CN112949124A - 一种基于声压分解的水下圆柱壳低频声辐射预报方法 - Google Patents

一种基于声压分解的水下圆柱壳低频声辐射预报方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112949124A
CN112949124A CN202110184153.6A CN202110184153A CN112949124A CN 112949124 A CN112949124 A CN 112949124A CN 202110184153 A CN202110184153 A CN 202110184153A CN 112949124 A CN112949124 A CN 112949124A
Authority
CN
China
Prior art keywords
mode
radiation
sound pressure
cylindrical shell
sound
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110184153.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112949124B (zh
Inventor
张超
李斯慧
商德江
肖妍
刘永伟
王曼
廖欢雯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Engineering University
Original Assignee
Harbin Engineering University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Engineering University filed Critical Harbin Engineering University
Priority to CN202110184153.6A priority Critical patent/CN112949124B/zh
Publication of CN112949124A publication Critical patent/CN112949124A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112949124B publication Critical patent/CN112949124B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/17—Function evaluation by approximation methods, e.g. inter- or extrapolation, smoothing, least mean square method
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/06—Power analysis or power optimisation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/10—Noise analysis or noise optimisation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Abstract

一种基于声压分解的水下圆柱壳低频声辐射预报方法，它涉及一种水下声辐射预报方法。本发明预报方法：a、建立圆柱壳有限元模型；b、获得各阶模态位移振型；c、得到该模态的辐射声功率和结构表面声压场；d、将各阶模态的相关数据储存于数据库；e、在有限元结构模型上施加与实际激励力类似的一般激励，得到结构表面声压；f、确定所述低频频段上的主辐射模态的阶次；g、测得圆柱壳结构表面实际振动的声压数据；h、获得主辐射模态的声压分解系数；i、利用步骤f求得主辐射模态的辐射声功率。本发明对水下圆柱壳的模态进行预计算和存储，结合实际水下圆柱壳表面声压的测量，可实现对水下圆柱壳低频辐射声功率的快速预报。

Description

一种基于声压分解的水下圆柱壳低频声辐射预报方法
技术领域
本发明涉及一种水下声辐射预报方法。
背景技术
目前，水下航行器被广泛用于国防，海洋发展和其他领域。为了评估其声学隐身性能以及自噪声对本地声纳检测性能的影响，越来越需要对水下航行器辐射噪声进行实时，准确的预测。因此，预测水下结构的辐射噪声一直是学者关注的问题。为了方便工程应用，如何有效减少预测中使用的测量点数量，提高声辐射预测效率，是学者们的难题。目前比较经典且公认的方法有边界元法(参考文献：Copley,L.G.Integral equation method forradiation from vibrating bodies.J.Acoust.Soc.Am.1967,41,807–816.)，有限元法(参考文献：He,Z.C.；Liu,G.R.；Zhong,Z.H.An edge-based smoothed finite elementmethod(ES-FEM)for analyzing vibro-acoustic analysis.Comput.Method.Appl.M.2009,199,20-33.)，边界元与有限元结合的方法(参考文献：Ding,Y.M.；Wang,H.FEM-BEManalysis of tyre-pavement noise on porous asphalt surfaces with different textures.Int.J.Pavement.Eng.2017,20,1090-1097.)，等效源法(参考文献：Koopmann,G.H.；Song,L.；Fahnline,J.B.A method for computing acoustic fields based on theprinciple of wave superposition.J.Acoust.Soc.Am.1989,86,2433–2438.)，统计能量法(参考文献：Ramachandrana,P.；Narayananb,S.Evaluation of modal density,radiation efficiency and acoustic response of longitudinally stiffenedcylindrical shell.J.Sound.Vib.2007,304,154–174.)。然而，这些常规方法具有其自身的缺点。有限元法需要已知的激振力，这在实际工程应用中通常很难获得。边界元和等效源方法仅需要了解结构的表面振动，但是它们都需要结构表面上许多测量点的振动信息。测量点不足是限制实际应用中预测精度的关键因素。此外，由于要处理许多测量点的数据，因此这两种方法的预测效率很低。而统计能量法只能给出统计结果，总是有明显的不确定性，并且仅适用于高频。因此，许多研究人员进行了其他的一些尝试，用其他的方法来预报辐射声场。基于振动传递的方法是通过计算结构的声辐射效率，结合实际振动测量获得的均方振速计算辐射声功率。(参考文献：ZHANG Chao,SHANG Dejiang,Liu Guiyin and CAOPeizheng.Prediction of sound radiation from submerged structure by transfermethod based on measuring vibration.IEEE/OES China Ocean Acoustics Symposium,2016)。该方法适用于模态比较密集的中高频段，而在低频段实用性变差。而基于声场重构的声辐射预报方法(参考文献：叶海林，陈美霞，陶襄樊.基于l1范数稀疏解的水下双层圆柱壳振动声辐射预报影响因素研究.船舶力学，2019,23(2):234-244)涉及到振速重构，根据结构表面测点的振速数据，基于模态叠加理论实现表面振速场或位移场的重构，然后再由其他传统的方法计算辐射声场。这个方法预报过程中需要振速重构，需要边界元计算，通常是比较麻烦，计算量也比大。还有利用声辐射模态来确定辐射声场预报方法(参考文献：Elliott,S.J.；Johnson,M.E.Radiation modes and the active control of soundpower.J.Acoust.Soc.Am.1993,94,2194–2204.)需要分解得到声辐射模态，而结构振动的本征模态是结构振动模态，一般结构的声辐射模态计算比较麻烦，而且也没有通用的计算软件来计算声辐射模态。还有基于位移分解获得主辐射模态的位移分解系数，从而对辐射声功率进行预报的方法(参考文献：Chao Zhang,Sihui Li,Dejiang Shang,Yuyuan Hanand Yuyang Shang.Prediction of Sound Radiation from Submerged CylindricalShell Based on Dominant Modes.Applied Sciences.2020,10,3073)，但是这种方法需要更多的表面测点，加大计算成本。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于结构振动模态以及结构表面声压来预报辐射声场的方法。该方法结构振动模态容易获得，且所需的监测点数量也能大大的减少，提高了计算效率，简单并且快捷。
本发明基于声压分解的水下圆柱壳低频声辐射预报方法：
a、建立圆柱壳有限元模型，计算圆柱壳结构真空条件下的模态并进行分析；
b、获得各阶模态位移振型，导出各阶模态的结构表面法向位移场数据；
c、基于有限元分析模型，对(m，n)阶模态以模态的结构表面法向位移场φnm作为位移边界，计算得到该模态的辐射声功率wnm和结构表面声压场pnm；
其中，m表示圆柱壳周向模态号，n表示圆柱壳轴向模态号；
d、根据模态的结构表面法向位移场φnm和结构表面声压场pnm，计算出(m，n)阶模态的自辐射阻抗Znmm，
Figure BDA0002942330790000021
并将各阶模态的自辐射阻抗Znmm，模态的辐射声功率wnm以及结构表面法向位移场φnm储存于数据库中；
e、在有限元结构模型上施加一个与实际激励力类似的一般激励，进行试计算，得到结构表面声压p；
f、根据步骤e得到的结构表面声压p以及数据库中各阶模态的自辐射阻抗Znmm，辐射声功率wnm以及结构表面法向位移场φnm，在低于第一阶谐振峰的低频频段上进行模态辐射声功率分析，确定所述低频频段上的主辐射模态的阶次；
g、正式预报中，通过圆柱壳结构表面布置的有限测点可以测得圆柱壳结构表面实际振动的声压数据；
h、根据公式(4)～(7)，以已储存的结构振动模态作为基底对圆柱壳结构表面实际的声压数据进行模态分解，利用模态正交分解法获得主辐射模态的声压分解系数；
i、利用步骤f求得主辐射模态的辐射声功率，进而得到低于第一阶谐振峰的低频频段上的辐射声功率。
进一步地，步骤d中结构表面声压可以分解成
Figure BDA0002942330790000031
其中，Pnm表示声压分解系数，p表示结构表面声压；
以结构振动模态作为基底对表面声压和法向位移进行模态分解，相应的位移分解系数称为位移分解系数，相应的声压分解系数称为声压分解系数，关系式如公式(2)所示；
Figure BDA0002942330790000032
其中，Wnq表示(n，q)阶模态的位移分解系数，Pnm表示(n，m)阶模态的声压分解系数，Znmq表示(n，q)阶模态振动位移对(n，m)阶模态声压的贡献，称为辐射阻抗；q＝m称为自辐射阻抗，q≠m称为互辐射阻抗，由于互辐射阻抗《自辐射阻抗，忽略互辐射阻抗，公式(2)变形为
Pnm＝WnmZnmm (3)，
求出各阶模态的自辐射阻抗Znmm，设圆柱壳以(n，m)阶模态振动，步骤c中所述模态的结构表面声压场pnm分解为
Figure BDA0002942330790000033
两边同时乘以(n，m)阶模态φnm，并在整个圆柱壳结构表面积分获得公式(5)
Figure BDA0002942330790000041
根据模态正交性，不同阶模态乘积的表面积分为零，公式(5)变形为
Figure BDA0002942330790000042
经过换算，(n，m)阶模态的声压分解系数为
Figure BDA0002942330790000043
此时的(n，m)阶模态的位移分解系数wnm为1，其他阶模态的位移分解系数Wnq为0，忽略互辐射阻抗后，根据公式(3)计算出各模态的自辐射阻抗Znmm为
Figure BDA0002942330790000044
进一步地，步骤f中确定所述低频频段上的主辐射模态的阶次按以下过程计算：
利用实际振动中监测点记录的结构表面声压p分解为
Figure BDA0002942330790000045
根据模态正交性，(n，m)阶模态的声压分解系数为
Figure BDA0002942330790000046
此时各阶模态的辐射声功率为
Figure BDA0002942330790000047
通过各阶模态的辐射声功率与有限元直接计算结果对比，获得低于第一阶谐振峰的低频频段上的主辐射模态。
在低于第一谐振峰的最低频段上只存在一阶模态对辐射声功率贡献最大，能量占到95％以上，该阶模态称为该频段上的主辐射模态，它的辐射声功率可以基本表示实际振动的辐射声功率。本发明利用水下圆柱壳低于第一阶谐振峰的频段上存在一个主辐射模态的特点，只需利用少量的振动监测点，简单的步骤，比较快速的预报出水下圆柱壳低频辐射声功率。
本发明方法利用声压测试数据计算出主辐射模态的声压模态参与系数，利用仿真建模计算出主辐射模态的自辐射阻抗以及归一化模态的声功率，两者结合进而可计算出该阶主辐射模态的声功率，即可近似预报圆柱壳结构的辐射声功率。
现有技术利用“声模态”预报辐射声场的方法，但目前还没有通用的计算软件能够计算“声模态”。而本发明则采用结构振动模态，利用有限元软件便可容易获得结构振动模态。并且，本发明方法无需重构圆柱壳表面位移场或振速场，减少了预报中间环节。
不同于利用位移数据得到主辐射模态参与系数再进行声场预报的方法，本发明方法通过分解结构表面声压获得主辐射模态参与系数，由于在低频段主辐射模态对应的位移模态参与系数相对其它模态占比非常小，存在较大分解误差，而对应的声压模态参与系数相对其它模态则占比大大提高，可以有效降低分解误差，能够在保证一定预报精度的前提下，有效减少结构表面测点数目。
本发明对水下圆柱壳的模态进行预计算和存储，结合实际水下圆柱壳表面声压的测量，可实现对水下圆柱壳低频辐射声功率的快速预报。
本发明将各阶模态的自辐射阻抗Znmm，模态的辐射声功率wnm以及结构表面法向位移场φnm储存于数据库中，所以不用重复计算，方便下次预报时使用，可明显减少预报时间。
附图说明
图1是本发明方法总流程图；
图2是实施例1中圆柱壳模型及坐标系图；
图3是实施例1中部分低阶模态图；
图4是实施例1圆柱壳模型在频率为100Hz时的辐射阻抗图；
图5是实施例1圆柱壳模型在频率为250Hz时的辐射阻抗图；
图6是实施例1圆柱壳模态的辐射声功率及总辐射声功率对比图；
图7是实施例1采用不同方法来预报同一结构低于第一阶谐振峰的低频频段上的辐射声功率的对比图，其中图7a为基于位移分解的预报方法(现有技术)，图7b为基于声压分解的预报方法(本发明方法)；
图8是实施例2圆柱壳模型在频率为100Hz时的辐射阻抗图；
图9是实施例2圆柱壳模型在频率为250Hz时的辐射阻抗图；
图10是实施例2圆柱壳模态的辐射声功率及总辐射声功率对比图；
图11是实施例2采用不同方法来预报同一结构低于第一阶谐振峰的低频频段上的辐射声功率的对比图，其中图11a为基于位移分解的预报方法法(现有技术)，图11b为基于声压分解的预报方法(本发明方法)。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式基于声压分解的水下圆柱壳低频声辐射预报方法：
a、建立圆柱壳有限元模型，计算圆柱壳结构真空条件下的模态并进行分析；
b、获得各阶模态位移振型，导出各阶模态的结构表面法向位移场数据；
c、基于有限元分析模型，对(m，n)阶模态以模态的结构表面法向位移场φnm作为位移边界，计算得到该模态的辐射声功率wnm和结构表面声压场pnm；
其中，m表示圆柱壳周向模态号，n表示圆柱壳轴向模态号；
d、根据模态的结构表面法向位移场φnm和结构表面声压场pnm，计算出(m，n)
阶模态的自辐射阻抗Znmm，
Figure BDA0002942330790000061
并将各阶模态的自辐射阻抗Znmm，模态的辐射声功率wnm以及结构表面法向位移场φnm储存于数据库中；
e、在有限元结构模型上施加一个与实际激励力类似的一般激励，进行试计算，得到结构表面声压p；
f、根据步骤e得到的结构表面声压p以及数据库中各阶模态的自辐射阻抗Znmm，辐射声功率wnm以及结构表面法向位移场φnm，在低于第一阶谐振峰的低频频段上进行模态辐射声功率分析，确定所述低频频段上的主辐射模态的阶次；
g、正式预报中，通过圆柱壳结构表面布置的有限测点可以测得圆柱壳结构表面实际振动的声压数据；
h、根据公式(4)～(7)，以已储存的结构振动模态作为基底对圆柱壳结构表面实际的声压数据进行模态分解，利用模态正交分解法获得主辐射模态的声压分解系数；
i、利用步骤f求得主辐射模态的辐射声功率，进而得到低于第一阶谐振峰的低频频段上的辐射声功率。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤d中结构表面声压可以分解成
Figure BDA0002942330790000071
其中，Pnm表示声压分解系数，p表示结构表面声压；
以结构振动模态作为基底对表面声压和法向位移进行模态分解，相应的位移分解系数称为位移分解系数，相应的声压分解系数称为声压分解系数，关系式如公式(2)所示；
Figure BDA0002942330790000072
其中，Wnq表示(n，q)阶模态的位移分解系数，Pnm表示(n，m)阶模态的声压分解系数，Znmq表示(n，q)阶模态振动位移对(n，m)阶模态声压的贡献，称为辐射阻抗；q＝m称为自辐射阻抗，q≠m称为互辐射阻抗，由于互辐射阻抗《自辐射阻抗，忽略互辐射阻抗，公式(2)变形为
Pnm＝WnmZnmm (3)，
求出各阶模态的自辐射阻抗Znmm，设圆柱壳以(n，m)阶模态振动，步骤c中所述模态的结构表面声压场pnm分解为
Figure BDA0002942330790000073
两边同时乘以(n，m)阶模态φnm，并在整个圆柱壳结构表面积分获得公式(5)
Figure BDA0002942330790000074
根据模态正交性，不同阶模态乘积的表面积分为零，公式(5)变形为
Figure BDA0002942330790000081
经过换算，(n，m)阶模态的声压分解系数为
Figure BDA0002942330790000082
此时的(n，m)阶模态的位移分解系数wnm为1，其他阶模态的位移分解系数Wnq为0，忽略互辐射阻抗后，根据公式(3)计算出各模态的自辐射阻抗Znmm为
Figure BDA0002942330790000083
当公式(4)两边乘以其他阶模态时，同样计算步骤求出来的Znmq为互辐射阻抗。其它步骤及参数与实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：步骤f中确定所述低频频段上的主辐射模态的阶次按以下过程计算：
利用实际振动中监测点记录的结构表面声压p分解为
Figure BDA0002942330790000084
根据模态正交性，(n，m)阶模态的声压分解系数为
Figure BDA0002942330790000085
此时各阶模态的辐射声功率为
Figure BDA0002942330790000086
通过各阶模态的辐射声功率与有限元直接计算结果对比，获得低于第一阶谐振峰的低频频段上的主辐射模态。其它步骤及参数与实施方式一或二相同。
本实施方式中再次预报时只需计算这一阶主辐射模态的辐射声功率即可，可明显减少预报时间。
本实施方式步骤f所依据的理论：
如果设圆柱壳结构只有(n，m)阶模态受激振动，受激振动时的模态位移分解系数为Wnm，模态声压分解系数为Pnm，根据公式(3)振动位移分布为
Figure BDA0002942330790000091
并且这时的声压分布可以表示为Pnmφnm，在这种情况下该阶模态的辐射声功率可表示为
Figure BDA0002942330790000092
其中
Figure BDA0002942330790000093
表示模态位移系数为1时的(n，m)阶模态的辐射声功率，从上式(12)可以看出，在模态声压参与系数为Pnm时，(n，m)阶模态的辐射声功率是模态位移系数为1时辐射声功率的
Figure BDA0002942330790000094
倍。
当圆柱壳结构全部模态参与受激振动时，位移分布变为
Figure BDA0002942330790000095
这种情况下结构表面声压可表示为
Figure BDA0002942330790000096
而在低频情况下，模态之间的耦合可以忽略不计，而不会对辐射声功率有太大的影响。因此可以得到总的辐射声功率的表达式为
Figure BDA0002942330790000097
则圆柱壳的辐射声功率可以表示为每阶模态的辐射声功率的叠加，如上式(13)所示。但是低频段结构辐射存在主辐射模态，所以可以用主辐射模态的辐射声功率近似表示总的辐射声功率。
实施例1
选择的圆柱壳模型长为1m、半径为0.2m、厚度为0.005m。圆柱壳两端的边界条件设置为固定约束，材料选择为钢，密度为7800kg/m3、杨氏模量为2.06×1011Pa，泊松比为0.3，损耗因子为0.01。
采用有限元软件进行计算，计算出各个模态的特征频率及其振型，部分低阶模态如图3所示。
利用有限元法，可以计算得到低阶模态的辐射声功率以及它的结构表面声压，根据模态的结构表面声压按照本发明方法步骤d可以计算出各阶模态的辐射阻抗，图4和图5分别显示的是频率为100Hz和250Hz时的辐射阻抗。从图4和图5中可以看出确实是自辐射阻抗要比互辐射阻抗大得多(即互辐射阻抗《自辐射阻抗)，互辐射阻抗可以忽略。
在预计算中，在圆柱壳面中点处加了大小为10N的法向激励力，然后得到了圆柱壳实际振动的结构表面声压，利用模态之间的正交性，根据步骤f得到低阶模态的声压分解系数。然后已知模态的自辐射阻抗，同样根据步骤f公式(11)可以得到各低阶模态的辐射声功率曲线图如图6所示，比较可知固支圆柱壳在低于第一阶谐振峰的低频频段上的主辐射模态是(0，1)阶模态，而且这一频段上总的辐射声功率可以由主辐射模态的辐射声功率近似表示，所以以后预报该结构低于第一阶谐振峰的低频频段上的辐射声功率只需关注(0，1)阶模态。
预计算完成后，保存好相应的数据，以后每次的预报就只需对实际振动时的表面声压进行分解得到声压分解系数，再利用已储存的模态辐射声功率以及自辐射阻抗，简单计算即可得到预报的辐射声功率，简单快捷。
为了验证该发明的优势，利用不同的方法来预报本实施同一结构低于第一阶谐振峰的低频频段上的辐射声功率，从图7中可以看出利用声压分解的方法确实可以减少测点。利用位移分解的预报方法大概10×10个测点时预报的该频段上辐射声功率曲线就非常不准确了，但是利用声压分解的预报方法大概需要8×4个点就能较好的预报出该频段上辐射声功率曲线，而边界元方法需要比10×22个点更多的测点才能比较准确地预报。
实施例2
选择的圆柱壳模型与实施例1一样，仅是两端的边界条件改为自由边界(即单层自由圆柱壳)。同样地，采用有限元软件进行计算，计算出各个模态的特征频率及其振型。然后利用该软件计算得到低阶模态的辐射声功率以及它的结构表面声压，根据模态的结构表面声压按照本发明方法步骤d可以计算出各阶模态的辐射阻抗，图8和图9分别显示的是自由圆柱壳在频率为100Hz和250Hz时的辐射阻抗。从图8和图9中可以看出确实是自辐射阻抗要比互辐射阻抗大得多，互辐射阻抗可以忽略。
与实施例1相同，预计算中在本实施例圆柱壳(单层自由圆柱壳)面中点处加了大小为10N的法向激励力，然后得到了圆柱壳实际振动的结构表面声压，利用模态之间的正交性，根据步骤f可得到低阶模态的声压分解系数。然后已知模态的自辐射阻抗，同样根据步骤f公式(11)可以得到各低阶模态的辐射声功率曲线图如图10，比较可知自由圆柱壳在低于第一阶谐振峰的低频频段上的主辐射模态是(1，0)阶模态，而且这一频段上总的辐射声功率也可以由主辐射模态的辐射声功率近似表示，所以以后预报该结构低于第一阶谐振峰的低频频段上的辐射声功率只需关注(1，0)阶模态。而且这阶模态还是400Hz到600Hz频段上的主辐射模态。
预计算完成后，保存好相应的数据，以后每次的预报就只需要简单计算即可得到预报的辐射声功率，简单快捷。
同样地，为了验证本发明的优势，利用了不同的方法来预报本实施例结构低于第一阶谐振峰的低频频段上的辐射声功率，分别基于声压分解的预报方法来预报和基于位移分解的预报方法来预报。从图11中可以看出利用声压分解的预报方法，即本发明提出的方法可以减少测点。判断这阶主辐射模态预报的辐射声功率曲线是否准确，不仅需要看低于200Hz以下的频段，同时也要看400Hz到600Hz频段，因为这两个频段上的主辐射模态都是(1,0)阶模态。利用声压分解方法大概需要10×5个测点就能较好的预报出低于第一阶谐振峰的低频频段上主辐射模态的辐射声功率曲线，而利用位移分解方法大概需要比10×17个测点更多的测点才能完成。其中，两个谐振峰处存在其他的主辐射模态，分别为(3，1)阶模态和(2，1)阶模态，(1，0)阶模态不是这两个频段上的主辐射模态。

Claims (3)

1.一种基于声压分解的水下圆柱壳低频声辐射预报方法，其特征在于该预报方法按以下步骤实现：
a、建立圆柱壳有限元模型，计算圆柱壳结构真空条件下的模态并进行分析；
b、获得各阶模态位移振型，导出各阶模态的结构表面法向位移场数据；
c、基于有限元分析模型，对(m，n)阶模态以模态的结构表面法向位移场φnm作为位移边界，计算得到该模态的辐射声功率wnm和结构表面声压场pnm；
其中，m表示圆柱壳周向模态号，n表示圆柱壳轴向模态号；
d、根据模态的结构表面法向位移场φnm和结构表面声压场pnm，计算出(m，n)阶模态的自辐射阻抗Znmm，
Figure FDA0002942330780000011
并将各阶模态的自辐射阻抗Znmm，模态的辐射声功率wnm以及结构表面法向位移场φnm储存于数据库中；
e、在有限元结构模型上施加一个与实际激励力类似的一般激励，进行试计算，得到结构表面声压p；
f、根据步骤e得到的结构表面声压p以及数据库中各阶模态的自辐射阻抗Znmm，辐射声功率wnm以及结构表面法向位移场φnm，在低于第一阶谐振峰的低频频段上进行模态辐射声功率分析，确定所述低频频段上的主辐射模态的阶次；
g、正式预报中，通过圆柱壳结构表面布置的有限测点可以测得圆柱壳结构表面实际振动的声压数据；
h、根据公式(4)～(7)，以已储存的结构振动模态作为基底对圆柱壳结构表面实际的声压数据进行模态分解，利用模态正交分解法获得主辐射模态的声压分解系数；
i、利用步骤f求得主辐射模态的辐射声功率，进而得到低于第一阶谐振峰的低频频段上的辐射声功率。
2.根据权利要求1所述的一种基于声压分解的水下圆柱壳低频声辐射预报方法，其特征在于步骤d中结构表面声压可以分解成
Figure FDA0002942330780000012
其中，Pnm表示声压分解系数，p表示结构表面声压；
以结构振动模态作为基底对表面声压和法向位移进行模态分解，相应的位移分解系数称为位移分解系数，相应的声压分解系数称为声压分解系数，关系式如公式(2)所示；
Figure FDA0002942330780000021
其中，Wnq表示(n，q)阶模态的位移分解系数，Pnm表示(n，m)阶模态的声压分解系数，Znmq表示(n，q)阶模态振动位移对(n，m)阶模态声压的贡献，称为辐射阻抗；q＝m称为自辐射阻抗，q≠m称为互辐射阻抗，由于互辐射阻抗《自辐射阻抗，忽略互辐射阻抗，公式(2)变形为
Pnm＝WnmZnmm (3)，
求出各阶模态的自辐射阻抗Znmm，设圆柱壳以(n，m)阶模态振动，步骤c中所述模态的结构表面声压场pnm分解为
Figure FDA0002942330780000022
两边同时乘以(n，m)阶模态φnm，并在整个圆柱壳结构表面积分获得公式(5)
Figure FDA0002942330780000023
根据模态正交性，不同阶模态乘积的表面积分为零，公式(5)变形为
Figure FDA0002942330780000024
经过换算，(n，m)阶模态的声压分解系数为
Figure FDA0002942330780000025
此时的(n，m)阶模态的位移分解系数wnm为1，其他阶模态的位移分解系数Wnq为0，忽略互辐射阻抗后，根据公式(3)计算出各模态的自辐射阻抗Znmm为
Figure FDA0002942330780000026
3.根据权利要求1所述的一种基于声压分解的水下圆柱壳低频声辐射预报方法，其特征在于步骤f中确定所述低频频段上的主辐射模态的阶次按以下过程计算：
利用实际振动中监测点记录的结构表面声压p分解为
Figure FDA0002942330780000031
根据模态正交性，(n，m)阶模态的声压分解系数为
Figure FDA0002942330780000032
此时各阶模态的辐射声功率为
Figure FDA0002942330780000033
通过各阶模态的辐射声功率与有限元直接计算结果对比，获得低于第一阶谐振峰的低频频段上的主辐射模态。
CN202110184153.6A 2021-02-08 2021-02-08 一种基于声压分解的水下圆柱壳低频声辐射预报方法 Active CN112949124B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110184153.6A CN112949124B (zh) 2021-02-08 2021-02-08 一种基于声压分解的水下圆柱壳低频声辐射预报方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110184153.6A CN112949124B (zh) 2021-02-08 2021-02-08 一种基于声压分解的水下圆柱壳低频声辐射预报方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112949124A true CN112949124A (zh) 2021-06-11
CN112949124B CN112949124B (zh) 2023-03-14

Family

ID=76245553

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110184153.6A Active CN112949124B (zh) 2021-02-08 2021-02-08 一种基于声压分解的水下圆柱壳低频声辐射预报方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112949124B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115783167A (zh) * 2022-11-04 2023-03-14 哈尔滨工程大学 一种船舶设计阶段声纳自噪声评估方法及系统

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103593571A (zh) * 2013-11-22 2014-02-19 东南大学 基于模态分解的水下目标壳体径向振动低频声辐射信号快速估计方法
CN105760585A (zh) * 2016-02-03 2016-07-13 北京航空航天大学 一种基于高阶摄动理论的模糊声压快速求解方法
CN108344497A (zh) * 2017-12-14 2018-07-31 中国船舶重工集团公司第七〇五研究所 水下声基阵互辐射阻抗的光学测试方法
RU2017112555A (ru) * 2017-04-12 2018-10-12 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тольяттинский государственный университет" Низкошумное техническое помещение
CN109489796A (zh) * 2018-09-01 2019-03-19 哈尔滨工程大学 一种基于单元辐射法的水下复杂结构辐射噪声源定位识别与声辐射预报方法
CN109657262A (zh) * 2018-10-29 2019-04-19 中船动力研究院有限公司 船舶自由场水下声辐射远场判据方法
CN111159945A (zh) * 2019-12-27 2020-05-15 哈尔滨工程大学 一种基于主辐射模态的水下圆柱壳低频声辐射预报方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103593571A (zh) * 2013-11-22 2014-02-19 东南大学 基于模态分解的水下目标壳体径向振动低频声辐射信号快速估计方法
CN105760585A (zh) * 2016-02-03 2016-07-13 北京航空航天大学 一种基于高阶摄动理论的模糊声压快速求解方法
RU2017112555A (ru) * 2017-04-12 2018-10-12 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тольяттинский государственный университет" Низкошумное техническое помещение
CN108344497A (zh) * 2017-12-14 2018-07-31 中国船舶重工集团公司第七〇五研究所 水下声基阵互辐射阻抗的光学测试方法
CN109489796A (zh) * 2018-09-01 2019-03-19 哈尔滨工程大学 一种基于单元辐射法的水下复杂结构辐射噪声源定位识别与声辐射预报方法
CN109657262A (zh) * 2018-10-29 2019-04-19 中船动力研究院有限公司 船舶自由场水下声辐射远场判据方法
CN111159945A (zh) * 2019-12-27 2020-05-15 哈尔滨工程大学 一种基于主辐射模态的水下圆柱壳低频声辐射预报方法

Non-Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHAO ZHANG: "Prediction of Sound Radiation from Submerged Cylindrical Shell Based on Dominant Modes", 《APPLIED SCIENCES》 *
SABRY ALLAM: "Investigation of damping and radiation using full plane wave decomposition in ducts", 《JOURNAL OF SOUND AND VIBRATION》 *
YAN XIAO: "Measurement distance of underwater elastic cylindrical shell for radiated sound power", 《2016 IEEE/OES CHINA OCEAN ACOUSTICS (COA)》 *
丁少虎等: "水下圆柱壳低频声辐射特性及有源控制", 《振动与冲击》 *
代路等: "球形和圆柱形结构的声辐射模态及特性分析", 《船海工程》 *
张凯: "简支Mindlin板的振动与声辐射研究", 《噪声与振动科技》 *
李琳玉: "圆柱壳体瞬态辐射噪声评估算法", 《应用声学》 *
王杰: "板结构的声辐射模态分析及其高分辨率法向振动速度重建", 《声学学报》 *
苏俊博: "利用部分声源面测量数据识别噪声源", 《振动工程学报》 *
陈美霞等: "基于FEM/BEM法的内部声激励水下圆柱壳声辐射计算", 《中国舰船研究》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115783167A (zh) * 2022-11-04 2023-03-14 哈尔滨工程大学 一种船舶设计阶段声纳自噪声评估方法及系统
CN115783167B (zh) * 2022-11-04 2023-08-11 哈尔滨工程大学 一种船舶设计阶段声纳自噪声评估方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN112949124B (zh) 2023-03-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Fischer et al. Fast BEM–FEM mortar coupling for acoustic–structure interaction
KR100511205B1 (ko) 음향 홀로그래피를 이용한 개별 음원의 음장 분리 방법
CN111812581B (zh) 基于原子范数的球面阵列声源波达方向估计方法
CN112949124A (zh) 一种基于声压分解的水下圆柱壳低频声辐射预报方法
Yin et al. Hybrid finite element/statistical energy method for mid-frequency analysis of structure− acoustic systems with interval parameters
CN115392029A (zh) 一种基于kwltsa的锂电池热工艺时空建模方法
Hamonic et al. Analysis of a radiating thin‐shell sonar transducer using the finite‐element method
Wang et al. A 3D convolutional neural network based near-field acoustical holography method with sparse sampling rate on measuring surface
CN111159945B (zh) 一种基于主辐射模态的水下圆柱壳低频声辐射预报方法
CN110083988A (zh) 一种船舶水下辐射噪声评估方法
CN105004416B (zh) 基于逆边界元法机械噪声远场声压预测方法
CN112230186A (zh) 一种户内变电站噪声源等效识别方法及装置
Mazzoni An efficient approximation for the vibro-acoustic response of a turbulent boundary layer excited panel
Canclini et al. Dictionary-based equivalent source method for near-field acoustic holography
US6615143B2 (en) Method and apparatus for reconstructing and acoustic field
Wu et al. An element-free Galerkin coupled with improved infinite element method for exterior acoustic problem
CN112666261B (zh) 一种基于声模态叠加的铝板冲击载荷的定位分析方法
CN114792063A (zh) 一种超声导波频散曲线计算方法
CN112364559B (zh) 一种波浪能发电装置布局优化方法及装置
CN114841892A (zh) 一种基于全连接网络的稀疏导波数据恢复方法
Seybert et al. Experimental validation of finite element and boundary element methods for predicting structural vibration and radiated noise
Wei et al. RBF collocation method and stability analysis for phononic crystals
Guo Finite element boundary element numerical simulation study on acoustic vibration coupling problems
Kafri et al. Grad-CAM-Inspired Interpretation of Nearfield Acoustic Holography using Physics-Informed Explainable Neural Network
Berckmans et al. Numerical comparison of different equivalent source models and source quantification techniques for use in sound synthesis systems

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant