水下壳体结构低频声辐射预报方法与试验测试技术研究

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《船舶水下噪声》课件

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本课件将介绍船舶水下噪声的重要性及其形成原因。我们还将探讨测量方法、影响因素以及应对措施，并展望该领域的未来发展方向。
简介
船舶水下噪声是指船只在水下环境中产生的各种声音。我们将探讨船舶水下噪声的定义，以及为何需要分析和理解船舶水下噪声。
形成原因
船体运动引起的噪声
船只在水中运动时，会产生涡流和湍流，引发噪声。
加强相关法规和标准的制定和执行，更好地管理船舶水下噪声。
3
绿色航运的推广
推广环保船舶和节能减排措施，减少船舶水下噪声的产生。
影响因素
船舶自身
船舶的结构和设计会影响水下噪声的产生。
不同水深和海况
水深和海况变化对水下噪声产生明显影响。
环境因素
水声传播特性、水的温度和盐度等环境因素也会影响水下噪声。
其他因素
航行速度、船舶负载和船员操作等因素也会对水下噪声产生影响。
应对措施
船舶噪声控制技术
采用减震、隔音等技术降低船舶噪声。
涡流和湍流噪声
水流的涡流和湍流也会导致船舶水下噪声。
主机与辅机噪声
船舶的主机和辅机运转时会产生噪声。
外界水声状况
外界水声状况，如水的温度和盐度，也会影响船舶水下噪声。
测量方法
1
测量设备
使用专业的水下噪声测量设备进行测量。
测量原理
2
通过析水下噪声的频谱和声压级来获
取测量数据。
3
测量参数及其分析
测量参数包括声压级、频谱分析以及长期监测等。
合理安排航行时间和路线
选择较为安静的海域和航行时间，减少水下噪声的影响。
增强船舶水下噪声警示能力
加装水下噪声警示装置，提高工作人员的安全意识。

水中有限长功能梯度材料圆柱壳声辐射研究

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垂＋￣ｕ（ａ＋ａ …ｖｃ一Ｏｃ＋１ｚＫｌ＼０３２ｃｏ０ｚ一２ｄ
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圆柱壳振动平均振速、声辐射效率表达式。本文为研究水下功能梯度圆柱壳结构振动声辐射问题提供了
一种有效的ຫໍສະໝຸດ 析方法。１有限长功能梯度材料圆柱壳体基本解
１１基本动力方程．设一半径为ｏ，度为ｈ，为２厚长Ｌ的功能梯度材料有限长圆柱壳，圆柱壳轴线为ｚ以轴建立如图１所
水中有限长功能梯度材料圆柱壳声辐射研究
徐步青，杨绍普齐月芹，
（．１石家庄铁道大学工程力学系，河北石家庄００４；．北省交通安全与控制重点实验室，５０３２河河北石家庄００４）５０３
摘要：究了径向简谐集中力激励下的水中功能梯度复合材料有限长圆柱壳的振动和声辐研射问题。从有限长功能梯度材料振动方程出发，用模态叠加法，导出了圆柱壳在径向集中利推力激励下，面振动平均振速和声辐射效率表达式。通过数值仿真计算了不同梯度指数下圆柱平

基于目标传递和代理模型的水下结构振动声辐射设计优化

ｓ． ∑ ｌ『Ｐ．，．：ｔｌ】１Ｐ．【一＜
Ⅳ
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（）１
ｇ（ｓｓ）０ｓＰ，，，ｈ（ｓ５ｆ）＝０ｓＰ，，Ｄ
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性（固有频率、型和振动响应等）声辐射特性（振和声
压、功率和指向性等）。结构设计参数和结构动态声等
摘要：基于目标传递法和代理模型实现了水下结构振动声辐射的设计优化。目标传递法用于实施多级优化，
Ｋｉｎ代理模型用于解决水下结构振动声辐射计算量过大而无法实施设计优化的问题。以水下加肋板结构的振动声辐ｒｉｇｇ射为例构造了一个两级优化设计问题来验证所用方法的有效性。选取板厚，加强肋高度和加强肋宽度作为设计变量，以结构质量、振频率、共共振频率处的声功率级和共振频率间的差值作为优化目标来进行设计优化。研究结果表明Ｋｉｎｒｉｇｇ代理模型可实时准确地代替耦合计算模型预报水下结构振动声辐射响应，用目标传递法会由于目标权重和协调机制的使不同而导致不同的优化结果，设计者可以根据实际需要从优化结果中选择合适方案。
第１０期
黎
胜：基于目标传递和代理模型的水下结构振动声辐射设计优化
１５４
１２水下结构振动声辐射的分析模型．可以看到，述的优化模型需要调用分析模型来上计算响应Ｐ。如所知，结构在简谐激励力作用下，虑考水的流体加载效应的有限元形式的运动方程为：（９［］＋［一０Ｃ］＋［］｛｝＝Ｋ）ｑ

水下噪声

水下噪声具有指向性：噪声源具有指向性、噪声源空间分布、海洋传播条件等原因。常识：海面噪声（风浪噪声）—垂直指向性；
远处航船的辐射噪声—水平指向性。
注意：
工程上通常将海洋环境噪声视为各向同性的，便于信号处理。
水声学第7章水下噪声 12
7.2 海洋环境噪声
海洋环境噪声也称自然噪声，是水声信道的一种干扰背景。研究环境噪声的目的：研究噪声场的时空统计特性与环境因素之间的依赖关系，找出其规律，预报NL值，为声呐设备设计、研制提供必要的数据；
（3）平稳随机过程： p1，t p1，t 结论：平稳随机过程的概率密度函数与时间无关。
水声学第7章水下噪声 3
7.1 噪声的基本概念
1、噪声描述
短时间内水中噪声可视为平稳随机过程，且噪声声压服从高斯分布，称为高斯噪声，其概率密度函数为：
p
其均值和方差：

环境噪声与环境条件密切相关，如风速等自然条件。
水声学ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第7章水下噪声
14
7.2 海洋环境噪声
1、深海中的环境噪声源
从低频到高频次序讨论噪声源及其特性：
（1）潮汐和波浪的海水静压力效应潮汐和海面波浪是引起海洋内部海水静压力变化的原因，是低频噪声源。（2）地震扰动地震扰动是海洋中的极低频噪声源。地震扰动在海水中产生的压力：
7.2 海洋环境噪声
3、自然噪声间歇源及其变化特性
（1）间歇源的噪声源一种暂时存在的噪声源，如能发声的海洋生物、降雨等。海洋生物噪声：
甲壳类、鱼类和海生哺乳类—特殊鸣声、嘈杂声等；
降雨噪声：提高自然噪声级，与降雨率和降雨面积有关。
水声学
第7章水下噪声

基于三阶剪切形变理论的复合层合矩形板水下声辐射研究

基于三阶剪切形变理论的复合层合矩形板水下声辐射研究胡昊灏;高岩【摘要】以简化的三阶剪切形变理论为基础，由虚功原理建立了较厚复合层合矩形板水下振动与声辐射方程，通过Rayleigh-Ritz法求解系统方程。

为了验证所给方法的正确性将计算结果与有限元法计算结果进行对比，并将三阶剪切形变理论（TSDT）所得声辐射解与一阶剪切形变理论（FSDT）计算结果进行对比，指出前者在计算复合层合板声辐射上的优势。

最后通过改变杨氏模量，剪切模量，铺层厚度，纤维铺设角等参数，指出影响复合层合板声辐射的主要因素和分频段变化规律，可为水下典型结构声辐射预报和噪声控制提供参考。

%Based on the simplified Third Order Shear Deformation Theory (TSDT), the vibration and sound radiation of moderate laminated composite rectangular plate were deduced, and the system motion equation was solved by Rayleigh-Ritz method. In order to validate the proposed method, the result was compared with the finite element method, and the advantage of calculating sound radiation was shown by comparing TSDT with FSDT. And by changing the Young’ modulus, shear modulus, lamina thickness, fiber orientation an-gle, the main parameter and the variation in different frequency band were obtained, which could be a ref-erence for underwater typical structure sound radiation and noise control.【期刊名称】《船舶力学》【年(卷),期】2016(020)005【总页数】8页(P620-627)【关键词】三阶剪切形变;复合层合板;声辐射;噪声控制【作者】胡昊灏;高岩【作者单位】中国船舶科学研究中心船舶振动噪声重点实验室，江苏无锡214082; 中国船舶科学研究中心江苏省绿色船舶技术重点实验室，江苏无锡214082;中国船舶科学研究中心船舶振动噪声重点实验室，江苏无锡 214082; 中国船舶科学研究中心江苏省绿色船舶技术重点实验室，江苏无锡 214082【正文语种】中文【中图分类】TB535复合层合材料具有轻质高强，耐腐蚀等优良特性，因而被广泛地应用于船舶工业中。

轴系纵振对双层圆柱壳体水下声辐射的影响研究

ＡｂｔａｔＴｅｖｂａｉｎａｄｒｄａｉｎｉｄｃｄｂｏｇｔｄｎｌｖｂａｉｎｏｈｆｎｆｕｄｒａｅｏｂｅｓｒｃ：ｈｉｒｔｎａｉｔｎｕｅｙｌｎｉｉａｉｒｔｆｓａｔｇｏｎｅｗｔｒｄｕｌｏｏｕｏｉｃｌｄｉａｈｌａｅｃｃｌｔｄｂＥＢＥ．ｕｄｓｒｃｕｅｃｕｌｄｍｏｅＳｂｉｐｂｎｔｌｍｅｔｙｉｒｌｓｅｌｒａｕａｅｙＦＭ／ＭＡｆｉ — ｔｔｒｏｐｅｄｌｉｕｌｕｙｆｉｅｅｎｎｃｌｌｕｔｉｅｍｅｈｄａｄｔｅｖｂａｉｎｒｓｏｓｆｓｕｔｒＳｃｌｕａｅｙｔｅＡＮＳ．ｅｃａａｔｒｓｉｓｏｔｃｕａｔｏ．ｎｈｉｒｔｅｐｎｅｏｒｃｕｅｉａｃｌｔｄｂｈｏｔＹＳｈｒｃｅｉｔｆｓｒｔｒｌｃｕａｏｓｉａｉｔｎａｅｉｖｓｉａｅｙｂｕｄｒｌｍｅｔｍｅｈｄＴｅｌｃｔｎａｄｃｎｇｒｔｎｏ｝ｕｔｃｕｔｒｄａｉｒｎｅｔｔｄｂｏｎａｙｅｅｎｔｏ．ｈｏａｉｎｏｆｕａｉｆｔｒｓｃｏｇｏｉｏｌｂａｉｇａｃｃａｇｄｒｓｌｎｎｍｏｉｉｇｔｅａｌｕｅａｄｐｏａａｉｎｐｔｆｎｕｏｃ，ｈｃｕ ’ ｅｒｒｈｎｅ，ｕｔｇｉｄｆｎｍｐｉｄｎｒｐｇｔａｈｏｐｔｆｒｅＳｔｅａｏｓｎｅｉｙｈｔｏｉＯｔａｉｔｎｆｄｕｌｙｉｄｉａｈｌｕｄｒａｅｒｅｕｅ．ｉｒｄａｉｓｏｏｂｅｃｌｒｌｅｌｎｅｔｒａｅｒｄｃｄｃｏｎｃｓｗＫｅｒｓｖｂａｉｎａｄａｏｓｉａｉｔｎｓｒｃｕａ－ｃｕｔｏｐｉｇｆｉｌｍｅｔｔｏ；ｙｗｏｄ：ｉｒｔｎｃｕｔｒｄａｉ；ｔｔｒｌａｏｓｃｃｕｌ；ｎｔｅｅｎｈｄｏｃｏｕｉｎｉｅｍｅ

Kraken海洋声学模型及其声传播与衰减的数值试验

第27卷第1期2009年1月海洋科学进展ADVANCES IN MA RIN E SCIENCEVol.27　No.1January,2009 K raken海洋声学模型及其声传播与衰减的数值试验3李佳讯1,张　韧1,3,王彦磊2,黄志松1,张丽华3(1.解放军理工大学气象学院,江苏南京211101;2.解放军61741部队,北京100081;3.空军上海指挥所气象中心,上海200433)摘　要:针对射线、简正波、PE、FFP等传播模型的算法原理及其适用的海洋环境,建立了以Kraken声学模型计算软件为基础的海洋声场数值预报系统。

应用该预报系统对4组典型的海洋声场进行了数值试验,结果表明:在相同的海面和海底边界条件下,声场分布是由声速剖面和声源位置决定的。

在负梯度声场中,所有声线都折向海底,在极限声线外产生阴影区。

声源位于声道轴附近的温跃层中会产生波导传播。

用射线理论解释了上述现象的成因,指出了其实际应用价值。

关键词:Kraken模型;传播损失;声场预报;声纳探测中图分类号:P733.21 文献标识码:A 文章编号:167126647(2009)0120051208海水是一种导电介质。

辐射向海洋的电磁波会被海水介质本身所屏蔽,极大部分的能量以涡流损耗的形式被海水吸收,使电磁波在海水中的传播距离有限。

而声波在海水中传播时的损耗要比电磁波小得多,因而声波是能够在海水介质中进行远距离信息传输的有效载体。

研究声波在海洋中的传播,是理解和预测所有其他水声现象的基础。

而海洋声场的数值计算和预报是进行海洋混响、噪声、反演、匹配场处理、声层析等研究的基础,是现代声纳设计使用中的重要课题。

根据海洋环境因素对声场的制约,可以建立物理模型和数学模型,把可测得的海洋环境参数值代入计算机程序完成数值计算和有关场值的预报[1]。

目前所发展的声场数值预报方法主要有射线算法、简正波算法、抛物方程(PE)算法和快速声场程序法(FFP)等[2,3]。

水下声学环境建模与仿真

水下声学环境建模与仿真在探索海洋的奥秘以及开展各种水下活动的过程中，对水下声学环境的准确理解和把握至关重要。

水下声学环境建模与仿真作为一种有效的手段，为我们提供了深入研究和预测水下声学现象的工具，在军事、民用等多个领域都发挥着关键作用。

水下声学环境是一个极其复杂的系统，受到多种因素的影响。

水的物理特性，如温度、盐度、密度等，会直接改变声音在水中的传播速度和衰减特性。

海洋中的地形地貌，包括海底山脉、峡谷、海沟等，会对声波产生反射、折射和散射。

此外，海洋中的水流、内波等动态因素也会对声学环境产生影响。

还有各种声源，如船舶、海洋生物、地质活动等，它们发出的声音在水下传播和相互作用，共同构成了复杂多变的水下声学环境。

为了准确地建模和仿真水下声学环境，首先需要对这些影响因素进行详细的测量和分析。

先进的测量仪器和技术，如声学多普勒流速剖面仪、温盐深仪等，可以帮助我们获取海洋环境的各种参数。

同时，利用卫星遥感技术和海洋观测网络，可以实现对大范围海洋区域的长期监测，积累丰富的数据资源。

在建模方面，常见的方法包括射线理论模型、波动方程模型和抛物方程模型等。

射线理论模型将声波传播视为射线的轨迹，通过追踪射线在不同介质中的传播路径来计算声学参数。

这种模型计算速度快，适用于处理简单的海洋环境和高频声波。

波动方程模型则基于声波传播的基本波动方程，能够更准确地描述声波的传播特性，但计算量较大，通常用于低频声波和复杂环境的研究。

抛物方程模型是一种介于射线理论模型和波动方程模型之间的方法，它在处理水平方向上的声波传播时具有较高的效率和精度。

仿真过程中，还需要考虑边界条件和初始条件的设置。

边界条件包括海底边界、海面边界和无限远边界等。

海底边界通常根据海底的声学特性来设定，如海底的反射系数和吸收系数。

海面边界则要考虑海面的波动、风的影响以及空气与水的声阻抗差异。

初始条件则包括声源的位置、强度和频率等参数。

通过水下声学环境建模与仿真，我们可以实现许多重要的应用。

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水下壳体结构低频声辐射预报方法与试验测试技术研究
大长径比壳体结构是决定艇体低频噪声辐射性能的主要结构，研究其低频声辐射特性，对潜艇机械系统振动和辐射噪声的定量预估以及采取相应的减振降噪措施具有实际意义。

本文工作的主要目的有两个，一是根据艇体结构在低频段的声辐射特征及现有的预报方法特点，探索能够提高水下大长径比壳体结构低频振动响应和声辐射计算效率的预报方法；二是充分利用混响法在非消声水池中测量结果具有良好重复性的可信优势，扩展其低频应用，为实现潜艇辐射噪声的准确测量及对噪声源进行识别提供试验方法依据。

本文通过计算预报及试验测量两个层面展开了水下壳体结构低频声辐射特性的研究工作。

预报研究方面，首先采用模态展开法解析推导了简支在半无限长圆柱障板上的带声学覆盖层的水下加肋圆柱壳振动响应及辐射声场，该解析模型可以方便地退化为加肋圆柱壳和圆柱壳模型，便于验证后续数值计算及等效算法的正确性。

其次，建立了水下大长径比复杂壳体结构声辐射简化的有限元+边界元数值计算方法，采用ANSYS软件和SYSNOISE软件联合计算实现。

通过分析附连水对大长径比壳体结构低频振动的影响，得出对于水中大长径比壳体结构低频振动，流体对结构的耦合作用可以利用附加水质量以线密度增量的形式直接加载到结构中来近似。

进而在利用ANSYS计算水中大长径比壳体结构的低频振动响应时，选择不小于5倍壳体结构半径的有限流体域代替传统的以吸声边界半径尺度形成的巨大球形流体域，大大提高了数值计算效率。

接着，提出了一种利用水下梁模型等效计算大长径比(L/a>20)圆柱壳低频振动响应和辐射声功率的方法。

该等效模型基于欧拉梁理论，采用附加水质量近似流固耦合作用，通过计算梁的等效杨氏模量系数，使其与圆柱壳的梁式弯曲振动模态对应。

给出了不同长径比圆柱壳前五阶弯曲模态频率的等效杨氏模量系数曲线，利用梁模型并结合此曲线，可准确、高效预报水下圆柱壳前五阶梁式弯曲振动频率范围内的低频域辐射声功率。

最后，将该等效算法拓展至复杂壳体结构的低频辐射声功率的预报中，通过对不同边界条件、变截面线形、结构参数变化等因素的计算分析，表明等效梁算法在等效计算大长径比壳体结构低频辐射声功率具有普适性和高效性。

试验研究方面，提出了一种基于声场精细校准的声源辐射声功率混响法低频扩展测试技术，以实现复杂结构声源辐射声功率的混响法准确测量，该方法避免了传统混响测量技术中需要对非消声水池的混响时间进行测量，扩展了非消声水池中混响法在低于下限频率时的适用范围。

理论推导了绝对软边界的矩形混响水池内点源声场及均匀脉动球源辐射阻
的表达式，数值计算分析了该混响场与自由场均方声压及辐射阻比值的对应关系，分析了声源辐射阻对辐射声功率的影响，给出了混响法低频扩展测试技术原理的理论依据。

分别在消声水池和非消声水池中开展了典型声源及圆柱壳结构声源辐射声功率的测量试验研究，验证了利用混响法低频扩展测试技术在非消声水池中测量未知声源低频辐射声功率的准确性与有效性。

试验结果表明，运用该混响测试技术在下限频率为8000Hz的玻璃水池中对球形声源2000Hz以上范围进行辐射声功率测量，消除了玻璃水池中声场由简正波共振带来的剧烈起伏影响，准确得到声源在消声水池中的声功率，窄带谱偏差小于3dB，声功率级的1/3倍频程谱偏差小于1dB。

在非消声水池中运用该混响
测试技术在2000Hz以上范围测量圆柱壳结构的辐射声功率，采用不同已知声源对声场校准，得到的圆柱壳模型辐射声功率结果具有良好的一致性，和消声水池测量结果比较偏差小于1.5dB。