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1、华中科技大学 硕士学位论文 空气噪声激励加筋双层圆柱壳的水下声辐射特性研究 姓名：金宝燕 申请学位级别：硕士 专业：船舶与海洋结构物设计制造 指导教师：陈美霞 20080530 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 水下加筋圆柱壳和双层圆柱壳是舰船的主要结构单元，舰艇内的机械设备常以 三种形式激励船体振动形成水下辐射噪声：机械振动能量通过机座等激励船体；机 械振动能量通过管路等激励船体；由机械设备作为声源直接向内部声腔辐射形成空 气噪声激励船体。对于机械力激励下船体辐射的噪声特性研究技术已较为成熟。本 文主要研究空气噪声
2、激励水下加筋双层圆柱壳的声辐射机理，并比较机械力与空气 噪声激励下单、双层圆柱壳的振动和水下声辐射特性。 本文从 Fl gge 薄壳理论和 Helmholtz 波动方程出发推导了有限长双层加筋圆 柱壳受机械激励力和内部空气噪声激励时的耦合振动控制方程。为求解该封闭声腔 -内层圆柱壳环形流场及实肋板外层圆柱壳-外部辐射声场系统的复杂耦合 方程，将壳体位移形式沿周向和轴向用模态叠加的双级数展开，同时将圆柱形封闭 声腔沿周向、轴向以及径向用三向级数展开。最后得到基于壳体位移的流固耦合振 动方程。本文数值分析讨论了内部点声源激励下有限长加筋双层圆柱壳体内、外表 面的辐射声压、内场均方声压、壳体振动均方
3、速度、外场辐射声功率和传递函数等 声振特性参数。文中讨论了内部声激励下双层圆柱壳的几何参数，物理参数不同对 双层圆柱壳振动与声辐射的影响，比较了点力与内部声激励下双层圆柱壳的壳体声 辐射性能以及内部声激励下单、双层圆柱壳的壳体声辐射性能，最后推导得到内外 场声压传递函数并计算不同频率下声压传递值，得出了一些有意义的结论。 关键词关键词：有限长双层加筋圆柱壳 空气噪声 内场均方声压 外场辐射声功率 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Submerged stiffened cylindrical shell an
4、d double cylindrical shell are the main structures of the pressure hull of submarine. In practice, machines in hull arouse hulls vibration and underwater sound radiation in three ways: the vibrational machines inspiriting hull through bases; the vibrational machines inspiriting hull through pipeline
5、s; the machines radiating sound as sound sources, and the sound pressure inspirits the hull. The sound radiation by mechanical force has been investigated properly by many investigators. This thesis mainly study acoustic radiation mechanisms of double cylindrical shell by sound source, the compariso
6、ns of underwater sound radiation properties of single cylindrical shell and double cylindrical shell by mechanical force and sound source are carried out. In this thesis, a cavity-inner cylindrical shell-ring flow field-out cylindrical shell-out radiated sound field coupling equation based on Flgge
7、thin shell theory and Helmholtz equation is presented for evaluating the vibration and sound radiation characteristics of a submerged stiffened double cylindrical shell which excited by harmonious forces and airborne sound pressure. To solve this coupling equation, the shells displacement is expande
8、d in a series of its in-vacuo eigenmodes. The cavitys displacement is expressed by acoustic modes. The inside and outside sound pressure are treated as reaction forces which act on the shell are applied into the general controlling shell equation. Lastly, the acoustic-fluid-structure coupling vibrat
9、ion equation expressed by shells displacements is gotten. The focus of the numerical calculation are the analysis of the inside and outside pressure level, inside radial quadratic pressure level, radial quadratic velocity level, outside acoustic radiated power level and translate function of a finit
10、e stiffened double cylindrical shell. The effects of structure geometrical parameters, physical parameters on the vibration and sound radiation of double cylindrical shell are discussed in detail. And the comparisons of underwater sound radiation properties of single cylindrical shell and double cyl
11、indrical shell by exciting force and sound source are carried out. Some meaningful conclusions are obtained. Keywords：Finite Stiffened Double Cylindrical Shell Airborne Sound Inside Radial Quadratic Pressure Level Outside Acoustic Radiated Power Level 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成
12、果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适
13、用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 本文的工程背景本文的工程背景 潜艇的隐蔽性是关系到潜艇作战成败的首要因素，在当前以水声探测为主要探 潜手段的情况下，影响核潜艇隐蔽性的最主要因素是潜艇自身的噪声水平，它极大 地限制了海军装备的性能。随着现代声纳的日趋完善，性能优良的先进探测声纳的 投入使用和更新以及艇上一些设备对噪声振动指标的要求，使得对潜艇安静性的要 求越来越高1。各
14、国的海军在潜艇的减振降噪方面投入了巨资和人力，作了大量的 理论和试验研究，减少潜艇的自噪声和辐射噪声。 潜艇的水下辐射噪声主要有以下几个来源2： 工作机械设备振动激发艇体振动向 水下辐射噪声；螺旋桨转动激发的振动辐射噪声和空泡噪声等螺旋桨噪声；舰艇前 进时水流激发的流噪声；舱室内的空气噪声穿过船壳向水中的透射声。相对前三项 来源来说，舱室空气噪声对舰艇总辐射噪声的贡献较小，处于次要地位，但当潜艇 处于低速航行的战斗状态或者停车隐蔽状态时，舱室空气噪声透过舰船外壳向水中 辐射，干扰了自身的声纳探测，同时也容易被敌方声纳探测发现，对舰艇的隐蔽性 有很大影响。而且随着安静型机电设备技术和减振隔振技术
15、的发展使用以及阻尼材 料和低噪声建造工艺的运用，使得机械噪声得到了有效控制，因此对空气噪声激励 壳体振动的水下辐射噪声的研究将更加突出。 舰船空气噪声主要由舰载机电设备工作引起，主要噪声源有发电机、电机、空 气压缩机、泵、风机、变流机等。具体到某个舱室来说，其内部空气声场可能来自 下列途径： 1、位于舱室内声源(机电设备)直接辐射噪声； 2、空调通风管路在舱内的开口处辐射噪声，或透过管壁辐射噪声； 3、噪声由布置声源的舱室通过艇体围壁结构透入相邻舱室； 4、由基座和艇体结构振动向内辐射的噪声。 带声源舱室受内部空气噪声激励，向水下辐射噪声，其舱室内部的封闭声场可 归属为半混响场，舱室内任一点上
16、的空气噪声，认为是直射、反射分量以及经由空 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 气噪声激励壳体振动向内部声场辐射噪声的强度之和；舱室外部为由壳体振动引起 的水下辐射自由声场。 本文将在前人研究的基础上， 推导出加筋双层圆柱壳受内部声源激励时的流固耦 合动力学方程，研究其水下辐射噪声机理，并讨论双层圆柱壳的内外壳厚度、层间 距离、层间介质（空气及水）及连接方式不同对振动和声辐射的影响，为控制壳体 空气噪声和潜艇舱段设备布置的声学设计提供一定理论依据。 1.2 文献综述文献综述 1.2.1 加筋圆柱壳的振动特性研究加筋圆柱壳的振动特性研究 目前研究圆柱壳的方法主要有两种，一种是模态分析法，另一种是波动分析法。 Hoppmann3是最早研究纵横加筋圆柱壳振动问题的研究者之一，他基于 Lagrange 方程，忽略加强筋之间的耦合，推导出纵横加筋圆柱壳的振动频率表达式。计算结
