螺旋桨船舶振动辐射噪声分析

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1、 谢基榕 徐利刚 沈顺根 吴有生摘要；文章在铁木辛柯梁的基础上，建立螺旋桨、轴系及船体耦合振动的数学物理模型，采用声极子模型计算各船体截面振动引起的辐射声压。计算分析了激励力直接作用到船体和经螺旋桨、轴系激励船体振动产生辐射的差别，指出轴系振动对螺旋桨激励力激起船体振动并产生声辐射有着关键的影响作用。（中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 21408） 对于潜艇螺旋桨、轴系及艇体耦合振动系统建立上图所示的数学物理模型，该模型包括两大部分；船体梁模型和轴系子系统，支撑轴承和推力轴承作为轴系结构的约束条件划归为轴系子系统。由于艉流作用在螺旋桨上的合力具有低频特性，而在低频0f(f为舱段周向的首阶共振频

2、率)范围内，采用艇体梁模型描述艇体振动便可得满足工程要求的解。 在艇体梁模型中，船体结构被当做截面不发生变形的变截面梁结构。由于实际船体在各截面处的弯曲刚度中心与质心不重合，因此，垂直面内的弯曲振动与纵向振动耦合，而水平面内的弯曲振动与扭转振动耦合，而从，需对这两组无法解耦的振动进行同时解耦。( )( )( )cuxu xex梁单位的实际横向位移可以表示为( )( )( )cxxex111222111222 , ,eeuuuu 22201( )1()( )22TLeesu xxUEJGFxEAdxuKuxx 以垂向弯曲与纵向振动耦合为例，梁的单元应变势能与动能可分别表示为； 22011)( )

3、( )22TLeevrlcTmxJxm uxuMu由上两式并根据矩阵知识转变可得梁单位元作用于垂向弯曲与纵向耦合振动时的刚度矩阵和质量矩阵。 2GKKMGKuF针对推进器、轴系及艇体耦合振动具有低频特性，此频率段内的声波波长远大于船体截面的尺度，因此，无论是弯曲振动还是纵向振动，艇体梁单元的声辐射都满足致密条件，因而可以使用声极子模型计算各艇体截面振动引起的辐射声压。船体水下振动声辐射在辐射机理上可以分解为两部分，并分别使用不同声辐射模型计算。船体弯曲振动引起船体段元在水介质中横向平动且不产生船体截面变化，因此可用偶极模型计算各梁单元的引起辐射声压。声压公式为；()0( ) ( )( , ,

4、)sincos2jt krbjS xxdp redxr 02cos()cos0000( )( ) 2( )( )(0) (0)( ) ( )4eLjkLj t krjkxlrduxdS xpevS xuxedx S uSL uL erdxdx 式中，S,u分别为梁单元的横截面积和纵向弯曲横向位移，0为声场点与艇轴线的夹角，纵向振动产生声压与声场点在艇体横截面上的方位角无关。当不同激励力间不存在固定相位差时，其振动响应及后续的声压也不具有固定的相位差，因此，多激励引起的辐射声场也不存在稳定的干涉作用，从而适合使用能量叠加方法计算由两方向振动引起的总辐射声压级。在本文中，由于考虑了因质量中心偏离刚度中心引起的纵向与垂向弯曲振动的耦合作用，所以单独纵向激励将引起垂向弯曲振动，反之亦然。由同一激励力引起的纵向振动和垂向弯曲振动存在确定相位差关系，因此，由此两振动分量引起的辐射声场也将存在稳定的相位差关系，从而应使用场点声压复幅值相加的方法叠加此两振动分量引起的辐射声。同时，由不同激励力引起的船体振动辐射噪声仍能使用能量叠加法计算辐射声压级。