级、总源级：这些都是描述声强度的量，谱级是指单一谱线(可以认为是1Hz带宽上)的信号强度，频带级是指某个给定带宽上信号的总强度，总源级是指信号的总强度。
对于没有频谱是平的白噪声而言，B带宽内的频带级是谱级加上10logB(7)倍频程：倍频程是频带划分的一种方式，如果F1/F2=2则称F1和F2之间是一倍频程，用OCT表示。
如果F1/F2=2^1/3则称F1和F2之间是三分之一倍频程，用1/3OCT表示。
螺旋桨激振力作用下船体振动及水下辐射噪声研究
螺旋桨激振力作用下船体振动及水下辐射噪声研究付建;王永生;丁科;魏应三【摘要】The finite element method (FEM) and boundary element method (BEM) are used to calculate the structure vibration and underwater radiated noise of ship structure caused by the propeller excita-tions. It is analyzed and compared that the influence of vibration and underwater radiated noise are caused by three direction forces (shaft, transverse and vertical). The study shows that the vibration response ap-pears line spectrum at axial passing frequency (APF), blade passing frequency (BPF), 2BPF and ship na-ture frequencies. The underwater radiated noise is the biggest excited by the transverse force, then is the vertical force, last is the shaft force. The biggest radiated noise power of ship hull by three forces is mainly excited by transverse force at BPF, then is excited by shaft force at APF. It mainly berceuses that the BPF of transverse force is approach with ship nature frequency.%利用有限元法和边界元方法分析比较了螺旋桨激振力三个方向分力（轴向、横向、垂向）分别作用以及同时作用时引起的船体结构振动与水下辐射噪声。
潜艇振动噪声的控制研究
文章编号:1006-1355(2006)05-0001-04潜艇振动噪声的控制研究孔建益,李公法,侯 宇,杨金堂,蒋国璋,熊禾根(武汉科技大学机械自动化学院,武汉430081) 摘 要:系统介绍了潜艇振动噪声的主要来源:机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声,并从这三个方面详细论述了具体的控制方法。
指出螺旋桨噪声、水动力噪声和设备机座机械噪声被有效抑制后,管道系统便成为“安静型”潜艇的主要噪声源。
从管道的被动控制和主动控制两个方面论述了管道振动控制的研究现状,并对潜艇振动噪声控制的研究进行了展望。
关键词:振动与波;噪声;被动控制;主动控制;潜艇中图分类号:U674.76;U661.44 文献标识码:AR esearch on Vibration and Noise Controll of SubmarineKON G Jian 2yi ,L I Gong 2f a ,HO U Y u ,YA N G Ji n 2tang ,J IA N G Guo 2z hang ,X ION G He 2gen(College of Machinery and Automation ,Wuhan University ofScience and Technology ,Wuhan 430081,China ) Abstract :Machinery noise ,propeller noise and hydrodynamic noise ,the main vibration and noise resources of submarine are introduced systemically ,and concrete control methods are discussed from the above three aspects.Then the pipe system becomes the main noise resource of quite submarine ,when propeller noise ,hydrodynamic noise and machinery noise of facility base are controlled effective 2ly.The current status of vibration control is discussed from the two aspects of passive control and ac 2tive control of pipe.At last the future trends and advances of vibration and noise control of submarine are discussed.K ey w ords :vibration and wave ;noise ;passive control ;active control ;submarine 收稿日期:2005211227基金项目:湖北省机械传动与制造工程重点实验室开放基金;湖北省教育厅科研资助项目作者简介:孔建益(1961-),江西上饶人,教授博导。
潜艇辐射噪声测量方法
58.8
58.6
58.5 58.4
58.4
对 A1、A2 子阵组成的倍频程和 A3、A4 子阵组成的倍频程做类似仿真，得到同样结果。
本文在撰写过程中，得到王广恩教授的悉 心指导，在此致以深切的谢意。
４ 结束语
采用频率加权的方法在多个倍频程内实 现恒定束宽波束形成，解决了噪声测量中的波 束频率畸变影响，得到的束宽可覆盖 2.5kHz~20kHz 频段，从而较好地实现了潜艇倍 频程宽带辐射噪声的测量。
３ 波束形成
全频带测量。本文主要介绍宽带恒定束宽线阵 1
的原理和研究结果。
２ 测量用线列阵的概述
测量用的线列阵应满足以下条件：（1）基 阵波束图的主瓣宽度必须在测量的距离上完全 覆盖噪声源，例如对直径 10m 的潜艇，在 100m 处测量束宽至少应达到 5.7°；（2）基阵必须有 足够的信噪比增益，一般说来 DI＞10 dB 是需 要的；（3）基阵波束图的旁瓣级应足够低，一 般说来主旁瓣比应达到-30dB。
本文只是线列阵测量系统中一些相关技 术的研究，作为一个完整系统，不论在硬件还 是软件上都还要做深入细致的工程化工作才能 最终形成一个可用的测量系统。
参考文献
[1] C.Noel-C.Viala,G.Goullet-M.Alombet and O.Gerard Underwater Tragectography system for measurment of submarine radiated noise Proceedings of the Fourth European conference on underwater Acoustics.
21 个水听器形成四层嵌套子阵，每个子阵含有
9 个按 λ / 4 间隔均匀布置的水听器。水听器组
水下爆炸载荷下舰船响应与毁伤研究综述
第25卷第5期水下无人系统学报 Vol. 25No. 5 2017年12月 JOURNAL OF UNMANNED UNDERSEA SYSTEMS Dec. 2017收稿日期: 2017-09-30; 修回日期: 2017-11-10.基金项目: 国家自然科学基金项目(51479204、51409253、51679246).作者简介: 金 键(1990-), 男, 在读博士, 主要研究方向为舰船抗爆抗冲击.[引用格式] 金键, 朱锡, 侯海量, 等. 水下爆炸载荷下舰船响应与毁伤研究综述[J]. 水下无人系统学报, 2017, 25(5): 396-409.【编者按】现代舰船的生命力和战斗力受到鱼、水雷等水中兵器的严重威胁, 开展水下爆炸载荷下舰船响应与毁伤研究具有十分重要的现实意义。
水下爆炸载荷下舰船的响应与毁伤过程是复杂的非线性动态过程, 属大变形、强非线性问题, 涉及流体力学、气泡动力学、爆炸力学、塑性力学、塑性动力学、结构力学、断裂力学、结构振动学、水弹性力学及计算机应用等众多学科及相互之间的交叉。
目前对水下爆炸的基本过程、物理现象和载荷特性的研究较为成熟, 对复杂边界条件下的水下爆炸过程和载荷特性的研究也有了长足的进展, 而水下爆炸载荷下舰船动响应过程、毁伤机理问题还有待进一步研究。
在受到水中兵器的攻击情况下, 如何根据舰船动响应过程与毁伤机理合理选取材料、设置优化结构是舰船防护中亟待解决的问题。
在国内, 朱锡教授带领的舰船抗爆抗冲击技术研究团队在舰船防护装甲材料、舰船防护结构设计方法、舰船结构防护/承载/隐身多功能一体化等方向有深入研究, 取得了一批原创性成果。
目前团队承担着武器装备预研项目、国防973项目、国家自然科学基金重点项目等多项国家级项目的研究与研制任务。
本刊特邀其团队成员金键博士系统梳理了水下爆炸下舰船响应与毁伤问题, 以综述形式呈现, 旨在让读者对水下爆炸的过程、分类和载荷特征、舰船动响应过程和毁伤机理以及研究方法和研究趋势有清晰的了解与认识。