三维浅海下圆柱壳声辐射预报方法研究.docx

? ? 三维浅海下圆柱壳声辐射预报方法研究 ? ? 钱治文， 何元安， 商德江， 肖 妍， 史 博 （1. 天津大学 海洋科学与技术学院， 天津300072； 2. 哈尔滨工程大学 水声工程学院，哈尔滨150001； 3. 中国船舶工业系统工程研究院， 北京100036） 0 引 言 我国海洋领土大多属于水深小于200 m 的典型浅海环境， 潜器在浅海所处的声场环境并非理想的自由场，存在水面和水底的反射、散射作用[1]，其声场特性与结构本身和浅海环境两者密切相关。 研究浅海下结构辐射声场特性，对开展浅海环境下结构振动辐射噪声实时监测预报、声学隐身性能评价以及浅海环境参数对辐射声场影响分析等研究领域具有重要的理论和应用价值， 是今后我国水声技术领域长期关注的热点和难点问题之一。 然而，目前关于水下弹性结构耦合振动与声辐射问题的研究，大多考虑无界或半空间流体域下的近距离辐射声场问题[2-3]。 对于浅海环境下结构辐射声场问题，国内外很少涉及该方面的研究，因该研究在试验法、解析法和数值法研究过程中均遇到了难题，有效开展工作较为困难；试验法周期长成本高，数值法受网格划分以及计算量的严重制约，解析解法目前只能针对理想浅海环境下简单结构声场问题[4-5]。为了解决浅海下弹性结构声辐射研究所遇到的这些难题，本文引入了一种对结构和流体环境适应性很强且计算高效的研究方法:波叠加法（Wave Superposition Method，简称WSM）。Koop-mann 等[6]最先提出了利用波叠加法进行结构辐射声场的计算，Miller 和Fahnline 等随之对稳定性、 计算精度和效率进行了分析[7-8]。波叠加法以适应性强、计算效率高的优势逐步地成为了研究弹性结构声辐射的重要方法之一，近年来受到了国内学者极大的关注，并广泛应用于自由场或半空间流体环境下的近场声全息[9-11]、结构声辐射预报[12-13]和噪声源识别[14-15]等研究领域。 但采用波叠加法进行浅海下结构声辐射的研究却很少，因为浅海下结构辐射声场问题涉及流体、结构和浅海上下边界等多个物理场之间的相互耦合作用，导致结构表面振动速度难以准确获取，从而无法进行波叠加法的准确计算。 也有部分研究把浅海下结构辐射源视为点声源，但这样直接忽略了结构与流体、结构与环境的耦合作用和近场声辐射特性。 导致目前尚无高效可靠的研究方法进行浅海环境下弹性结构声辐射预报的有效研究，但它对浅海下结构声辐射预报、源识别和噪声控制等具有重要的意义，急需探索一种新方法来解决浅海下结构声辐射预报问题[16]。 本文提出了一种三维浅海波导下弹性结构辐射声场预报的理论方法。 该方法首先利用有限元法建立了浅海波导下结构声辐射多物理场耦合有限元模型； 计算获取在考虑流体环境和浅海波导上下边界耦合影响下结构表面振动数据，然后采用波叠加法和浅海声场传输函数进行虚拟源源强求解，最后进行弹性结构辐射声场的等效叠加计算。 经有限元法和解析解法验证该方法的正确性后，研究了典型弹性圆柱壳在理想浅海波导下的辐射声场特性， 为今后开展复杂浅海环境下大型弹性结构声辐射预报研究提供了一种新途径。 1 理论模型 1.1 浅海波导下点源声传播模型 考虑声源为水下简谐点源，设海水为理想介质，压力p 满足非齐次亥姆霍兹方程 式中:▽2为拉普拉斯算符，c 为流体声速，r→为声源到场点的矢量距离，δ r→（）为狄拉克函数，A 为点源强度幅值，j 为复数虚部，ω 为角频率。 由于声场具有圆柱对称性，选用柱坐标下，以通过点源且垂直向下的方向为z 轴，垂直于z 轴的方向为r 轴，方程可以写成[1] 式中:k0为流体介质中声波波数，定义为k0=ω/c，z0为声源在z 轴上的位置。 采用简正波理论求解式，可得浅海波导下点源声场表达式p （r, z ）即浅海波导传输函数G （r, z ）为 海面通常为Dirichlet 边界条件，满足的边界条件为 海底是一个反射和散射边界， 典型海底边界模型有Neumann 边界、Rayleigh 定律、Sommerfeld 模型、Cauchy 边界和地声模型等。 在Neumann 边界、Rayleigh 定律和Sommerfeld 模型的交互面上，满足声学边界方程为 1.2 波叠加法模型 建立如图1 所示的三维浅海下结构声辐射波叠加法计算理论模型，流体密度为ρ1，声速为c1；结构中心和点源在海面的投影为o 和o′，o-xy 和o′-x′y′与海面重合，o-xyz 为全局坐标系，o′-x′y′z′为各虚拟源的局部坐标系，oo′连线延长线为y′轴，o′y′与oy 的夹角为θ； 振动体表面记为S′，n 为结构表面的外法向矢量，zs为结构中心在竖直方向的位置；S 为与结构面共形的等效源面，Q 为虚拟源，z0i为各虚拟源在局部坐标中