声呐平台噪声控制机理分析

李东升，徐海宾，蔡卫丰，刘汉文

（1.中国船舶科学研究中心 船舶振动噪声重点实验室，江苏无锡214082；

2.海鹰企业集团有限责任公司，江苏无锡 214061）

声呐平台噪声控制机理分析

李东升1，徐海宾2，蔡卫丰2，刘汉文2

（1.中国船舶科学研究中心 船舶振动噪声重点实验室，江苏无锡214082；

2.海鹰企业集团有限责任公司，江苏无锡 214061）

文章针对舰艇声呐平台的噪声问题，研究了三大噪声源对声呐自噪声的影响。研究表明，声呐舱水动力噪声分量主要受肋骨结构影响，在设计中应避免肋骨的形函数与湍流脉动压力波数—频率谱耦合。舰艇自身的螺旋桨噪声和辐射噪声主要从后部和底部向声呐平台传递，在声呐壁面附近和声呐区域产生较高噪声，为提高声呐自噪声控制效果，应在非透声壁面采取隔声措施。舷侧声呐受艇体振动影响较大，应在声呐单元安装导轨的振动传递途径上采取阻尼控制措施，有效降低声呐单元的振动响应。

声呐；声呐罩；声呐自噪声；水动力噪声

0 引 言

声呐基阵部位的噪声，就是通常所说的声呐自噪声，主要是舰船机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声以及海洋环境噪声对声呐基阵产生的一种背景干扰。为降低这些干扰对声呐探测的影响，国内外在声呐舱内外主要采用了吸声结构、阻尼材料、声障板等手段控制声呐自噪声。但这些措施具体控制效果如何，如何合理布置、优化减振降噪材料，需从噪声源、频率特征、传递途径等角度综合考虑声呐平台的噪声控制效果。对声呐平台的噪声预报和控制分析，Maidanik[1]和Kuo[2]等采用无限大平板模型，分别计算了机械力和湍流脉动压力激励下声呐罩内的噪声；Muer[3]和Vassas[4]采用统计能量法建立了声呐罩在湍流脉动压力激励下自噪声计算方法。俞孟萨[5]采用解析法建立了加肋平板在湍流脉动压力激励下肋骨对自噪声的影响。

因此，为解决声呐平台噪声问题，本文从噪声源传递途径的角度出发，采用解析和数值混合法研究透声窗肋骨对自噪声的影响，振动和辐射噪声向声呐平台的传递规律，为声呐平台低噪声设计提供参考。

1 声呐自噪声控制措施及机理分析

1.1 湍流激励透声窗的水动力噪声

透声窗水动力噪声是加肋薄壳结构在表面湍流脉动压力激励下，壳板弹性振动将水动力能量转换为宽带连续谱的噪声能量。文献[5-6]将透声窗简化为无限周期加肋壳板，分析了壳板材料、肋骨对水动力噪声的影响，指出肋骨使平板弯曲波数向高波数迁移，其与湍流脉动压力波数—频率谱的峰值重合，将在声呐舱内产生高噪声峰值，起到放大自噪声的作用。考虑到透声窗具有双向加肋的复杂结构，采用理论解难以直接分析。因此，为解决复杂结构的水动力噪声分析问题，本文利用有限元分析复杂加肋结构的模态响应，采用理论解分析复杂加肋结构形函数和湍流脉动压力波数频率—谱的耦合关系，为透声窗肋骨优化提供设计方法。

为使本方法具有通用型，建立图1所示弹性板振动模型，弹性板单元面积为Ap，长为Ly，宽为Lx，其上方受湍流脉动压力激励pt，下方受声波pa作用。弹性薄板结构弯曲振动位移方程满足[7]：

式中：D为板弯曲刚度，ms为板面密度，Cd为板阻尼系数。pa（x， y，z，t）为作用在板上的声压，pt为湍流脉动压力激励力。

上式对应的振动位移自由解为：

式中：ψmnx，（ ）

y 为弹性板的模态本征函数。由弹性板的边界条件和Fourier变换，可得作用在弹性板上的模态声压：

图1 弹性结构振动模型Fig.1 Modelofflexible structure vibration

式中：ρ0为水介质密度，c0为水中传播声速，Smn（ k1，k2）为模态波函数，σmn为模态辐射效率，mmn为模态附加质量。Vmn（ω ）为模态振速。

因为湍流脉动压力为随机过程，弹性板结构的振动特性需用功率谱密度描述，模态振速的自谱密度φVmn可用模态力的自谱密度表示[5]：

式中：Ap为弹性板的面积，Φppk1，k2，（ ）ω 为弹性板表面湍流脉动压力的波数—频率谱函数。

由（6）式可知，模态力的自谱密度取决于湍流脉动压力的波数—频率谱和模态波函数乘积的波数积分，反映了湍流脉动压力与结构振动模态的空间耦合程度。由速度自谱密度和模态振速的关系，可得模态辐射声功率：

相应的声功率级为：

式中：P0为参考声功率，P0=0.67×10-18瓦。

折算到参考距离1 m处的均方声压级为：

根据上述建立的方法，利用有限元软件建立加肋弹性板的数值模型，由加肋弹性板结构的振动模态可得各阶模态的本征函数ψmn（ x， y ）、模态波函数Smn（ k1，k2）、模态辐射效率σmn（ω）等，分析肋骨和湍流波数谱的耦合关系，最终可得加肋弹性板结构在湍流脉动压力激励下的模态辐射声压SPLmn。

采用有限元建立1 m×1 m弹性双向加肋壳板，肋骨尺寸见表1。

表1 加肋平板肋骨尺寸Tab.1 Scale of stiffener for plate

图2 加肋平板的模态波函数Smn（ k1，k2）Fig.2 Modal wave function Smn（ k1 ，k2）of stiffened plate

图3 湍流脉动压力谱和模态波函数的相互作用Fig.3 Interaction of modal wave function and turbulence pressure wave-number spectrum

图4 平板和加肋平板各模态的辐射声压Fig.4 Comparison of radiation sound pressures of structure mode between plate and stiffened plate

1.2 辐射噪声对声呐自噪声的影响

舰艇辐射噪声包含艇体辐射噪声和螺旋桨辐射噪声，其噪声传播途径比较复杂，还没有较好的理论能准确描述辐射噪声从艇艉到艇艏的传播。但考虑到辐射噪声主要是从导流罩后部和底部向声呐平台传递，因此建立导流罩数值模型，采用数值有限元的方法计算分析导流罩内的声场分布特征。针对某舰艏声呐平台，采用结构有限元和声学有限元的方法建立数值模型，见图5，分别分析声呐平台后部和底部噪声源对声呐自噪声的影响。

图5 声呐平台声学有限元模型Fig.5 FEM model of sonar platform

图6 辐射噪声后部传递途径分析模型Fig.6 Transfer Path Analysis model of radiation sound for the tail of the platform

图7 吸隔声对后部入射噪声的降噪效果Fig.7 Noise reduction effect of absorption and isolation scheme on sound incident from the heel-wall of the platform

图8 辐射噪声底部传递途径分析模型Fig.8 Transfer Path Analysis model of radiation sound for the bottom of the platform

图9 吸隔声对底部入射噪声的降噪效果Fig.9 Noise reduction effect of absorption and isolation scheme on sound incident from the bottom-wall of the platform

计算表明，噪声传递到声呐平台区域，会激励声呐平台非透声界面的钢结构、透声窗和内外水耦合振动，振动噪声传递到声呐基阵部位。从噪声分布图可见，罩内后部区域噪声较高，越靠近壳板结构区域的噪声较大，而中间区域噪声相对较低。为降低罩内声呐自噪声，在非透声界面采取吸声和隔声综合措施，可有效阻挡外界噪声对声呐自噪声的影响，见图6～9。因此，在声呐导流罩内采取吸声措施降低声反射的同时，应注重在非透声界面根据噪声频率采取隔声措施，抑制外界噪声激励壳体结构对声呐自噪声的影响。

1.3 艇体振动对声呐自噪声的影响

舰艇艏部声呐离主要振动源较远，受舰艇振动影响相对较小。而舷侧声呐在艇体侧部宽区域内分布，受舰艇机械设备振动影响较为明显，高振动噪声会在舷侧声呐部位产生假目标等现象。因此，在艇体与声呐导轨安装方式确定的条件下，利用有限元建立舷侧声呐安装结构的数值模型（见图10），在艇内采用多点激励作用在耐压壳体内侧，数值分析在导轨及其附近区域采取抑振措施对声呐单元振动响应的影响。

分析结果表明，舷侧阵附近耐压壳体振动对声呐单元振动影响较大。考虑到舷侧声呐工作频率通常在几百赫兹，增大声呐安装导轨的阻尼损耗，可使声呐单元振动响应降低5 dB以上。在声呐安装导轨和轻外壳连接的附近区域采用阻尼抑振措施，能有效降低声呐单元振动10 dB左右，见图11。

图10 舷侧声呐阵布置示意图Fig.10 Sonar Array installation on the sideboard of the ship

图11 不同减振措施对声呐单元振动的影响比较Fig.11 Comparison of vibration reduction effect of various vibration-reduce measurements

2 结 论

本文针对舰艇声呐自噪声问题，分析了水动力噪声、辐射噪声和艇体振动三大噪声源对声呐自噪声的影响。研究结论主要如下：

（1）声呐部位的水动力噪声主要由透声窗受湍流激励产生，其作用机理主要为湍流波数—频率谱和透声窗加肋壳板的模态波函数耦合，产生各模态辐射噪声。耦合强度由横向肋骨刚度决定，横向肋骨刚度大，肋骨在模态波函数上产生较高峰值，模态辐射噪声高。因此，为降低透声窗水动力噪声，应减小横向肋骨，适当增大流向肋骨以保证整体强度；

（2）辐射噪声主要从声呐平台的后部和底部向艏声呐传递，计算分析表明，为抑制辐射噪声对声呐自噪声的干扰，在声呐平台壁面敷设吸隔声结构，能有效降低辐射噪声对声呐自噪声的影响；

（3）针对舷侧声呐的安装方式，计算分析了声呐安装导轨减振措施对声呐单元振动响应的影响，计算表明，耐压壳振动对声呐单元振动影响较大，应在振动传递途径上采取阻尼抑振措施，减弱壳体振动向舷侧声呐的传递。

[1]Maidanik G.Domed sonar system[J].J Acoust.Soc.Am.,1968,44(1)：113-124.

[2]Kuo E Y T.Acoustic field generated by a vibrating boundary,I.General formulation and sonar-domed noise loading[J].J Acoust.Soc.Am.,1968,43(1)：25-31.

[3]Muet I LE.Bruit dorigine hydrodynamique rayonnéàl’intérieur d’un dǒme sonar：études expérimentales etévaluation S. E.A.[J].Journal d’Acoustic,1987,21：111-116.

[4]Vassas M.Evaluation of flow noise on a hull mounted sonar array,UDT’99,1999：356-359.

[5]俞孟萨.随机声弹性理论及声呐罩声学设计研究[D].无锡：中国船舶科学研究中心,2007.Yu Mengsa.Theory of random acoustoelasticity and its application in acostic design of sonar domes[D].China Ship Scientific Research Center,2007.

[6]俞孟萨,李东升.声呐罩夹芯式透声窗的声学设计研究[J].声学学报,2005,30(5)：427-434.Yu Mengsa,Li Dongsheng.Design of sandwich acoustic window for sonar dome[J].ACTA Acustica,2005,30(5)：427-434.

[7]何祚镛.结构振动与声辐射[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社,2001.

Mechanism analysis of noise control for Sonar Platform

LI Dong-sheng1,XU Hai-bin2,CAI Wei-feng2,LIU Han-wen2
(1.National Key Laboratory on Ship Vibration&Noise,China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China, 2.Hai Ying Co.Ltd.,Wuxi 214061,China)

To investigate the sound characteristics of the ship sonar platform,the effect of the three typical noise source on the sonar self-noise is researched.The results show that the hydrodynamic noise factor is mainly affected by the stiffener of the dome,and hence in order to avoid the resonance,it is suggested that the wave-number shape function of the stiffener should be designed to differ from peak of the turbulence wave-number spectrum.Noise of propeller and mechanical radiation sound is transferred through the bottom and tail of the platform,thus the noise near the wall of the platform is higher,which means in order to control the self-noise of the platform,the non-transmission wall should have a sound-isolation layer.The vibration and sound radiation of the hull is the main factor of broadside sonar noise,thus in the vibration transmission path some damping work should be done to lower down the broadside sonar noise.

sonar;sonar dome;sonar self-noise;hydrodynamic noise

TB53

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2017.07.013

1007-7294（2017）07-0907-07

2017-05-28

李东升（1977-），男，高级工程师，E-mail：kysma@163.com；

徐海宾（1975-），男，高级工程师。