CN109657262B - 船舶自由场水下声辐射远场判据方法 - Google Patents

船舶自由场水下声辐射远场判据方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种船舶自由场水下声辐射远场判据方法，利用船舶图纸建立全船及周围流体有限元模型；获得用于计算全船振动响应的输入激励；利用有限元法计算船体振动湿模态，基于模态叠加法计算全船振动响应；建立船舶声辐射计算边界元模型；将船体湿水表面外壳振速插值映射到边界元网格中，作为船舶水下声辐射计算的边界条件；建立不同水深及辐射半径下的船舶水下声辐射指向性场点，利用边界元法计算船舶不同频率下的声辐射指向性；对船舶声辐射指向性进行分析，判断船舶水下声辐射远场距离。本发明利用声辐射指向性作为船舶远场判据方法具有较好的直观性，可应用于各类船舶及潜艇的水下声辐射远场判据。

Description

船舶自由场水下声辐射远场判据方法
技术领域
本发明涉及工程力学和声学技术领域，具体地，涉及一种船舶自由场水下声辐射远场判据方法。
背景技术
船舶在航行过程中，其内部主要动力设备(主机、柴油发电机组等)会产生振动从而引起船体振动，船体振动会引起周围流体运动产生水下声辐射，对军用船舶而言，衡量舰船声隐身性能最重要的指标就是舰船水下辐射噪声。
船舶水下辐射声场存在远场和近场，辐射声压在近场具有较大的波动。获得较为准确的远场距离对于提高船舶水下辐射声功率测量准确度具有重要的意义。文献1(中国舰船研究2006年1月第1期)采用经验公式0.2λ+D/2作为水下结构远场条件；文献2(中国造船2002年2月第44期)对圆形舱段结构进行了水下声辐射测试，根据测量点声压衰减规律来确定远场距离。
目前学者们主要基于工程经验及试验测量的方式进行水下结构远场判据研究，从仿真角度上对实际船舶的水下声辐射远场判据研究还鲜有涉及。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种船舶自由场水下声辐射远场判据方法，从声辐射指向性角度给出船舶声辐射远场位置。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种船舶自由场水下声辐射远场判据方法，包括如下步骤：
S1，利用船舶图纸，建立全船及周围流体的有限元模型；
S2，利用非对称算法，计算有限元模型的船体振动湿模态；
S3，获得计算船体振动响应的输入激励；
S4，采用模态叠加法，利用S3获得的输入激励计算有限元模型的船体振动响应；
S5，建立有限元模型的湿水表面边界元模型和水下声辐射边界元计算模型；
S6，将湿水表面边界元模型的湿水表面外壳振速插值映射到水下声辐射边界元计算模型的边界元网格中，作为船舶水下声辐射计算的边界条件；
S7，在船舶水下声辐射计算的边界条件下，建立不同水深及辐射半径下的船舶水下声辐射指向性场点，利用边界元法计算船舶不同频率下的水下声辐射指向性；
S8，对船舶水下声辐射指向性进行分析，判断船舶水下声辐射远场距离。
优选地，所述S1中，包括如下步骤：
S11，利用图纸建立船体几何模型，对船体几何模型进行离散化，根据船体不同构件特点赋予不同的单元、材料及属性；
S12，对船体几何模型的结构进行有限元网格划分，其中，每个声波波长内包括6-10个单元；
S13，用两端各带有四分之一球体的半圆柱体模拟周围流体的外流场截断模型，其中，流场域截断半径满足：
R≥D/2+0.2λ＝D/2+0.2v/f
式中，Rf为圆柱体半径，D为船宽，λ为波长，v为水中声速，f为频率；
S14，采用Fluid30模拟周围流体，并在周围流体外表面建立的无限声学吸收单元；
S15，进行FSI流固耦合，其中，与船体几何模型接触的流体单元单独选出，该层流体单元的节点与船体湿水表面外壳单元节点一一对应；耦合面上的流体单元保留节点三个方向位移自由度和压力自由度，其余的流体单元保留压力自由度。
优选地，所述S2中，计算船舶振动湿模态的条件为，仅考虑舷外水的惯性影响。
优选地，所述S3中，通过动力设备激励实船测试，获得主要动力设备激励频谱作为输入激励；其中，主要动力设备包括主机、柴发机组及齿轮箱，测试对象为动力设备机脚振动加速度，利用大质量法将测试得到的机脚振动加速度等效为激励力，然后施加在相应动力设备的质量点上，其中大质量取为实船质量的100万倍。
优选地，所述S4中，计算船体振动响应的频率范围为20-200Hz，频率间隔为2Hz；还包括如下步骤：对船体局部位置振动进行实船测量，并与仿真计算结果进行对比，以保证全船模型及振动计算的正确性。
优选地，所述S5中，建立湿水表面边界元模型为，提取出船体的水下湿水表面网格，按照流体波长划分单元生成边界元网格，其中，在划分边界元网格时，一个声波波长内至少包括6个单元。
优选地，所述S5中，建立水下声辐射边界元计算模型为，设置外场的流体属性，取水的密度为ρ＝1 025kg/m3，水中的声速为ν＝1 500m/s；设置边界元网格在朝向舱内一面的声压为零，在水线处沿Z方向设置反对称边界条件模拟自由液面，保证在水面处的声压为零；
优选地，所述S7中，计算船舶不同频率下的水下声辐射指向性，求解的频率范围为20-200Hz，频率间隔为2Hz。
优选地，所述S7中，建立不同水深及辐射半径下的船舶水下声辐射指向性场点，包括：
-以船舶中心点水下50米处为圆心，建立不同半径下的平行于xy平面的水下声辐射指向性平面场点；
-以船舶中心点水下不同深度为圆心，建立半径为50米的平行于xy平面的水下声辐射指向性平面场点。
优选地，所述S8中，提取不同情况下的场点辐射声压，绘制相应的声辐射指向性图，判断船舶水下声辐射远场距离。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明从仿真角度对船舶水下声辐射远场判据进行了研究，利用声辐射指向性作为远场判据方法，具有较好的直观性。
2、本发明可应用于各类船舶及潜艇的水下声辐射远场判据。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例建立的船及周围流体的有限元模型；
图2为本发明一实施例中船体振动湿模态；其中，(a)为一阶垂向振动(1.645 5Hz)湿模态，(b)为一阶水平振动(1.837 8Hz)湿模态，(c)为二阶垂向振动(3.062 4Hz)湿模态，(d)为二阶水平振动(4.204 6Hz)湿模态；
图3为本发明一实施例中动力设备激励实船测试中得到的激励频谱；其中，(a)为主机机脚振动加速度激励频谱，(b)为齿轮箱振动加速度激励频谱，(c)为柴发机组机脚振动加速度激励频谱；
图4为本发明一实施例中船体在不同频率下的振动响应云图；其中，(a)为40Hz，(b)为80Hz，(c)为100Hz，(d)为120Hz，(e)为180Hz，(f)为200Hz；
图5为本发明一实施例中船体振动响应仿真与实测对比；其中，(a)为上甲板各测点对比，(b)为机舱舱壁及舱室各测点对比；
图6为本发明一实施例中船体湿水表面边界元模型；
图7为本发明一实施例中船舶水下声辐射边界元计算模型；
图8为本发明一实施例中不同频率下、水深50m时不同半径下的船舶水下声辐射指向性图；其中，(a)为28Hz，(b)为36Hz，(c)为70Hz，(d)为112Hz，(e)为140Hz；
图9为本发明一实施例中不同频率下、半径50m时不同水深下的船舶水下声辐射指向性图；其中，(a)为28Hz，(b)为36Hz，(c)为70Hz，(d)为112Hz，(e)为140Hz；
图10为本发明提供的船舶自由场水下声辐射远场判据方法流程图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
实施例
对于一般声源，辐射声压在远场中随着距离的增加而减小。对于结构声源，假设其声压为
Figure BDA0001845191330000041
在声场远场时满足：
Figure BDA0001845191330000051
式中：r为场点到等效声源的距离；pequ为等效声压幅值。
远场声压的指向性函数为：
Figure BDA0001845191330000052
由式(2)可见，远场的辐射声压指向性函数与r无关，即声压指向性不随距离的变化而变化。本发明基于船舶的辐射声压指向性对其声辐射远场进行判定，当船舶的声辐射指向性不再随距离的改变而改变，此时就可以确定出远场的位置。
本实施例基于以上原理，提供了一种船舶自由场水下声辐射远场判据方法，包括如下步骤：
利用船舶图纸建立船舶及周围流体有限元模型，并进行FSI流固耦合；
利用非对称法计算船舶振动湿模态；
通过实船测试获得主要动力设备激励谱，该频谱是输入激励源，是后续整个船舶振动响应计算的“输入激励”，本实施例选择实船测试得到后续整船振动响应计算的“输入激励”；需要说明的是：本发明所提供的船舶自由场水下声辐射远场判据方法不受上述输入激励的影响，任何形式的输入激励均能够实现该方法；
利用模态叠加法计算船舶振动响应；
建立船舶边界元模型并进行边界元网格划分，划分网格时要保证一个声波波长内至少6个单元；
建立不同水深及不同辐射半径下的声辐射指向性场点；
将船体湿水表面振速插值映射到边界元网格中；
利用边界元法计算船舶不同频率下的声辐射指向性。
本实施例对不同频率下的船舶水下声辐射指向性进行分析，当船舶的声辐射指向性不再随距离的改变而改变，此时就可以确定出远场的位置。
下面结合附图对本发明上述实施例的技术方案进一步详细说明。
步骤1：建立船体及周围流体的有限元模型，如图1所示。
以某型近海油船为研究对象，根据船舶图纸，建立船体几何模型，然后对船体几何模型进行离散化，根据船体不同构件特点赋予不同的单元、材料及属性。对船体几何模型的结构进行有限元网格划分，在进行有限元网格划分时，为保证后续有限元法进行船体结构振动响应计算的精度，故而保证每个波长内包括6-10个单元。
用两端各带有四分之一球体的半圆柱体模拟周围流体的外流场截断模型，其中截断尺度与声波波长以及舰船结构尺寸密切相关，对于船舶而言，其流场域截断半径应满足：
R≥D/2+0.2λ＝D/2+0.2v/f (3)
式中，Rf为圆柱体半径，D为船宽，λ为波长，v为水中声速，f为频率。
周围流体用Fluid30模拟，同时在周围流体外表面建立无限声学吸收单元，利用Fluid130单元模拟。做FSI分析(双向流固耦合分析)时要注意：①与结构(船体几何模型)接触的流体单元要单独选出，并保证该层流体单元的节点与船体湿水表面外壳单元节点一一对应；②耦合面上的流体单元保留节点三个方向位移自由度和压力自由度，其余的流体单元只保留压力自由度。
步骤2：计算有限元模型的船体振动湿模态，如图2中(a)～(d)所示。
假设流体是理想、无旋、不可压缩的，仅考虑舷外水的惯性影响。利用非对称算法计算船舶振动湿模态。
步骤3：通过动力设备激励实船测试，获得主要动力设备激励频谱，激励频谱如图3中(a)～(c)所示。
主要动力设备为主机、柴发机组及齿轮箱，测试对象为动力设备机脚振动加速度，由于某些软件不支持加速度的激励加载方式，故需要将测试得到的设备机脚加速度等效为激励力，本发明实施例中利用大质量法将加速度等效为激励力，然后施加在相应动力设备的质量点上，其中大质量取为实船质量的100万倍。
步骤4：计算全船振动响应，全船振动云图如图4中(a)～(f)所示。
采用模态叠加法计算全船的船体振动响应，计算频率范围为20-200Hz，频率间隔取2Hz。还包括如下步骤：对船体局部位置振动进行实船测量，并与仿真计算结果进行对比以保证全船模型及振动计算的正确性，对比结果如图5中(a)和(b)所示。
步骤5：建立有限元模型的船体湿水表面边界元模型，如图6所示。
提取出船体的水下湿水表面网格，按照流体波长划分单元生成边界元网格。在声学边界元分析中，为保证计算精度，本发明上述实施例中划分边界元模型网格时保证了一个声波波长内至少包括6个单元。
建立有限元模型的船舶水下声辐射边界元计算模型，如图7所示。
设置外场的流体属性，取水的密度为ρ＝1 025kg/m3，水中的声速为ν＝1 500m/s。由于水线以下部分船体内侧一般为空气，因此需要设置边界元网格在朝向舱内一面的声压为零。由于船舶流场域存在自由液面，因此本发明实施例在水线处沿Z方向设置反对称边界条件模拟自由液面，保证在水面处的声压为零。
步骤6，将湿水表面边界元模型的船体湿水表面外壳振动速度插值映射到水下声辐射边界元计算模型的边界元网格中，作为船舶水下声辐射计算的边界条件，在不同水深及辐射半径处建立声辐射指向性场点，最后利用边界元法求解船舶水下辐射噪声，求解频率范围为20-200Hz，频率间隔取2Hz。
步骤7：船舶声辐射指向性计算。
在船舶水下声辐射计算的边界条件下，建立不同水深及辐射半径下的船舶水下声辐射指向性场点，利用边界元法计算船舶不同频率下的水下声辐射指向性；
步骤7中建立的声辐射指向性场点，主要分为两种情况：(1)以船舶中心点水下50米处为圆心，建立不同半径下的平行于xy平面(水平方向中截面)的声辐射指向性平面场点；(2)以船舶中心点水下不同深度为圆心，建立半径为50米的平行于xy平面的声辐射指向性平面场点。
在步骤7中船舶水下声辐射计算完成后，提取不同情况下的场点辐射声压，利用编写好的程序绘制相应的声辐射指向性图，如图8中(a)～(e)和图9中(a)～(e)所示。
步骤8，对船舶水下声辐射指向性进行分析，判断船舶水下声辐射远场距离。
由图8中(a)～(e)可见：在所给出的所有频率点处，水深固定时，当声压水平辐射半径达到80米后，辐射声压指向性旁瓣数不再发生改变，指向性变化规律基本一致，也就是说辐射半径达到80米后，船舶的辐射声压指向性不再随着距离的变化而变化。故对于本船，在水深50米处，当水平辐射半径达到80米时已为其声辐射远场。
由图9中(a)～(e)可见：在所给出的所有频率点处，当水深达到80m后，辐射声压指向性旁瓣数不再发生改变，指向性变化规律基本一致，也就是说当水深达到80m后，船舶的辐射声压指向性不再随着距离的变化而变化。故对于实例船舶，虽然水平辐射半径为50m时尚未到达其远场位置，但当水深达到80m时已为其声辐射远场。
本发明基于船舶的辐射声压指向性对其声辐射远场进行判定具有较好的直观性，当船舶声辐射指向性不再随着距离的改变而改变，此时就可以确定出辐射远场的位置。
在此需要指出的是，船舶水下声辐射远场距离与辐射源尺度平方成正比，与波长成反比。本发明在进行油船水下声辐射远场判据时主要研究的频率范围为中低频(20～200Hz)，随着分析频率的升高，80m可能满足不了较高频率处的远场条件，远场距离与频率间的关系有待于进一步的研究，本发明仅将辐射声压指向性作为声辐射远场判据方法加以探索分析。
本发明上述实施例提供的船舶自由场水下声辐射远场判据方法，根据船舶图纸，建立船舶及周围流体有限元模型并进行FSI流固耦合；利用非对称法计算船舶振动湿模态；利用模态叠加法计算船舶振动响应；提取船体湿水表面外壳，划分单元形成船体边界元网格模型；建立不同水深及辐射半径下的船舶声辐射指向性场点；将船体湿水表面振速插值映射到响应的边界元网格模型中，作为船舶声学计算的边界条件；在水线位置处设置反对称边界条件，模拟自由液面；设置船体内部声压为零的边界条件；利用边界元法求解船舶水下辐射声功率及指向性场点辐射声压；提取指向性场点辐射声压，绘制船舶水下声辐射指向性极坐标图。本发明上述实施例通过分析船舶水下声辐射指向性特征，当指向性规律不随距离改变时即可确定出船舶声辐射远场距离。
以上描述了本发明的具体实施方式，但这仅是举例说明，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。本领域的工程技术人员在不违背本发明原理及实质的前提下，可以对这些具体的实施方式做出修改和完善，但这些修改和完善均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种船舶自由场水下声辐射远场判据方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，利用船舶图纸，建立全船及周围流体的有限元模型，并进行FSI流固耦合；
S2，利用非对称算法，计算有限元模型的船体振动湿模态；
S3，获得计算船体振动响应的输入激励；
S4，采用模态叠加法，利用S3获得的输入激励计算有限元模型的船体振动响应；
S5，建立有限元模型的湿水表面边界元模型和水下声辐射边界元计算模型；
S6，将湿水表面边界元模型的湿水表面外壳振速插值映射到水下声辐射边界元计算模型的边界元网格中，作为船舶水下声辐射计算的边界条件；
S7，在船舶水下声辐射计算的边界条件下，建立不同水深及辐射半径下的船舶水下声辐射指向性场点，利用边界元法计算船舶不同频率下的水下声辐射指向性；
S8，对船舶水下声辐射指向性进行分析，判断船舶水下声辐射远场距离；
所述S1中，包括如下步骤：
S11，利用图纸建立船体几何模型，对船体几何模型进行离散化，根据船体不同构件特点赋予不同的单元、材料及属性；
S12，对船体几何模型的结构进行有限元网格划分，其中，每个声波波长内包括6-10个单元；
S13，用两端各带有四分之一球体的半圆柱体模拟周围流体的外流场截断模型，其中，流场域截断半径满足：
R≥D/2+0.2λ＝D/2+0.2v/f
式中，R为圆柱体半径，D为船宽，λ为波长，v为水中声速，f为频率；
S14，采用Fluid30模拟周围流体，并在周围流体外表面建立的无限声学吸收单元；
S15，进行FSI流固耦合，其中，与船体几何模型接触的流体单元单独选出，该流体单元的节点与船体湿水表面外壳单元节点一一对应；耦合面上的流体单元保留节点三个方向位移自由度和压力自由度，其余的流体单元保留压力自由度；
所述S2中，计算船舶振动湿模态的条件为，仅考虑舷外水的惯性影响；
所述S3中，通过动力设备激励实船测试，获得主要动力设备激励频谱作为输入激励；其中，主要动力设备包括主机、柴发机组及齿轮箱，测试对象为动力设备机脚振动加速度，利用大质量法将测试得到的机脚振动加速度等效为激励力，然后施加在相应动力设备的质量点上，其中大质量取为实船质量的100万倍。
2.根据权利要求1所述的船舶自由场水下声辐射远场判据方法，其特征在于，所述S4中，计算船体振动响应的频率范围为20-200Hz，频率间隔为2Hz；还包括如下步骤：对船体局部位置振动进行实船测量，并与仿真计算结果进行对比，以保证全船模型及振动计算的正确性。
3.根据权利要求1所述的船舶自由场水下声辐射远场判据方法，其特征在于，所述S5中，建立湿水表面边界元模型为，提取出船体的水下湿水表面网格，按照流体波长划分单元生成边界元网格，其中，在划分边界元网格时，一个声波波长内至少包括6个单元。
4.根据权利要求1所述的船舶自由场水下声辐射远场判据方法，其特征在于，所述S5中，建立水下声辐射边界元计算模型为，设置外场的流体属性，取水的密度为ρ＝1 025kg/m3，水中的声速为ν＝1 500m/s；设置边界元网格在朝向舱内一面的声压为零，在水线处沿Z方向设置反对称边界条件模拟自由液面，保证在水面处的声压为零。
5.根据权利要求1所述的船舶自由场水下声辐射远场判据方法，其特征在于，所述S7中，计算船舶不同频率下的水下声辐射指向性，求解的频率范围为20-200Hz，频率间隔为2Hz。
6.根据权利要求1所述的船舶自由场水下声辐射远场判据方法，其特征在于，所述S7中，建立不同水深及辐射半径下的船舶水下声辐射指向性场点，包括：
以船舶中心点水下50米处为圆心，建立不同半径下的平行于xy平面的水下声辐射指向性平面场点；
以船舶中心点水下不同深度为圆心，建立半径为50米的平行于xy平面的水下声辐射指向性平面场点。
7.根据权利要求1所述的船舶自由场水下声辐射远场判据方法，其特征在于，所述S8中，提取不同情况下的场点辐射声压，绘制相应的声辐射指向性图，判断船舶水下声辐射远场距离。
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