CN113844629A - 一种流激孔腔振动噪声抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种流激孔腔振动噪声抑制方法，根据斯特鲁哈数识别流激水下航行体开孔处流体间流体动力学相互作用导致的宽带噪声；结合数值仿真分析方法的预报结果流体作用下的耦合共振导致的窄带噪声；设计流激水下航行体孔腔耦合噪声控制流程，提出减少开孔数量或将其关闭、降低结构响应的方式控制宽带噪声；通过将水动力振荡频率与共振器特征频率错开超过15％以上的方式控制窄带噪声，本发明可识别流激孔腔振动噪声，并实现该类噪声抑制，从而避免水下航行体出现流激异常噪声。

Description

一种流激孔腔振动噪声抑制方法

技术领域

本发明属于水下航行体流激孔腔噪声控的技术领域，尤其涉及一种流激孔腔振动噪声抑制方法。

背景技术

为实现上浮下潜等功能，水下航行体表面不可避免要开设一些开孔，开孔的设置则可能带来流激孔腔振动噪声。随着水下航行体振动噪声研究的深入，水下航行体孔腔耦合噪声问题发现不仅在中高航速，低速下同样可能出现，水下航行体孔腔耦合噪声控制是当前研究重点。但当前水下航行体孔腔耦合噪声控制基础较为薄弱，需要通过开孔水动力布局设计，一方面需要开展开孔自身声学设计，另一方面考虑开孔与空腔中流体作用下的耦合振荡，建立激励源与水动力噪声传播特征之间的关系，分析研究难度高；且保证开孔功能设计的同时控制其水动力噪声，具有相当的难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种流激孔腔振动噪声抑制方法，避免水下航行体出现流激孔腔耦合异常噪声。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种流激孔腔振动噪声抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)确定开孔参数：在确保潜艇在满足下潜上浮性能要求的前提下，初步确定潜艇舷外开孔面积、孔型、尺寸以及空腔尺寸；

S2)确定开孔位置：根据艇体不同部位的流场及压力分布情况，合理布置开孔，尽量避开声纳基阵布置；

S3)流激孔腔噪声识别：流激孔腔噪声分为宽带和窄带噪声两类，窄带噪声分为三种情况，分别是流体作用下结构的耦合共振、流体声腔耦合共振和流体声腔-结构耦合共振，结构的耦合共振及流体声腔-结构耦合共振在开孔处的流体动力振荡频率与孔腔附近结构固有频率的差别达到或超过15％时不会发生；流体声腔耦合共振在开孔处的流体动力振荡频率与孔腔附近结构固有频率差距很大时不会发生；

S4)水动力振荡频率计算：计算主要航速下开孔的前三阶水动力振荡频率；

S5)结构模态频率以及腔体与其结构耦合模态频率计算：采用数值仿真分析方法进行预报水下航行体开孔附近结构模态频率以及腔体与其结构耦合模态频率；

S6)宽带噪声抑制：开展开孔形式优化，降低宽带噪声；

S7)窄带噪声抑制：若流体动力振荡频率与孔腔附近结构固有频率的错开率小于15％，则需要重新布局开孔的位置以及开孔的型式，确保开孔的的前三阶水动力振荡频率与开孔附近结构模态频率、腔体与其结构耦合模态频率错开15％以上。

按上述方案，步骤S4中具体包括如下内容：

开孔绕流时，水流从前缘分离所造成的激励以中等水速迁移到后缘，并在与它相互作用的同时，形成从后缘向各方向以声速传播的压力脉动，压力脉动促进新激励的形成，形成水动力振荡，以斯特鲁哈数为表征的f_n，L和V值的关系为：

式中，S_t为Strouhal数，M＝V/C，为Mach数，L为流向上的开孔尺寸，n为谐调的阶数，n＝1,2,3…正整数，V为自由流速，V_c为腔中剪切层流迁移速度，f_n为固有频率。

按上述方案，步骤S6中具体包括如下内容：

宽带噪声只与开孔本身以及开孔附近结构有关，因此宽带噪声控制最为有效的措施是消源，即减少开孔数量或在水下航行时将其关闭；其次是降低结构响应，即对开孔缘附近局部结构进行加强。

本发明的有益效果是：提供一种流激孔腔振动噪声抑制方法，识别流激孔腔振动噪声的类型，从而制定针对性控制措施；此外，给出了流激水下航行体孔腔振动噪声控制的设计流程，从而确保设置合理开孔，避免出现流激共振现象出现，具有较强的工程设计指导意义。

附图说明

图1为本发明一个实施例的流程框图。

图2为本发明一个实施例的耐压艇体上振动测点总振级的变化规律图。

图3为本发明一个实施例的一定航速下振动加速度特征线谱图。

图4为本发明一个实施例的特征线谱沿船长的分布图。

图5a-5d为本发明一个实施例的水中格子板前4阶模态图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

一种流激孔腔振动噪声抑制方法，实现该类噪声抑制，避免水下航行体出现流激孔腔耦合异常噪声。

宽带和窄带噪声识别：

流体激励水下航行体孔腔振动噪声从出现的特征来说可分为宽带和窄带噪声两类，宽带噪声(流体动力振荡)主要是开孔处流体间流体动力学相互作用，包含腔体自由剪切层振荡与腔内流动的耦合作用，不涉及腔体内的声学驻波模态以及结构弹性模态，即只发生自由剪切层的自激振荡。自激振荡主要取决于剪切层的不稳定性，在开孔的前缘，边界层发生分离，导致紊流压力脉动功率谱密度的ΔPT明显上升，在谱的低频区达40dB。在开孔前缘的上游，以及开孔的两侧，压力脉动级很快下降到光滑表面边界层的水平。但顺流向下离开开孔时，压力脉动的下降因流激励以中等流速迁移而减慢。首先压力脉动级上升，在低频处达到最高点，然后随着频率的升高，和距开孔距离的增大，以及自由流速的下降而单调降低。当激励以中等流速迁移时，边界层从开孔前沿分离引起的紊流扰动衰减速度愈高，则它们近似地与U/f成正比的空间尺度愈小。

开孔绕流时，水流从前缘分离所造成的激励以中等水速迁移到后缘，并在与它相互作用的同时，形成从后缘向各方向以声速传播的压力脉动。以斯特鲁哈数为表征的f_n，L和V值的关系为

式中：S_t为Strouhal数，M＝V/C，为Mach数，L为流向上的开孔尺寸，n为谐调的阶数，n＝1,2,3…正整数，V为自由流速，V_c为腔中剪切层流迁移速度，f_n为固有频率。这个压力脉动促进新激励的形成，其结果是形成所谓的水动力振荡，它在开孔后面的绕流表面上的紊流压力脉动功率谱中，表现为具有以(1)式确定的中间频率上相对平缓上升到最大值的形状。随着离开孔距离的增大，由水动力振荡产生的压力脉动级的下降速度要比由水流分离引起的宽带压力脉动快得多，也就是说，水动力振荡绕流表面上作用的面积，比水流分离的宽带激励作用的面积小。

上述公式中的为谐调的阶数，第一阶对应于剪切层聚集过程，是最主要的振荡模式，更高阶的振荡模式为对应频率的谐波分量，其剪切振荡频率的幅值随阶数增大而逐步减小，工程应用当中通常只需要考虑前三阶即可。

宽带噪声通常仅对近场区域产生较大影响，对辐射噪声影响很小。

窄带噪声则又分为三种情况，分别是流体作用下结构的耦合共振(弹性共振)、流体声腔耦合共振(水动力型共振)和流体声腔-结构耦合共振。流体弹性耦合共振是指开孔处的流体动力振荡频率与孔腔附近结构固有频率吻合而产生的相互作用；流体声腔耦合共振是指开孔处的流体动力振荡频率与空腔固有声模态吻合而产生的声腔共振，即赫姆赫兹共振器，这是一种受腔内声学驻波模态控制的流体振荡，由于水下航行体航速相对较低，水的密度大，通常流体动力振荡频率与空腔固有声模态频率差距很大，基本上不太可能产生此类共振现象；流体声腔-结构耦合共振是指开孔处的流体动力振荡频率与腔体—结构耦合模态吻合而产生的声腔—结构耦合共振。

当水动力振荡频率与共振器特征频率一致时，在腔体中的声振动与开孔上方的水流中形成激励之间发生反馈关系。发生共振动时，水动力激励的形成过程不是由这些激励与开孔后缘相互作用时产生的压力脉动来控制，而是由腔体共振器中的声振动控制，共振的频率与流速的关系很小，如果水动力振荡频率与共振器特征频率的差别达到或超过15％，则共振不会发生。共振的高强度和高品质因数导致它们在外部声场中表现为水下噪声功率谱中的离散分量，它们完全决定了相应1/3倍频程频带中的噪声级。

流体声腔-结构耦合共振的简单模型是弹簧质量系统，空腔开口处的流体为质量，空腔中可压缩的流体及其腔壁为弹簧。流体声腔-结构耦合共振的频率可按下式计算：

式中：A：空腔开口面积，L'：腔颈有效长度，V：空腔体积，ρ₀：腔内流体密度，C：声速，P：空腔开口处压力，分母的第一项为表面腔壁振动产生的体积变化所带来的视在压缩性，分母的第二项来源于腔内流体的压缩。当不考虑分母第一项时式(2)则退化为流体声腔耦合共振(水动力型共振)。

从上述分析可以看出，共振产生的条件的水动力振荡频率与开孔附近结构或腔体固有频率接近，一旦设计完成开孔附近结构或腔体固有频率固定，水动力振荡频率也只与航速或流速正相关，因此该类噪声识别方法较为简单，只需要调整航速或流速，使其偏离15％(向上或向下均可)，如果水声或结构振动中的突出窄带谱消失或大幅降低(一般降低超过10dB)，则表明发生了流激孔腔共振现象。

宽带和窄带噪声控制设计方法：

根据上述描述，表面开孔有关的宽带噪声辐射只与开孔本身以及开孔附近结构有关，因此宽带噪声控制最为有效的措施是消源，即减少开孔数量或在水下航行时将其关闭之外，其次是降低结构响应，即对开孔缘附近局部结构进行加强。

窄带噪声控制的核心是频率错开，通常是通过为开孔选择一个纵向尺寸方式来实现。水动力振荡频率可通过式(1)来进行计算，通常只需要计算前三阶频率即可，开孔附近结构模态频率以及腔体与其结构耦合模态频率预报则相对复杂，特别是复杂结构或复杂腔体，工程中通常采用数值仿真分析方法进行预报，可选用具备处理流固耦合的CAE仿真分析软件进行预报。

实施例一

在某型号航行试验中发现，在中高航速下耐压艇体结构出现异常振动，通过相关部位结构振动的测量，并依据测试数据进行了分析与初步定位，识别过程如下：

1、相关部位结构振动频谱特性分析：从耐压艇体结构的噪声测点来看，低航速下并未出现明显的强线谱，而在一定的中高航速下出现振动强线谱(见图2)，且该线谱直接决定了总振级，因此可以判断，该处耐压艇体振动量级相应的航速区段大幅增大主要是受强线谱的影响，且线谱频率和量级随着航速的变化而不同，与航速密切相关，如图3所示；

2、特征线谱沿空间分布特征：对特征线谱沿艇长度方向及周向的分布特性进行了分析，通过特征线谱的峰值位置定位线谱噪声源，如图4所示；

3、考虑到特征线谱主要出现在中高航速、并且随航速的变化线谱频率跳变的特征，符合流体激励结构振动的特点。因此初步分析耐压艇体上突出的特征线谱成因是流体激励该处的压载水舱格子板引起的；

4、通过数值仿真的方法预报压载水舱格子板在水中的前4阶固有频率及其振型表述，图5a-5d给出了前4阶模态振型。考虑到边界条件约束略大，所以实际结构的固有频率会略低于计算结果。压载水舱格子板前两阶固有频率与两个航速下的强线谱接近，因此可以判断：IV舱中高航速下结构振动强线谱可能与该格子板有关。

5、整改原来压载水舱光板开孔形式，变为格栅形式，大幅提高格子板的首阶固有频率，与该处开孔的剪切振荡频率错开，最终问题得以解决。

表一格子板在水中的前4阶模态

阶次	固有频率	振型描述	图号
				1	113.384	n＝2左右反对称弯曲模态	图5a
2	117.391	n＝3左右对称弯曲模态	图5b
				3	162.177	n＝2左右对称弯曲模态	图5c
4	179.080	n＝2前后反对称弯曲模态	图5d

以上所述为本智力成果的较佳实施例而已，但本智力成果不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所有凡是不脱离本智力成果所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本智力成果保护的范围。

Claims (3)

1.一种流激孔腔振动噪声抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)确定开孔参数：在确保潜艇在满足下潜上浮性能要求的前提下，初步确定潜艇舷外开孔面积、孔型、尺寸以及空腔尺寸；

S2)确定开孔位置：根据艇体不同部位的流场及压力分布情况，合理布置开孔，尽量避开声纳基阵布置；

S3)流激孔腔噪声识别：流激孔腔噪声分为宽带和窄带噪声两类，窄带噪声分为三种情况，分别是流体作用下结构的耦合共振、流体声腔耦合共振和流体声腔-结构耦合共振，结构的耦合共振及流体声腔-结构耦合共振在开孔处的流体动力振荡频率与孔腔附近结构固有频率的差别达到或超过15％时不会发生；流体声腔耦合共振在开孔处的流体动力振荡频率与孔腔附近结构固有频率差距很大时不会发生；

S4)水动力振荡频率计算：计算主要航速下开孔的前三阶水动力振荡频率；

S5)结构模态频率以及腔体与其结构耦合模态频率计算：采用数值仿真分析方法进行预报水下航行体开孔附近结构模态频率以及腔体与其结构耦合模态频率；

S6)宽带噪声抑制：开展开孔形式优化，降低宽带噪声；

S7)窄带噪声抑制：若流体动力振荡频率与孔腔附近结构固有频率的错开率小于15％，则需要重新布局开孔的位置以及开孔的型式，确保开孔的的前三阶水动力振荡频率与开孔附近结构模态频率、腔体与其结构耦合模态频率错开15％以上。

2.根据权利要求1所述的一种流激孔腔振动噪声抑制方法，其特征在于，步骤S4中具体包括如下内容：

开孔绕流时，水流从前缘分离所造成的激励以中等水速迁移到后缘，并在与它相互作用的同时，形成从后缘向各方向以声速传播的压力脉动，压力脉动促进新激励的形成，形成水动力振荡，以斯特鲁哈数为表征的f_n，L和V值的关系为：

式中，S_t为Strouhal数，M＝V/C，为Mach数，L为流向上的开孔尺寸，n为谐调的阶数，n＝1,2,3…正整数，V为自由流速，V_c为腔中剪切层流迁移速度，f_n为固有频率。

3.根据权利要求2所述的一种流激孔腔振动噪声抑制方法，其特征在于，步骤S6中具体包括如下内容：

宽带噪声只与开孔本身以及开孔附近结构有关，因此宽带噪声控制最为有效的措施是消源，即减少开孔数量或在水下航行时将其关闭；其次是降低结构响应，即对开孔缘附近局部结构进行加强。

Images