运用AutoSEA分析潜艇结构的高频声辐射特性

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(海军工程大学 船舶与动力学院，武汉 430033)

高频振动及其引起的潜艇结构声辐射在潜艇结构的整体声辐射中占有重要地位。一方面，潜艇结构本身庞大复杂，可以看作由大特征尺寸结构(板、梁等)所组成，即便到高阶模态，固有频率仍会很低；另一方面，潜艇结构中的各种激励则具有宽频带分布特性[1]，见表1。

表1 船舶典型激励的频带分布 Hz

统计能量法是分析结构高频振动及其引起的声辐射的有效方法。AutoSEA2是基于统计能量法而开发的用于中、高频结构振动、噪声分析和优化设计的有效工具，其在航空航天和汽车工业上的应用，相对来说已经比较成熟[2-5]，而在船舶和潜艇上的应用则处于起步阶段。

1 建立潜艇结构统计能量分析模型

在UG中建立suboff单壳体潜艇的几何模型，同时，为了使分析结果更具有实际应用价值，参考实际潜艇的舱段设计，在几何模型中进行粗略的舱段划分。从头部到尾部，共划分了5个舱段，依次标记为舱段1～5，见图1。

在此基础上，将建立的suboff潜艇几何模型导入AutoSEA2，建立统计能量分析模型。

图1 潜艇体结构子系统划分

在建立的统计能量分析模型中，所有壳体、舱壁采用钢材料，厚度为1 cm, 外部介质为海水。整个模型共划分为29个子系统。

舱段1采用双曲率板进行模拟；与指挥台围壳相连接的中间开孔舱段2沿中线剖开，划分为两个单曲率板子系统(2,3);尾部与舵相连接的舱段5采用相似的处理方法，划分为4个单曲率板子系统(8,9,10,11)；舱段3和舱段4采用圆柱壳子系统进行模拟；指挥台围壳划分为两个对称的单曲率板子系统(6,7);4个舵采用同样的处理方法，共划分为8个单曲率板子系统(13～20)。指挥台围壳和舵上方的封闭结构采用了平板子系统模拟(12,21～25)；舱段之间的舱壁，采用平板子系统(25～28)进行模拟。处理后的模型可以方便地利用AutoSEA2中提供的自动连接功能，建立子系统之间的连接。

实际上，考虑到当外部激励作用在壳体上激励艇体振动时，壳体的振动很难传递到舱壁结构。在对较复杂结构进行统计能量分析子系统划分时，结合研究需要，可以适当地略去这种类舱壁结构的子系统建模。对省略前和省略后两种状况下的结构声辐射分别进行试算，所得结果验证了此考虑的可信性。

在舱段4(子系统5)内作用有径向单位激励力。

2 数值分析

由于研究的是潜艇的壳体声辐射，建立的潜艇壳体结构模型主要由板、壳、圆柱结构组成，故能量大部分通过弯曲波传输[6]。在研究中只考虑弯曲波传输能量，计算和分析潜艇壳体结构外声场辐射特性。

利用AutoSEA提供的振源排序功能，对各振源引起的声辐射在总辐射声功率中的贡献大小进行排序，明确主要振源和减振降噪措施的主要施加对象；之后针对性地采取一定的减振隔振措施(增大动力舱壳体的厚度和结构损耗因子)，分析其效果。

图2反映的是对外声场辐射有较显著贡献的各子系统向声介质中的输入功率大小。

图2 各振源贡献排序

由图2可以对各振源的贡献进行排序。输入外声场的总功率主要来自于激励力直接作用的子系统5向其输出的声功率。因此，为了提高潜艇隐蔽性，满足潜艇声学性能指标时，首先需考虑的是对动力舱段采取减振、隔振措施。

明确了对外场声辐射贡献较大的主要振源，接下来有针对性地对选定的对象采取隔振、减振措施。本文主要考虑壳体厚度和阻尼因子的变化对结构声辐射的影响。

图3反映的是动力舱外壳(子系统5)的结构阻尼损耗因子(DLF)分别缩小和扩大10倍后，外声场中辐射声压的大小。

图3 动力舱阻尼因子对声辐射影响

由图3看出，阻尼值越大，则辐射声压越小，对提高潜艇隐蔽性越有利，并且，随着阻尼值的增加，减振效果更加明显。在对潜艇进行减振降噪处理时，应尽可能地增大结构阻尼损耗因子以取得较理想的减振效果。

图4反映的是只对动力舱结构阻尼损耗因子扩大10倍和对整艇结构阻尼损耗因子全部扩大10倍后，外声场中辐射声压级的大小。

图4 动力舱和整艇阻尼因子扩大对声辐射影响

从图4可以看出，对整艇结构施加阻尼处理后的消声效果要好于只对动力舱进行阻尼处理所取得的效果，但并不是十分显著。尤其是在高频段，效果更是微乎其微。在工程实际中，从经济性角度考虑，在对实艇进行阻尼消声处理时，可以有所取舍，着重对在总体声辐射中贡献较大的结构进行针对性的阻尼处理。

图5反映的是动力舱壳体厚度分别为5、10、20 mm时的潜艇壳体声辐射。

图5 动力舱壳体厚度对声辐射影响

由图5可以看出，壳体越厚，外声场的辐射总声压越小。在潜艇设计建造中，综合考虑各方面影响因素，尽可能增大壳体厚度，在满足强度需求的同时，也可以取得较好的振声特性。

图6反映的是只对动力舱段壳体加厚和对整艇结构全部加厚后，潜艇外声场辐射声压的变化。

图6 整体和部分舱段增厚对声辐射影响对比

从图6可以看出，两者效果差别不是太大。并且只对动力舱加厚时，辐射声压级较整艇壳体结构厚度相同时要小，这是因为阻抗和结构失匹使子系统之间的能量传递变得困难。在对潜艇进行声学性能优化时，合理应用这一特性，既可取得较好的减振降噪效果，又经济节约。

3 结论

1) 动力舱壳体振动引起的声辐射是外场声辐射的主要贡献者，在进行潜艇减振降噪处理时，动力舱应是首要考虑对象。

2) 增加壳体厚度和增大结构损耗因子都可以降低潜艇结构的声辐射量级。

3) 在对实艇进行声学优化设计时，并不必要对全部结构整体采取减振降噪措施；应首先对各振源贡献进行排序，确定主要振源，从主要振源入手，针对性处理，既可以取得比较理想的消声效果，又经济可行。

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