水中弹性球壳的共振声辐射理论

为了深入认识水中结构的声辐射机理,木文提出一个称为共振辐射理论（ResonanceRadiationTheory－RRT）的新理论。它是由共振散射理论（ResonanceScatterinyTheory－RST）推广得到的。对于一个在内壁简谐力激励下的水中弹性球壳,从经典的Rayleish简正级数解出发导出了共振辐射公式。水中薄钢球壳的辐射分波的数值计算表明,辐射形态函数与散射形态函数相似。由复共振极点参数按照共振辐射公式合成的辐射声功率曲线与严格理论的计算结果符合良好。     

三弹性圆柱壳体多重耦合声辐射计算方法

为研究多圆柱壳组合结构的声辐射特性,采用模态叠加法建立了3个并排无限长弹性圆柱壳的振动声散射耦合物理模型,充分考虑了三圆柱壳的表面振动与散射声场的耦合,其中散射声场可分解为各圆柱壳刚性散射声场和弹性辐射声场的叠加,数学上将各壳间的声场耦合关系通过柱函数加法公式描述。利用该物理模型,分析了多重散射对稳态声场求解结果的影响,比较了三圆柱壳耦合系统与单个圆柱壳系统的辐射声场指向性、声压级及辐射声功率级的差异及其产生机理,结果表明:结构弹性耦合声辐射不仅在低频对总声场有显著影响,在高频范围也不可忽略;另外,针对本文设定参数的组合圆柱壳,在150 Hz以上频段,两旁圆柱壳对中间圆柱壳在正横方位产生了声辐射遮蔽效应,垂直方位则体现声泄漏作用。本文建立的方法可推广到三维空间任意多壳结构的声振耦合建模。      

平面声波斜入射到水中无限长圆柱壳体的纯弹性共振散射

斜入射情况下水中弹性圆柱壳体的共振声散射问题至今还很少被研究。本文导出了平面声波斜入射时水中无限长圆柱壳体纯弹性共振散射函数的简单而明显的表达式。针对中空铝圆柱壳体（ｂ／ａ＝０．８）详细计算了不同入射角时纯弹性共振散射的分波共振谱，同时还给出了远场反向散射形态函数及其刚硬背景隔离，发现形态函数受吻合频率的影响很大。文中详细计算了斜入射时无固次复频率平面上的共振复极点分布，并由此计算了不同入射角时各阶共振模式，特别是附加共振模式所对应螺旋环绕波的相速度频散曲线。这些结果十分有助于认识声波斜入射下圆柱壳体的共振和再辐射的物理本质。     

环筋对水下平底圆柱壳的声振特性影响

本文建立了计算两端带平底板的有限长圆柱壳水中声辐射的FEM／BEM三维模型，探索了加筋的高度、宽度、数目对平底圆柱壳的辐射功率、辐射效率、法向声强、声场指向性的影响规律。计算方法是在有限元软件ANSYS中做加筋平底圆柱壳建模、模态分析基础上，将有关数据（网格、模态）导入边界元软件SYSNOISE中计算流体结构耦合状态下的辐射声场特性。结果表明：（1）随着环筋高度、宽度增大，激励点声压峰和法向声强峰在0-400Hz频率范围内数目减少且峰向高频方向移动，同时辐射声功率在减小（除个别模态峰值外），而辐射效率随筋高增大而增大。（2）环筋数目的增加使激励点辐射声压和法向声强峰数目明显减少，使辐射声功率明显低于无筋圆柱壳的辐射声功率，辐射效率随环筋数目增大而增大。（3）环筋宽度变化对声场指向性影响不大；圆柱壳声场指向性随环筋高度和数目增加出现较大变化，尤其是在研究的频段内的f=51Hz和f=301Hz上。这对于水下结构辐射噪声预报以及噪声抑制具有重要意义。     

覆盖多柔性层的有限长圆柱壳声辐射特性

研究了有限长圆柱壳覆盖多层柔性材料的声辐射特性.根据相邻柔性层界面上的边界条件推导了柔性层系的传递矩阵,结合薄壳理论和声波动方程建立了分析覆盖多柔性层后圆柱壳声辐射的理论模型.通过数值计算表明,减小柔性层的声速或者密度均能增加辐射声功率降低量,而采用多柔性层结构能比相应的单层均匀柔性材料获得更好的降噪效果.     

降低加肋双层圆柱壳辐射噪声线谱的结构声学设计

为降低双层圆柱壳辐射噪声线谱,从控制内壳振动响应和衰减壳间振动传递率进行结构声学设计。采用机械阻抗理论分析了环肋圆柱壳模态响应控制机理;由环肋振动方程推导分析了环肋径向机械阻抗特性;基于阻抗失配、波形转换原理提出一种阻抗加强环肋,分析了振动波阻抑特性;利用阻尼减振技术,综合考虑肋板的刚度、阻尼特性,设计了金属橡胶层叠肋板;结合数值计算实例,分析了设计双层壳模型的声辐射性能。结果表明:设计的双层加肋圆柱壳结构能有效降低辐射噪声线谱,在分析频段内辐射声压线谱平均降低约6.6 dB。研究结果对研制低噪声水下航行器具有良好的工程价值和应用前景。      

水下弹性圆柱的共振散射

当声波频率与水下弹性圆柱的某一模式的共振频率相符时,圆柱受声波激励产生的共振振动向周围介质辐射的声波最强。国内、外研究表明,对一般的金属圆柱而言(其弹性纵波与切变波速度大于水中声速),在与入射波方向相反的方向上,由于这种辐射声波与圆柱表面的几何反射波位相相反,因此两者干涉的结果形成了在共振频率上出现反向散射声振辐的极小值。本文揭示了一种新的情况,即对于弹性切变波波速小于水中声速的一种材料做成的圆柱体,无论是理论计算和实验测量,均表明在共振频率上出现反向散射振幅的极大值。     

准周期加隔板有限长圆柱壳声散射

研究准周期加隔板有限长圆柱壳在水中的声散射特性,隔板位置存在小的随机偏差.首先给出理论推导,通过计算周期加隔板情况验证理论公式的正确性.然后以角度-频率谱形式给出准周期加隔板圆柱壳声散射计算结果.计算表明隔板的准周期性导致Bloch-Floquet弯曲波和散射声场背景出现扩散和增强现象,而近乎平行于横轴的由隔板共振引起的亮条纹被散射声场背景所掩盖.最后讨论了随机因子、隔板个数以及隔板间距对Bragg散射的影响.计算表明随机因子越大Bragg散射条纹的频率范围越宽扩散越明显,隔板个数越多Bragg散射条纹的频率范围越窄能量越集中,隔板间距变大时Bragg散射条纹增多而且越高阶次的Bragg散射条纹扩散越严重.根据Bragg散射的几何特征导出的近似估算公式可以较准确预报Bragg散射在频谱图上的位置,也可以大致预报隔板准周期排列时Bragg散射的扩散现象.     

内部体积源作用下的圆柱壳内外声场特性

圆柱壳内各型体积源辐射噪声特性研究是声场建模和声场预报的前提.为了研究具有指向性的大尺度体积源特性对水下航行器结构内外声场的影响,本文结合薄壳理论、等效源和柱腔Green函数构造了体积源激励下的壳体振动耦合方程,研究了体积源表面声散射作用和指向性强弱对圆柱壳内外声场的影响.数值计算结果表明,体积源构造的准确性与其等效源位置有关,等效源配置在体积源几何中心与其结构表面之间0.4—0.6时,可以提高声场计算结果的准确性;大尺度体积源表面的声散射作用会导致壳体内部声场结构发生改变,内声场声腔共振峰发生偏移,并且在部分频段引起较强的声透射现象;此外,体积源指向性变化对壳体内外声场强弱影响较小,其显著作用表现在改变了外辐射声场的远场指向性.该研究结果对噪声预报和控制有一定的参考价值.     

有吸收流体介质中典型弹性壳体的共振散射

研究了环境流体有吸收时弹性球壳和圆柱壳的共振散射特性。利用严格弹性理论和分离变量法导出的经典简正级数解仍然成立。但是,散射形态函数要根据介质吸收而进行修正,否则将得到不合理的结果。重新定义了有吸收介质中的反向散射形态函数,计算了各种吸收条件下中空和有固体填充物的弹性球壳和圆柱壳的形态函数。结果表明,环境流体的吸收导致中频段的吻合共振显著减弱,但对壳内填充物的低频共振影响较小。     

水下三弹性柱壳耦合声散射特性研究

为研究3个并排无限长弹性圆柱壳受垂直于柱轴方向的平面声波作用的声散射特性,采用Fourier级数展开法建立了圆柱壳声散射数学物理模型,考虑了三圆柱壳弹性振动声辐射和刚性声散射,建立了3个壳体辐射声场和刚性散射声场的耦合作用关系,比对了等效散射强度的刚性散射分量与弹性散射分量,并分析了三壳体等效散射强度特性。计算结果表明:当ka₂>40,在频率f=3000 Hz以上频段,弹性分量对等效散射强度变化趋势的贡献可以忽略。当ka₂>30,在频率f=2400 Hz以上频段,弹性散射分量对等效散射强度影响不超过3 dB;三壳与单壳的等效散射强度在0°入射角方位相当,其它方位三壳体等效散射强度明显大于单壳体。本文的理论公式可推广到任意数量阻抗柱的声透射和声反射问题。      

三维浅海下弹性结构声辐射预报的有限元-抛物方程法

利用多物理场耦合有限元法对结构和流体适应性强、抛物方程声场计算高效准确的特点,提出了三维浅海波导下弹性结构声振特性研究的有限元-抛物方程法.该方法采用多物理场耦合有限元理论建立浅海下结构近场声辐射模型,计算局域波导下结构声振信息,并提取深度方向上复声压值作为抛物方程初始值;然后采用隐式差分法求解抛物方程以步进计算结构辐射声场.重点介绍了该方法对浅海下结构声辐射计算的准确性、高效性以及快速收敛性后,对Pekeris波导中有限长弹性圆柱壳的声振特性进行了分析.研究得出,当圆柱壳靠近海面(海底)时,其耦合频率比自由场下的要高(低),当潜深达到一定范围时,与自由场耦合频率基本趋于一致;在低频远场,结构辐射场与同强度点源声场具有一定的等效性,且等效距离随着频率增加而增加;由于辐射声场受结构振动模态、几何尺寸和简正波模式影响,结构辐射场传播的衰减规律按近场声影响区、球面波衰减区、介于球面波和柱面波衰减区、柱面波衰减区四个扩展区依次进行.     

水中矩形板的共振声辐射

研究共振声辐射理论(Resonance Radiation Theory:RRT)在水中矩形板的应用。导出了矩形板的共振声辐射公式、并数值验证了其适用性。深入分析了有流体负荷矩形板的复共振频率的物理意义及其与导纳留数、模态辐射率的关系,复共振频率的实部表示实际共振频率,虚部反映模态辐射能力。根据复共振频率容易找到辐射能力相对较强的模态,为有针对性控制声辐射提供了新的思路。鉴于复平面搜根求解模态复共振频率的困难,针对矩形板的特点提出了一种求解复共振频率及留数的快速方法。结合该方法及RRT,提出了一种快速计算辐射声功率的方法,数值验证表明该方法精度高、速度快。      

水下双层圆柱壳体结构辐射噪声实时预报方法研究

根据Sommerfeld辐射条件和统计能量假设定义了具有方向性特征的声辐射系数,再结合声辐射效率特性定义了新的参数声辐射因子。在外壳体表面速度实时重构理论基础上提出了用声辐射因子实现水下双层圆柱壳体结构辐射噪声实时预报的方法,还提出了有限长水下圆柱壳体结构声辐射因子的试验测量方法。水下声学试验研究表明该方法预报的辐射声压与实测值吻合较好,能满足水下噪声预报的实时性、远场指向性和工况适应性等计算要求。      

周期性加隔板有限长圆柱壳声散射

研究内部真空周期性加隔板圆柱壳在水中的声散射特性.壳体振动用薄壳理论的Donnell方程描述,隔板振动用相互独立的薄板纯弯曲振动和平面应力状态下的振动方程描述.考虑轴向、切向、径向三个方向的力和弯矩共同作用导出了散射声场的解析表达式.数值计算给出远场收发合置情况下的角度-频率谱图,并据此进行机理分析.通过与内部周期性加环肋圆柱壳声散射的角度-频率谱图比较发现,除周期加肋产生的Bragg散射波与弯曲Bloch-Floquet波外,加隔板的情况还存在明显的隔板共振亮线,并且发生隔板共振与壳体弹性波、Bragg散射波、弯曲Bloch-Floquet波耦合的现象.通过实验对理论进行了验证,在实验的频率范围内,Bragg散射亮线与理论符合得很好,部分Bloch-Floquet波散射亮线和隔板共振散射亮线也与理论符合.     

敷设阻尼材料的环肋柱壳声辐射性能分析

系统地研究了敷设阻尼材料的环肋圆柱壳振动和声辐射性能,分析了静水压力,阻尼材料的物理性能、厚度、材料损耗因子对环肋圆柱壳声辐射性能的影响,可供从事潜艇隐身技术研究的工作者参考。     

充水圆柱壳声散射的环绕波分析

研究了内部充水圆柱壳散射声场的构成。采用弹性薄壳理论和Sommerfeld-Watson变换(SWT)方法导出散射声场的解析解。数值搜索环绕波的复波数极点,比较圆柱壳体内部真空和内部充水两种情况下表面环绕波的相速度、衰减等性质。用镜反射波和环绕波的叠加合成反向散射形态函数,与简正级数解符合良好。计算流体附加环绕波的回波时序并与实验数据对照。结果表明,流体附加环绕波的再辐射是内部充水圆柱壳的形态函数出现更加丰富的共振峰和回波结构形成的重要原因。      

水下弹性球壳被激振动和辐射声的时域特性研究

本文在时域上对水下球壳在球冠形均匀单频填充脉冲力源作用下的振动和辐射声问题进行分析和计算。结果表明:在长脉冲力作用下,根据填充频率不同,会激起不同模态振动和产生长的共振辐射声或拍频辐射声,但有一部分模态对远场声辐射的贡献甚微;在短脉冲力作用下,脉冲波在球壳上传播一般会发生展宽和变形。文中还应用DAA2方法简化水——壳体耦合关系和边界元方法计算辐射声场。与精确解比较可知,DAA2方法的结果是令人满意的。     

球形粒子在Bessel波束照射下的轴向辐射力计算和分析

通过声散射理论,将水中粒子的Bessel波束声散射场的分波序列(PWS)表达公式加以推广,进而推导出声辐射力的表达公式,获得了液体球及弹性球在Bessel波束下声辐射力的变化规律。通过观察不同散射角形态函数,可发现声辐射力的产生与粒子背向散射抑制程度有关。对于液体球粒子,球壳厚度及材料介质对粒子声辐射力有着重要的影响,同时Bessel波束波锥角越大,产生负声辐射力的可能性越大。对于弹性球和弹性单层壳粒子,声辐射力的产生与其本身的共振特征存在很大的关系。同时,通过改变球壳内介质及壳层厚度的方法,可增加产生的负声辐射力的频率范围及幅值强度.      

水中有限长加肋圆柱壳体振动和声辐射近似解析解

加肋圆柱壳体是水下航行器的主要结构形式。将肋骨对壳体的作用简化为只有法向力,本文导出了水中有限长加肋圆柱壳体的振动和声辐射的近似解析解。其中肋骨的作用表现为在无肋的耦合振动方程中增加附加阻抗,因此壳体的振动和声辐射由壳体的机械阻抗、流体的辐射声阻抗和肋骨的附加阻抗所决定。数值计算例子表明,在低频情况下,加肋对辐射声功率影响不大,但将降低表面平均振速,从而增加声辐射效率。