CN113987863A - 一种基于导流罩结构设计方案的透声性能仿真计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于导流罩结构设计方案的透声性能仿真计算方法，采用流固耦合的有限元技术，重点对模型简化及建立，网格划分，计算边界条件设置等方面进行分析，通过计算无加强筋的导流罩透声窗有限元模型的插入损失，并将数值仿真结果和理论解析结果进行比较，验证了数值仿真的准确性，本发明为准确获取导流罩透声窗的透声性能提供技术手段，可应用于指导水面船导流罩透声窗的声学设计，为开展导流罩内结构设计提供技术支撑。

Description

一种基于导流罩结构设计方案的透声性能仿真计算方法

技术领域

本发明属于水面船声纳导流罩总体声学设计的技术领域，尤其涉及一种基于导流罩结构设计方案的透声性能仿真计算方法。

背景技术

导流罩是保证声纳在水中处于良好工作环境的透声壳体。导流罩的设计除了要求较低的流噪声以外，还需要兼顾力学性能和静态声学性能，即应该具备足够的强度以及良好的透声性。

近年来，国外逐步开始从系统论的角度论述基于声纳声学特性的导流罩设计，并且已开发多种模拟方法，模拟声纳平台区的自噪声。声纳导流罩的声学设计经常会和结构设计产生冲突，可以通过数值仿真工具在各种矛盾的要求中找到一种适当的设计，并以声波入射到导流罩插入损失的理论模型及有限元模型进行对比为例，阐述了数值仿真技术在声纳导流罩声学设计中的重要性。

我国水面船在导流罩的结构形式、透声性能，声学材料处理等方面缺少系统、精细的工作，特别是对罩内的声学环境几乎没有进行检测与研究。目前，国内在利用数值仿真技术辅助导流罩声学设计领域尚属空白，对计算结果是否可靠，是否能达到工程研制需要的精度要求也需要进行逐步的探索。在相关型号科研工作中开展导流罩透声窗透声性能数值仿真技术研究，可以提高我所总体声学设计水平。

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，提供一种基于导流罩结构设计方案的透声性能仿真计算方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于导流罩结构设计方案的透声性能仿真计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)建模：根据简化模型的尺寸，利用SOLID5单元建立双层板模型，在双层板模型两端及内部利用FLUID30单元建立充水环境，在双层板模型与水介质的接触面建立耦合层，在水层的最左端处，进行平面波声压赋值，在水层的最右端处，利用FLUID130单元建立全吸声来模拟无限远环境；

S2)划分网格：推算最小应力波波长λ_min，然后通过分析频率上限所对应的振动波波长λ_B来确定导流罩透声窗模型有限元网格划分的标准；

S3)求解计算：在建模及划分网格完毕后，根据计算的频段，选定计算的步长，进行求解计算；

S4)数据后处理：根据驻波场中插入损失的计算方法，在双层板模型两端合适位置选取入射声压P_i、反射声压P_r、透射声压P_t，计算插入损失，得到插入损失的结果后，利用软件MATLAB将结果图形化。

按上述方案，步骤S2中具体包括如下内容：

从波动理论出发，一个波长内至少应有五个节点，即四个单元，由此导出单元长度的细化标准，即单元长度

波动理论导出的细化标准如下：

板中的纵长波波速为：

板中的弯曲波波速为：

频率上限所对应的振动波波长：

其中，h为板厚，E为弹性模量，μ为泊松比，ρ为密度；代入频率上限值，计算得到频率上限所对应的振动波波长λ_B，也即频率上限时最小应力波波长值，进而得出单元尺寸Δ。

按上述方案，步骤S4中具体包括如下内容：

被测样品置于驻波场的中央，样品的前方为声波的入射部分，后方为透射部分，由于样品表面的反射，入射部分形成驻波场，采用驻波分离方法，把入射波与反射波分开，在透射部分，理论上要求只存在透射波，因此装上吸声尖劈末端以保证在测试频段内透射部分为行波场，当管中满足平面波声场条件，而且场中水媒的衰减可忽略不计时，在样品前距离x处的声压可写成：

上式表示管中声场是两平面波的迭加，其中

则可变换为：

其中，k为波数；

p(x)的模为：

上式可知，当

时，|p(x)|出现最大值；当

时，|p(x)|出现最小值；令：SWR＝|p(x)|_max/|p(x)|_min，式中SWR为驻波比，则SWR＝(1+R)/(1-R)，而反射系数的幅值为：R＝(SWR-1)/(SWR+1)；

透射系数：T＝p_t/p_i＝p_t(1-R)/|p(x)|_min＝p_t(1+R)/|p(x)|_max；

插入损失为：T_p＝-20lgT。

本发明的有益效果是：提供一种基于导流罩结构设计方案的透声性能仿真计算方法，采用流固耦合的有限元技术，重点对模型简化及建立，网格划分，计算边界条件设置等方面进行分析，通过计算无加强筋的导流罩透声窗有限元模型的插入损失，并将数值仿真结果和理论解析结果进行比较，验证了数值仿真的准确性，对带加强筋的导流罩透声窗的插入损失进行了数值仿真，该仿真可用于指导工程研制。

附图说明

图1为本发明一个实施例的驻波管法测量插入损失原理图。

图2为本发明一个实施例的导流罩结构的设计图。

图3为本发明一个实施例的透声窗模型(不带加强筋)图。

图4为本发明一个实施例的透声窗模型(带加强筋)图。

图5为本发明一个实施例的平面波垂直入射穿过两层金属板的声压分布。

图6为本发明一个实施例的解析值与插入损失有限元解的对比图。

图7为本发明一个实施例的计算区域的网格划分图。

图8为本发明一个实施例的双层板模型插入损失曲线图。

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。

一种基于导流罩结构设计方案的透声性能仿真计算方法，包括如下步骤：

S1)建模：根据简化模型的尺寸，利用SOLID5单元建立双层板模型，在双层板模型两端及内部利用FLUID30单元建立充水环境，在双层板模型与水介质的接触面建立耦合层，在水层的最左端处，进行平面波声压赋值，在水层的最右端处，利用FLUID130单元建立全吸声来模拟无限远环境；

S2)划分网格：推算最小应力波波长λ_min，然后通过分析频率上限所对应的振动波波长λ_B来确定导流罩透声窗模型有限元网格划分的标准；

S3)求解计算：在建模及划分网格完毕后，根据计算的频段，选定计算的步长，进行求解计算；

S4)数据后处理：根据驻波场中插入损失的计算方法，在双层板模型两端合适位置选取入射声压P_i、反射声压P_r、透射声压P_t，计算插入损失，得到插入损失的结果后，利用软件MATLAB将结果图形化。

从波动理论出发，一个波长内至少应有五个节点，即四个单元，由此导出单元长度的细化标准，即单元长度

波动理论导出的细化标准如下：

板中的纵长波波速为：

板中的弯曲波波速为：

频率上限所对应的振动波波长：

其中，h为板厚，E为弹性模量，μ为泊松比，ρ为密度；代入频率上限值，计算得到频率上限所对应的振动波波长λ_B，也即频率上限时最小应力波波长值，进而得出单元尺寸Δ。

以板厚h＝4mm，弹性模量E＝1.16×e¹¹Pa，泊松比μ＝0.32，密度ρ＝4500kg/m³为例，当频率上限为15kHz时，λ_B＝0.0446，单元尺寸应小于0.01115m。

如图1所示，被测样品置于驻波场的中央，样品的前方为声波的入射部分，后方为透射部分。由于样品表面的反射，入射部分形成驻波场，必须采用驻波分离方法，把入射波与反射波分开。在透射部分，理论上要求只存在透射波，因此装上吸声尖劈末端以保证在测试频段内透射部分为行波场。

当管中满足平面波声场条件，而且场中水媒的衰减可忽略不计时，在样品前距离x处的声压可写成：

上式表示管中声场是两平面波的迭加，其中

则可变换为：

其中，k为波数；

p(x)的模为：

上式可知，当

时，|p(x)|出现最大值；当

时，|p(x)|出现最小值；令：SWR＝|p(x)|_max/|p(x)|_min，式中SWR为驻波比，则SWR＝(1+R)/(1-R)，而反射系数的幅值为：R＝(SWR-1)/(SWR+1)；

透射系数：T＝p_t/p_i＝p_t(1-R)/|p(x)|_min＝p_t(1+R)/|p(x)|_max；

插入损失为：T_p＝-20lgT。

实施例一

基于水面船导流罩结构的设计方案，如图2所示，导流罩的透声窗采用双层板壳结构，每层板厚均为4mm。在双层板之间，水平及径向均布置有加强筋，水平的加强筋间距为400mm，径向的加强筋间距为500mm。水平、径向加强筋均为22mm(宽)×25mm(高)的矩形加强结构。

为了避免出现划分的单元数量太多，无论是对计算机硬件的配置还是对计算时间的要求都比较高的情况，需要对透声窗结构进行简化。考虑到计算量的原因，现选取透声窗最中心的4个双层板窗格，尺寸为1000mm×800mm，简化后的透声窗模型(不带加强筋) 如图3所示，若保留十字形加强筋，简化后的透声窗模型(带加强筋)如图4所示。

在不带加强筋的双层板模型两端及内部利用FLUID30单元建立水层，水层总长度为2m，在水层的最左端(x＝-1.0m)处，进行平面波声压赋值，在水层的最右端(x＝1.0m)处，利用FLUID130单元建立全吸声来模拟无限远环境。对双层板及周围水层进行划分网格，采用本智力成果，对该简化模型的插入损失进行仿真计算。

计算出声波垂直入射到间距为25mm的双层板插入损失理论解析值，包括如下内容：

当平面波入射到两种介质的平面分界面上时，部分声能被反射，形成反射波；部分声能透过界面进入另一个介质形成折射波。

假定水中平面声波垂直入射到无限大的、均匀的、平行的两层金属板，如图5所示。板的厚度为l，板间距为d。在每一水域的声压波动方程的通解形式如下：

p_1i＝P_A1ie^-jkx

p_1r＝P_A1re^-jkx

p_3t＝P_A3te^-jk(x-l)

p_3r＝P_A3re^jk(x-l)

p_5t＝P_A5te^-jk(x-d-2l)

其中，p_1i为垂直入射的平面波声压，p_1r、p_3r为反射波声压，p_3t、p_5t为透射波声压。由于板的左右声压不相等，使板产生一加速度

。对于左侧的板，在x＝0、x＝l处的声压分别为P₁＝P_A1i+P_A1r，P₃＝P_A3t+P_A3r。则板的运动方程为：

由于板很薄，即l＜＜λ，由质点法向振速连续条件知：在x＝0、x＝l处的质点振速可认为都等于板的振速，即：

由上式可得：jωM(P_A1i-P_A1r)/z1＝jωM(P_A3t-P_A3r)/z1＝P₁-P₃；

同理得右板在x＝d+l、x＝d+2l处有：

jωM(P_A3te^-jkd-P_A3re^jkd)/z1＝jωMP_A5t/z1＝P_A3te^-jkd+P_A3re^jkd-P_A5t；

由上式可得：

式中M为单位面积板的质量，M＝ρl，ρ为材料的密度；z1为水的特性阻抗。

双层金属板的插入损失为：

将该解析值与不带加强筋的双层板模型插入损失有限元解进行对比分析，如图6所示，在误差允许的范围内，有限元算法和解析法的计算结果都吻合得较好，充分验证了本智力成果的可行性。

验证了流固耦合有限元算法的可行性后，在保留加强筋的双层板模型两端及内部利用 FLUID30单元建立水层，考虑到计算量的原因，水层总长度为0.8m，在水层的最左端(x＝-0.4m)处，进行平面波声压赋值，在水层的最右端(x＝0.4m)处，利用FLUID130 单元建立全吸声来模拟无限远环境。对该模型及周围水层进行划分网格，如附图7所示。采用本智力成果，对该简化模型的插入损失进行仿真计算，仿真计算结果如图8所示。

通过图8可以看出，在10kHz～15kHz的频段内，大部分频点的插入损失值都在1.5dB 内，部分频点(12.2kHz，13.6kHz，13.7kHz，14.1kHz)的插入损失值高于2dB，这是因为与水介质耦合的透声窗有限元模型，会在声波垂直入射的情况下发生谐振，这部分频点即为谐振频点。谐振频点是整个系统的固有特征，一旦透声窗的尺寸、间距、加强筋的尺寸、入射声波的幅值或相位发生变化，谐振频点都会随之更改。

为了对数值仿真结果(离散值)的变化趋势有更直观的理解，可以对计算结果进行线性拟合处理，如图8所示，可以看出拟合后的插入损失曲线在仿真频段内呈上升趋势。

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)

1.一种基于导流罩结构设计方案的透声性能仿真计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)建模：根据简化模型的尺寸，利用SOLID5单元建立双层板模型，在双层板模型两端及内部利用FLUID30单元建立充水环境，在双层板模型与水介质的接触面建立耦合层，在水层的最左端处，进行平面波声压赋值，在水层的最右端处，利用FLUID130单元建立全吸声来模拟无限远环境；

S2)划分网格：推算最小应力波波长λ_min，然后通过分析频率上限所对应的振动波波长λ_B来确定导流罩透声窗模型有限元网格划分的标准；

S3)求解计算：在建模及划分网格完毕后，根据计算的频段，选定计算的步长，进行求解计算；

S4)数据后处理：根据驻波场中插入损失的计算方法，在双层板模型两端合适位置选取入射声压P_i、反射声压P_r、透射声压P_t，计算插入损失，得到插入损失的结果后，利用软件MATLAB将结果图形化。

2.根据权利要求1所述的一种基于导流罩结构设计方案的透声性能仿真计算方法，其特征在于，步骤S2中具体包括如下内容：

从波动理论出发，一个波长内至少应有五个节点，即四个单元，由此导出单元长度的细化标准，即单元长度

波动理论导出的细化标准如下：

板中的纵长波波速为：

板中的弯曲波波速为：

频率上限所对应的振动波波长：

其中，h为板厚，E为弹性模量，μ为泊松比，ρ为密度；代入频率上限值，计算得到频率上限所对应的振动波波长λ_B，也即频率上限时最小应力波波长值，进而得出单元尺寸Δ。

3.根据权利要求2所述的一种基于导流罩结构设计方案的透声性能仿真计算方法，其特征在于，步骤S4中具体包括如下内容：

被测样品置于驻波场的中央，样品的前方为声波的入射部分，后方为透射部分，由于样品表面的反射，入射部分形成驻波场，采用驻波分离方法，把入射波与反射波分开，在透射部分，理论上要求只存在透射波，因此装上吸声尖劈末端以保证在测试频段内透射部分为行波场，当管中满足平面波声场条件，而且场中水媒的衰减可忽略不计时，在样品前距离x处的声压可写成：

上式表示管中声场是两平面波的迭加，其中

则可变换为：

其中，k为波数；

p(x)的模为：

上式可知，当

时，|p(x)|出现最大值；当

时，|p(x)|出现最小值；令：SWR＝|p(x)|_max/|p(x)|_min，式中SWR为驻波比，则SWR＝(1+R)/(1-R)，而反射系数的幅值为：R＝(SWR-1)/(SWR+1)；

透射系数：T＝p_t/p_i＝p_t(1-R)/|p(x)|_min＝p_t(1+R)/|p(x)|_max；

插入损失为：T_p＝-20lgT。

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