潜艇流噪声与流激噪声有限元仿真建模研究

　　摘要为了研究流噪声以及流激噪声情况下水域中的换能器声学性能变化情况，以实现对换能器结构优化设计，避开流激噪声的共振频率，提高信噪比.仿真对比分析艇壳体在水流下的流噪声以及艇壳体与水流耦合下的流激噪声，结果显示同一频率下流激噪声的数值大于流噪声，靠近艇壳体壁面时二者数值上的差距较大，流激噪声随距离的衰减量大于流噪声。

　　关键词：流噪声;流激噪声;换能器;声学性能

　　《微细加工技术》创刊于1983年，是国家科委和国家新闻出版署批准，国内外公开发行的中央级重要科技期刊。

　　潜艇在水下运动时产生的噪声是暴露其存在的致命弱点，直接威脅到潜艇的安全，因此控制潜艇的噪声一直是研究的重点。通常可以将潜艇产生的噪声分为三类：机械振动噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声。计算流体力学主要研究的是水动力噪声，主要包括流噪声、水流作用于潜艇引起的共振噪声、以及空化噪声等。一般而言，水动力噪声的数值比机械振动噪声和螺旋桨噪声要低很多，但随着潜艇运动速度的提高，水动力噪声在潜艇总噪声中的比重会迅速增加。

　　潜艇的水动力噪声是由潜艇周围湍流边界层内的扰动、壁面上的脉动压力以及流体与固体的耦合作用导致的结构振动共同引起的。其中，湍流边界层内的速度扰动和壁面脉动压力分别相当于四极子声源和偶极子声源，二者共同构成了流噪声;流体与固体的耦合作用会进一步产生流激噪声，导致噪声数值增大。水动力噪声严重威胁了潜艇的隐蔽性，因此研究水动力噪声的产生与特性具有重要意义。

　　研究水动力噪声首先需要研究水动力噪声的起源。潜艇周围的流场，尤其是湍流边界层内，存在着漩涡运动以及流体碰撞而导致的能量交换，由此产生的噪声即四极子噪声。在低马赫数的情况下，四极子产生的噪声很小，可以忽略不计。壁面上的脉动压力是偶极子声源的成因，而偶极子声源则是流噪声的主要成分。

　　在之前的研究中，潜艇结构都视为不会与流体发生耦合作用的刚性体，即流体压力不会引起潜艇结构的振动。但实际的潜艇结构虽然加强了筋和环肋结构保证潜艇的刚度，在外部压力的作用下，潜艇结构会产生随时间变化的位移，进一步会引起振动噪声，它与偶极子噪声之和即为流激噪声，忽略振动噪声会导致数值模拟的结果偏小。而且，这种振动噪声由于涉及到结构的固有特性，在某些频率下可能会产生共振，共振频率则称为特征频率，此时会进一步增强振动噪声。此外，随着潜艇航速的增加，潜艇壁面上的脉动压力会迅速增加，这会相应地导致潜艇的位移变形和振动噪声的增加。因此，研究流固耦合作用下潜艇的位移变形和流激噪声具有重要的意义。

　　1理论研究

　　流激噪声与流噪声的差别在于计算流激噪声时结构为弹性体，这样在潜艇壁面脉动压力的作用下，潜艇结构会产生振动，该振动作为一种声源也会产生噪声。流噪声只是求解了潜艇壁面偶极子声源产生的噪声，而流激噪声则包括了潜艇壁面的偶极子噪声和潜艇结构的振动噪声。因此，求解流激噪声首先需要求解潜艇结构在脉动压力作用下产生的位移变形。由于潜艇结构的变形很小，由此导致的流体域体积变化可以忽略不计，这样流固耦合系统可以视为单向的耦合，即只考虑流体对固体的作用，这样可以显著简化求解过程而且不会带来较大的误差。

　　流噪声研究从Lighthill提出的声学类比理论开始，该理论将声场与流场计算结合在一起，方程为如下形式：

　　对上述方程进行傅里叶变换，可以得到

　　▽2p′+k2p′=q (2)

　　2有限元仿真建模分析

　　本次研究中，主要使用COMSOL多物理场软件进行建模分析，模型组成见图1-2。最外围区域的水域在进行计算时将其设定为完美匹配层，该层能够与相邻介质的波阻抗实现完美匹配，入射声波能够无反射地穿过分界面而进入完美匹配层，这样就能够实现模拟无限大水域;中间层为声波传递水域，同时在与艇壳体接触处水域会产生耦合效应;再内层为艇壳体，厚度设定为50 mm;艇壳体内为空气。

　　从云图(图3)以及曲线图(图4)可以发现，在同一位置处，500 Hz时单独考虑流噪声与考虑流固耦合、声固耦合在水域中的声压差距不大，这与潜艇外壳在考虑水与外壳耦合情况下的特征频率相关;不同位置时除个别距离处，艇首尾处的声压基本大于艇侧声压，这是由于在艇首尾处湍流强度较大。

　　从图5-6可以发现在2 000 Hz处时，艇首尾的流激噪声都会大于流噪声。图7-9为不同位置处流场中的流激噪声与流噪声的对比，分析可以发现，除个别频率外，流激噪声基本大于流噪声，特别是在声场的特征频率处差距更加明显。

　　3结论

　　本文通过仿真对比分析艇壳体在水流作用下的流噪声以及艇壳体与水流耦合下的流激噪声发现：同一频率下流激噪声的数值大于流噪声;在靠近艇壳体壁面的区域，二者数值上的差距较大;潜艇壁面振动产生的噪声在远离壳体表面区域衰减的速度大于壁面脉动压力的衰减速度，即流激噪声在空间中随着距离的增加而衰减的速度大于流噪声;壁面振动对于总辐射噪声的贡献在靠近艇壳体壁面的区域最为突出。

　　由于部分声呐基阵安装于潜艇外壳，水域中的声场对其声学性能至关重要，如何实现在复杂声场条件下合理地设计基阵与潜艇外壳之间的连接结构，对提高信噪比具有重大意义。下一步将考虑在潜艇外壳有一定的振动、流激噪声以及不同来流速度条件下优化基阵连接结构，提高声呐基阵在宽频、特别是耦合共振频率处的信噪比。

期刊VIP网，您身边的高端学术顾问

文章名称： 潜艇流噪声与流激噪声有限元仿真建模研究

文章地址： http://www.qikanvip.com/yingyongdianzijishu/50224.html