CN110399696B - 局部敷声学覆盖层的双流域耦合三维声弹性试验验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种局部敷声学覆盖层的双流域耦合三维声弹性试验验证方法，涉及测试技术领域，该验证方法制作与双流域耦合三维声弹性模型对应的实物的双层平板模型并进行局部声学覆盖层的敷设构建得到试验模型，试验模型能够很好地体现双流域耦合以及局部敷设所带来的声振传递主要特征；根据对试验模型的干模态测试结果安装一批振动加速度传感器，然后可以布设到试验水域中进行流固耦合振动与水中声辐射的试验，从而可以有效地验证局部敷设声学覆盖层的双流域耦合三维声弹性模型，整体上形成为具有直接指导意义的局部敷设声学覆盖层的双流域耦合三维声弹性模型试验验证和校验评估技术，试验可操作性高、试验成本低。

Description

局部敷声学覆盖层的双流域耦合三维声弹性试验验证方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，尤其是一种局部敷声学覆盖层的双流域耦合三维声弹性模型试验验证方法。

背景技术

水下航行器表面通常会敷设声学覆盖层，用于降低声目标强度，抑制结构振动和水下声辐射。常见的声学覆盖层的厚度一般在数个厘米，内部具有规则排列的较大尺度(厘米级)的空腔，空腔呈圆柱形、圆台形或喇叭形等形状，这些空腔使声学覆盖层具有更好的吸、隔声性能。

对于双层壳水下航行器，其轻外壳内、外表面及耐压壳外表面均可敷设声学覆盖层，以此实现优化的多层次、组合式的降低声目标强度以及抑制结构振动和水下辐射噪声的效果。在实际工程中，壳体表面不同区域敷设的声学覆盖层会存在差异，且还可能存在部分裸露的区域(即部分表面没有或无法敷设声学覆盖层)。对于此类较复杂的声学覆盖层敷设方式，需要建立相应的计算方法用于评估声学覆盖层对降低双层壳水下航行器水下辐射噪声的定量效果；并在此基础上分析给出声学覆盖层的优化敷设方式。针对该实际问题，最近国内已经发展了任意敷设声学覆盖层的双流域耦合船舶三维声弹性理论和计算方法，可以实现下述情况的定量计算：轻外壳内、外表面及耐压壳外表面均可敷设声学覆盖层，可部分区域敷设、部分区域不敷设，各区域可敷设不同的声学覆盖层。有了计算方法之后，将开发出相应的计算软件，实现工程的实际应用。

模型试验是计算软件正确性与实用性验证的重要途径。针对任意敷设声学覆盖层的双流域耦合船舶三维声弹性计算问题，还需要相应的验证方法来支撑理论与技术的发展及推广应用。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种局部敷声学覆盖层的双流域耦合三维声弹性试验验证方法，本发明的技术方案如下：

一种局部敷声学覆盖层的双流域耦合三维声弹性试验验证方法，该试验验证方法包括：

根据双流域耦合三维声弹性计算方法建立双层壳水下航行器的声弹性干结构计算模型；

根据声弹性干结构计算模型设计双层平板模型，双层平板模型的内部设置有与形成外壳的外层板平行的内层板，内层板将双层平板模型的内部分隔为水密空腔和透水空腔，透水空腔处于外层板与内层板之间并与外部连通，外层板的外部形成为外流场，透水空腔形成为内流场，水密空腔内在内层板上安装有电磁激振机；

在双层平板模型的内层板与内流场所接触的表面以及外层板与外流场所接触的表面分别进行局部的声学覆盖层的敷设，局部敷设有声学覆盖层的双层平板模型构成试验模型；

采用电磁激振机进行激励，根据有限元模态分析结果选取结构的合适位置安装一批振动加速度传感器，将试验模型悬吊在空气中进行干模态测试；将干模态测试结果与计算结果进行比对，用于验证和修正相应的声弹性干结构计算模型；将安装有振动加速度传感器的试验模型吊放在试验水域中，并在试验水域中与试验模型间隔预定距离处设置水听器，根据振动加速度传感器和水听器采集到的信号对试验模型进行流固耦合振动试验与水中声辐射试验。

其进一步的技术方案为，双层平板模型还包括侧壁板和封盖；侧壁板、外层板和封盖形成双层平板模型的外壳，侧壁板形成为外壳的侧壁，外层板设置在外壳的底部开口处并与侧壁板焊接在一起，封盖设置在外壳的顶部开口处与侧壁板可拆卸式装配在一起，封盖与侧壁板的端面之间密封，内层板设置在外壳内部并与外层板平行，内层板与外壳的内壁焊接在一起，侧壁板和封盖上均焊接了T型纵横向加强筋；侧壁板在内层板和外层板之间的区域开设有流水孔；外壳上设置有水密接头，电磁激振机和振动加速度传感器的传输线通过水密接头引出到外部。

其进一步的技术方案为，电磁激振机的激振杆的下端安装阻抗头，阻抗头用于测量激励点处的激振力和振动响应，电磁激振机在内层板上的安装位置处的高频滤波效应达到预设标准，使得在测试频段范围内，电磁激振机的激励力仅通过激振杆传递到内层板上。

其进一步的技术方案为，在双层平板模型的内层板与内流场所接触的表面以及外层板与外流场所接触的表面分别进行局部的声学覆盖层的敷设，包括：

在双层平板模型的内层板与内流场所接触的表面的其中半边区域敷设声学覆盖层、相对的另外半边区域裸露；

在双层平板模型的外层板与外流场所接触的表面的正对内层板裸露部分的半边区域敷设声学覆盖层、相对的另外半边区域裸露，外层板的裸露部分与内层板敷设声学覆盖层的部分正对。

其进一步的技术方案为，双层平板模型上敷设的声学覆盖层采用软橡胶材料，软橡胶材料内部有均匀的空腔。

其进一步的技术方案为，该方法还包括：试验水域的水深在50米以上，试验模型吊放在试验水域中与水面的距离在10米以上，水听器设置在试验水域中与试验模型同等水平位置处，且水听器与试验模型之间的预定距离在5～15米范围内。

本发明的有益技术效果是：

本申请公开了一种局部敷声学覆盖层的双流域耦合三维声弹性试验验证方法，该试验验证方法制作与双流域耦合三维声弹性模型对应的实物的双层平板模型并进行局部声学覆盖层的敷设构建得到试验模型，试验模型能够很好地体现双流域耦合以及局部敷设所带来的声振传递主要特征；根据对试验模型的干模态测试结果安装一批振动加速度传感器，然后可以布设到试验水域中进行流固耦合振动与水中声辐射的试验，从而可以有效地验证局部敷设声学覆盖层的双流域耦合三维声弹性模型，整体上形成为具有直接指导意义的局部敷设声学覆盖层的双流域耦合三维声弹性模型试验验证和校验评估技术。

本申请提出了试验模型的具体结构形式、与试验配套的声学覆盖层类型及其敷设方式以及与试验配套的激振方式，从而给出了与双流域耦合船舶三维声弹性计算相对应的较为系统的试验模型流固耦合振动与水中声辐射的湖上试验整体性方案，试验可操作性高、试验成本低。

附图说明

图1是本申请公开的验证方法的流程示意图。

图2是本申请中构建的试验模型的结构图。

图3是本申请中构建的试验模型的剖视图。

图4是本申请中的试验模型上敷设的声学覆盖层的垂直剖面示意图。

图5是本申请中的试验模型上敷设的声学覆盖层的水平剖面示意图。

图6是本申请中的试验模型在试验水域中进行试验的状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种局部敷声学覆盖层的双流域耦合三维声弹性试验验证方法，请参考图1所示的流程图，该试验验证方法包括：

步骤1，根据双流域耦合三维声弹性计算方法建立双层壳水下航行器的声弹性干结构计算模型，声弹性干结构计算模型属于双流域耦合三维声弹性模型，是一个数值模型。

步骤2，根据声弹性干结构计算模型设计双层平板模型，双层平板模型为与声弹性干结构计算模型对应的实物模型，该双层平板模型的内部设置有与形成外壳的外层板平行的内层板，内层板将双层平板模型的内部分隔为水密空腔和透水空腔，透水空腔处于外层板与内层板之间并与外部连通，外层板的外部形成为外流场，透水空腔形成为内流场，从而可以体现双流域耦合的特点。双层平板模型内的水密空腔内在内层板上安装有电磁激振机，电磁激振机用于进行激励，可有效控制激励力的大小与频段特征。

具体的，请参考图2和3，本申请采用的双层平板模型的具体结构为：该双层平板模型包括侧壁板1、外层板2、内层板3、封盖4、电磁激振机5和水密接头6，侧壁板1、外层板2、内层板3和封盖4均可以采用钢板实现。侧壁板1、外层板2和封盖4形成该双层平板模型的外壳，侧壁板1形成外壳的侧壁，外层板2设置在外壳的底部开口处，封盖4设置在外壳的顶部开口处，在本申请中的图示中，外壳实现为矩形结构，则整个结构中包括四个侧壁板1，四个侧壁板1焊接在一起形成外壳的侧壁。外层板2设置在外壳的底部开口处并与侧壁板1焊接在一起，为了方便在双层平板模型内设置电磁激振机5，因此封盖4与侧壁板1之间可拆卸式装配在一起，比如采用螺栓装配，封盖4与侧壁板1的端面之间通过橡皮条等密封结构进行密封。内层板3设置在外壳内部并与外层板2平行，内层板3与外壳的内壁焊接在一起。内层板3、侧壁板1和封盖4之间形成充满空气且水密的水密空腔。侧壁板1在内层板3和外层板2之间的区域开设有数个微小的流水孔，因此内层板3、侧壁板1和外层板2之间形成与外部连通的透水空腔。在水下试验时，整个双层平板模型会吊放到水中，此时双层平板模型外界区域即为外流场，透水空腔内也会充满水，从而形成内流场，可以很好地模拟双层壳水下航行器轻外壳与耐压壳之间的内流场。除了外层板2和内层板3之外，在结构模型的侧壁板1和封盖4上均焊接了T型纵横向加强筋7。

电磁激振机5设置在双层平板模型内的水密空腔内，且安装在内层板3上，电磁激振机5的激振杆的下端安装阻抗头8，阻抗头8用于测量激励点处的激振力和振动响应。电磁激振机5需要采用柔性安装的方式，在内层板3上的安装位置处的高频滤波效应达到预设标准，使得在测试频段范围内，能够较好地隔绝电磁激振机5通过安装位置传递到结构上的动态力，使得电磁激振机5的激励力仅通过激振杆传递到内层板3上。外壳上设置有水密接头6，水密接头6通常是设置在封盖4上，电磁激振机5的传输线通过水密接头6引出到外部，传输线包括电缆线和信号线。

步骤3，声学覆盖层的设计和敷设。在双层平板模型的内层板3与内流场所接触的表面以及外层板2与外流场所接触的表面分别进行局部的声学覆盖层的敷设，局部敷设有声学覆盖层的双层平板模型构成本申请中的试验模型。在本申请中，进行水下试验时通常将试验模型吊放到水下10m左右，因此不需要像实际的水下航行器一样承受很大的静水压强，因此声学覆盖层不必采用实船用的材料，为了便于声学覆盖层的加工与敷设同时降低整个试验模型的制作成本，本申请在双层平板模型上敷设的声学覆盖层采用软橡胶材料制成，软橡胶材料内部有均匀的空腔，以内部有均匀的圆柱形空腔为例，其垂直剖面示意图请参考图4，水平剖面示意图请参考图5。

双层平板模型上声学覆盖层的敷设方式需要充分体现双流域耦合的特点以及局部敷设的特点，本申请采用的具体敷设结构为，请结合图2和3：在双层平板模型的内层板3与内流场所接触的表面的其中半边区域敷设声学覆盖层9、相对的另外半边区域裸露。在双层平板模型的外层板2与外流场所接触的表面的正对内层板3裸露部分的半边区域敷设声学覆盖层9、相对的另外半边区域裸露，外层板2的裸露部分与内层板3敷设声学覆盖层的部分正对。也即内层板3的敷设区域和外层板2的敷设区域错位设置，以图3为例，内层板3在左半边区域敷设有声学覆盖层9、右半边区域裸露，外层板2在右半边区域敷设有声学覆盖层9、左半边区域裸露。这种敷设方式可以较好地体现内、外流场耦合以及局部声学覆盖层敷设所带来的声振传递主要特征。

步骤4，从能够较准确地测试出前10阶主要典型弹性振动模态出发，根据有限元模态分析结果选取结构的合适位置安装一批振动加速度传感器，对试验模型进行干模态测试。在空气中做干模态测试，试验模型用橡皮绳悬吊。干模态测试时，用电磁激振机5进行激励。流固耦合振动与水中声辐射的湖上试验时，电磁激振机和振动加速度传感器的安装方式与干模态测试时相同，振动加速度传感器不与水接触，安装在内层钢板上部的水密空间内，各个振动加速度传感器的传输线也通过水密接头6引出到外部。

另外，在完成干模态测试后，可以根据干模态测试结果和干模态计算结果验证和修正步骤1中的声弹性干结构计算模型，使得声弹性干结构计算模型更加标准、贴近该数值模型对应的实物模型。具体的，当通过干模态测试得到的干模态固有频率F1与干模态计算结果的干模态固定频率F2不同，和/或，干模态固有频率F1对应的振型与干模态固定频率F2对应的振型不同时，说明需要修正声弹性干结构计算模型，否则不需要修正。

步骤5，流固耦合振动与水中声辐射的湖上试验。电磁激振机和振动加速度传感器的安装方式与干模态测试时相同，将安装有振动加速度传感器的试验模型吊放在试验水域中。所选的试验水域为尺度在数公里级以上的开阔平坦湖区内，为了减小水面和水底声反射的干扰，试验水域的水深在50米以上，试验模型吊放在试验水域中与水面的距离在10米以上，通常为10米附近。试验水域中与试验模型间隔预定距离处设置水听器10，水听器10通常设置在与试验模型同等水平位置处，为保证足够的信噪比且具有较好的辐射噪声测试效果，水听器10与试验模型之间的预定距离在5～15米范围内，请参考图6在试验水域中的状态示意图。在试验水域中，根据振动加速度传感器和水听器采集到的信号对试验模型进行流固耦合振动试验与水中声辐射试验，这种方法可以对利用双流域耦合三维声弹性计算方法构建出的双流域耦合三维声弹性模型进行试验验证和校验评估，试验可操作性较高、试验成本较低。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种局部敷声学覆盖层的双流域耦合三维声弹性试验验证方法，其特征在于，所述试验验证方法包括：

根据双流域耦合三维声弹性计算方法建立双层壳水下航行器的声弹性干结构计算模型；

根据所述声弹性干结构计算模型设计双层平板模型，所述双层平板模型的内部设置有与形成外壳的外层板平行的内层板，所述内层板将所述双层平板模型的内部分隔为水密空腔和透水空腔，所述透水空腔处于所述外层板与内层板之间并与外部连通，所述外层板的外部形成为外流场，所述透水空腔形成为内流场，所述水密空腔内在所述内层板上安装有电磁激振机；

在所述双层平板模型的内层板与内流场所接触的表面以及外层板与外流场所接触的表面分别进行局部的声学覆盖层的敷设，局部敷设有声学覆盖层的双层平板模型构成试验模型；

采用所述电磁激振机进行激励，根据有限元模态分析结果选取结构的合适位置安装一批振动加速度传感器，将所述试验模型悬吊在空气中进行干模态测试；将干模态测试结果与计算结果进行比对，用于验证和修正相应的声弹性干结构计算模型；

将安装有振动加速度传感器的所述试验模型吊放在试验水域中，并在所述试验水域中与所述试验模型间隔预定距离处设置水听器，根据所述振动加速度传感器和所述水听器采集到的信号对所述试验模型进行流固耦合振动试验与水中声辐射试验。

2.根据权利要求1所述的试验验证方法，其特征在于，所述双层平板模型还包括侧壁板和封盖；所述侧壁板、外层板和封盖形成所述双层平板模型的外壳，所述侧壁板形成为外壳的侧壁，所述外层板设置在所述外壳的底部开口处并与所述侧壁板焊接在一起，所述封盖设置在所述外壳的顶部开口处与所述侧壁板可拆卸式装配在一起，所述封盖与所述侧壁板的端面之间密封，所述内层板设置在外壳内部并与所述外层板平行，所述内层板与所述外壳的内壁焊接在一起，所述侧壁板和封盖上均焊接了T型纵横向加强筋；所述侧壁板在所述内层板和外层板之间的区域开设有流水孔；所述外壳上设置有水密接头，所述电磁激振机和振动加速度传感器的传输线通过所述水密接头引出到外部。

3.根据权利要求1所述的试验验证方法，其特征在于，所述电磁激振机的激振杆的下端安装阻抗头，所述阻抗头用于测量激励点处的激振力和振动响应，所述电磁激振机在所述内层板上的安装位置处的高频滤波效应达到预设标准，使得在测试频段范围内，所述电磁激振机的激励力仅通过激振杆传递到所述内层板上。

4.根据权利要求1所述的试验验证方法，其特征在于，在所述双层平板模型的内层板与内流场所接触的表面以及外层板与外流场所接触的表面分别进行局部的声学覆盖层的敷设，包括：

在所述双层平板模型的内层板与内流场所接触的表面的其中半边区域敷设声学覆盖层、相对的另外半边区域裸露；

在所述双层平板模型的外层板与外流场所接触的表面的正对内层板裸露部分的半边区域敷设声学覆盖层、相对的另外半边区域裸露，外层板的裸露部分与内层板敷设声学覆盖层的部分正对。

5.根据权利要求1所述的试验验证方法，其特征在于，所述双层平板模型上敷设的声学覆盖层采用软橡胶材料，所述软橡胶材料内部有均匀的空腔。

6.根据权利要求1-5任一所述的试验验证方法，其特征在于，所述试验验证方法还包括：所述试验水域的水深在50米以上，所述试验模型吊放在所述试验水域中与水面的距离在10米以上，所述水听器设置在所述试验水域中与所述试验模型同等水平位置处，且所述水听器与所述试验模型之间的所述预定距离在5～15米范围内。

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