流激开孔和空腔结构耦合振动噪声试验研究

熊济时1,吕世金2,邱昌林1,王春旭1,陈志刚1

Chinese Journal of Ship Research - - 中国舰船研究 -

1 430064中国舰船研究设计中心,湖北 武汉2 214082中国船舶科学研究中心,江苏 无锡 摘 要:[目的]为了研究流激开孔和空腔结构耦合振动噪声,[方法]采用模型试验方法,通过改变孔腔开口大小、来流速度和腔体厚度等,分析其对剪切振荡噪声、腔体自噪声和辐射噪声的影响。[结果]研究表明:空气中的开孔剪切振荡经验公式同样适用于水中情况,剪切振荡频率和剪切振荡量级均与来流速度呈正比;未发生开孔和空腔耦合共振时,腔体壁面刚度仅略微影响剪切振荡量级,而不影响剪切振荡模态频率;在特定的开口和流速下,剪切振荡模态与弹性腔壁模态耦合,产生剧烈的谐频共振以及极大的自噪声与辐射噪声。[结论]研究

结果可为潜艇舷外开孔和附近结构设计,以及孔腔结构噪声控制提供有益的探索和技术支撑。关键词:剪切振荡;弹性腔壁;耦合共振中图分类号:U661.44 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1673-3185.2017.04.018

部区域造成湍流边界层脉动压力增大,激励潜艇轻外壳振动从而产生二次辐射噪声。国内外针对无孔板和开孔板水下振动及声辐Laulagnet[1射的研究较多。 ]采用解析法研究了Putra无孔简支薄板的振动与声辐射问题。 和Thompson[2]在 Laulagnet模型的基础上,采用解析法研究了空气介质中开孔板的振动与声辐射特性,研究结果表明,随着开孔率的增加,薄板的辐射效率降低,当开孔率相同时,随着开孔尺寸的减Burroughs Hankey 等[3-4]针小,辐射效率降低。 和对开孔声辐射进行研究,给出了开孔剪切振荡特征对辐射噪声的影响规律。陈美霞、赵志高和李Rayleigh林凌等[5-7]分别采用边界元法、有限元法与积分方法,研究了无孔加筋板的振动与声辐射问等[8]采题。邱昌林 用有限元与间接边界元相结合的方法,以开圆孔、四边简支、无障板的钢制平板为对象,开展了开孔板水下振动及声辐射特性研究,结果表明,开孔可显著改变平板水下振动与声等[9]开辐射特性。张媛 展了空气介质中矩形开孔板的固有特性,并研究了开孔尺寸和形状对薄板固有频率的影响规律。张楠等[10]基于大涡模拟方Kirchhoff法与 积分,探讨了水中孔腔流动的发声机理。王栋等[11]利用有限元方法计算了具有椭圆开孔薄板的前两阶固有频率,分析结果表明,开孔能显著改变矩形板的固有频率,其影响效果与矩形板的边界约束条件和开孔形状相关。通过分析开孔板结构振动与声辐射特性研究的现状发现,在该领域还存在着以下不足:一是目前的研究多集中于开孔板在空气中的振动与声辐射,对于开孔板在水下的振动与声辐射研究较少;二是缺乏水中复杂开孔板结构振动与声辐射的计算方法;三是有关水中流激开孔与空腔结构耦合共振特征的研究较少。本文拟针对流激开孔和空腔结构耦合振动噪声问题,采用模型试验方法,进行不同孔腔开口大小、来流速度、腔体厚度对开口剪切振荡噪声、腔体自噪声和辐射噪声的影响研究,用于为潜艇舷外开孔和附近结构设计,以及孔腔结构噪声控制提供有益探索与技术支撑。

1 试验相关情况

试验在中国船舶科学研究中心的高速方形小0~20 m/s,试 225 mm×水洞中进行,水速 验段尺寸225 mm×1 600 mm。由于试验段为拆分式,故可2 225 mm×以利用其中的 个部分:一个是长试验段225 mm × 845 mm 225 mm × ;另一个是短试验段 225 mm×350 mm。在长试验段,安装试验模型进行开孔剪切振荡特征声场试验及腔体自噪声测试;在短试验段的矩形腔体,设计透声窗进行流激开口和空腔辐射噪声测试。当出现流激共振现象时,自噪声和辐射噪声的量级将不满足随航速变化的规律。

1.1 试验模型

试验模型为由钢板围成的长方体腔体,如1 194 mm图 所示,开口宽度 (固定不变),长度320 mm,在 0~320 mm开口长度方向可实现 范围800 mm,的任意选取。此外,开口下方腔体的总深度360 mm,宽度 215 mm,通 2长度 过设置 种不同厚度的腔体壁面,对比研究壁面弹性对剪切振荡特征的影响。其中,腔体壁面厚度较薄的模型其首6Hz阶固有频率设计为 ,为简化描述,后文将腔体壁面厚度较薄的模型称为弹性壁,腔体壁面厚度较厚的模型称为刚性壁。

1.2 自噪声测试方案

自噪声测试的目的是分析流激开孔对空腔内部噪声的影响。自噪声测试利用方形水洞的长试225 mm×验段,将试验模型安装到试验水洞225 mm×845 mm的观察窗部位,考虑到安装需194 mm,长 320 mm,可要,开口宽度设计为 度 实0~320 mm现 范围的任意选取。在模型中设置p1~p4 4共 个水听器,用于监测模型腔体内部不同2 3部位的自噪声,如图 和图 所示。

1.3 辐射噪声测试方案

辐射噪声测试的目的是分析流激开孔和空腔的辐射特性。辐射噪声测试主要利用方形水洞225 mm×225 mm×350 mm的短试验段。在该试验

Fig.1 图1 试验模型The experimental model

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