航天测量船舱室中低频噪声数值预报

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1、航天测量船舱室中低频噪声数值预报刘晓明王晓宇(中国船舶及海洋工程设计研究院)摘要：本文介绍了封闭声腔结构区域内流固耦合声学有限元数值计算方法和计算流程，并用该方法进行封闭区域内声学特性分析，应用于船舶舱室噪声数值预报。计算考虑了船舶动力激励源引起的结构振动响应噪声、空调风口噪声源引起的空气噪声，舱室周围采用复合吸声材料。关键词：流固耦合噪声声源声学有限元1概述航天测量船装有先进的航海、气象、船舶动力、无线电测量控制、船姿船位、卫星通信等设备，以及数据处理和指挥显示系统，主要担负卫星、飞船等各类航天飞行器的海上跟踪测量、监视控制和通信等任务。测量

2、船指挥中心舱室，是运行目标跟踪测量轨迹和参数显示、实时决策和运行指令发送中心，是目标监控指挥场所，为保证仪器设备稳定运行，降低干扰，舱室对振动噪声指标有严格要求。本文介绍了封闭声腔结构区域内流固耦合声学有限元数值计算理论、方法和流程，通过建立指挥中心舱室集成结构模型和封闭声腔模型，考虑船舶激励动载荷和舱室内空气噪声源，应用MSC／NASTRAN中流固耦合声学计算程序，采用完全流固耦合有限元方法，进行振动和噪声分析，合成由结构振动噪声和空气噪声源产生噪声，综合评估舱室噪声指标。计算结果与实船试验航行测量数据进行比较，具有较好的一致性。2流固耦合声

3、学计算方法2．1流固耦合基本方程LlJ由基于流体微小运动和流体非黏性的欧拉方程，分别对结构和流体离散化，可以得到用矩阵形式表示的流体波动方程：[吩】泐+吁】劬一【∥】札)=o(1)式中：【吩】2易{Ⅳ厂}【Ⅳ，Fy为流体质量矩阵，其中∥=c2p厂为流体压缩率，c为流体的声速，p，为流体介质密度，{以)为流体压力形状函数矢量，【^r，】为流体压力形状函数矩阵，V为整个流体体积；[Kf】2l：!古{审Ⅳ／}[VNf】∥为流体刚度矩阵；．143．【么r】=l{N／}[Ⅳs】嬲为流体截面上的耦合矩阵，[Ns】为固体结构形状函数矩阵，S为流体和固体结构'

4、的交界面；{拼为节点压力矢量，缸，)为边界上节点加速度矢量。波动连续方程(1)式考虑声源载荷和声阻抗时，可以写为：【M，】{p}+[曰，]{p}+【Kf】{p>一[彳2】{z，，>={只>(2)式中：陋，】是流体声阻抗矩阵，{Ps)是流体声源载荷矢量，其余同式(1)。考虑声压在流体与结构的交界面上，声压对结构产生面作用力，同样结构动力学方程可以写为：[Ms]{甜，}+[Bs】{材，)+[Ks】{甜。)={只)一[么】{p}(3)式中：[必】是结构质量矩阵，[召s】是结构阻尼矩阵，[Ks】是结构刚度矩阵，{只}为结构上作用压力矢量，其它同上。式(

5、2)和式(3)采用统一的矩阵形式表示，完全耦合的结构流运动方程为：匕础州台Bm：JLpJl+降X俅iJLplJ=㈥㈤通过采用压力方法来求解，类似于结构分析中的位移方法，压力取代了位移，求出流体节点压力。而流体节点速度和加速度类似于结构分析中的力。2．2吸声材料声波入射至多孔材料表面，大部分声波将通过材料的筋络或纤维传至材料内部，由于摩擦作用和空气膨胀，使部分声能转化为热能散耗掉。船舶中多用穿孔板吸声结构。声阻抗定义为：Z：竺(5)式中：△p材料两面压力差，U为穿过材料厚度方向气流的线速度；材料吸声系数为口：口：型兰是竺!!．f(6)(ZR／pc

6、+1)2+(Z，／pc)。式中：ZR声阻，Z胄声抗，p空气密度，C声音在空气中传播速度。2．3声源声源考虑为无限空间中的球面波。在MSC／NASTRAN应用中，复源强度定义为：Qe‘口‘=f历．元矗了(7)；式中：厅为流体速度矢量，元为面S的法向矢量。类似在结构中的Maxwell．Betti互逆定理，在恒定环境中较小的源和接受器位置互换，接受的信号相同n基于这个定理，复源强度以能量P(厂)表述，对于球面波是一个实数值，可写为：．．144．．Q=击严乒㈤式中：P(，)为声功率，其它符号同上。2．4噪声叠加在声场中某点有两个声源共同作用，设各声源单

7、独产生的声压分别为pl和歹2，则总声压如式(9)所示，若声压频率和相位相同，叠加后该点声压为单个声压的2倍。多=A+庑(9)大多数情况下噪声都适用能量相加法则，由式(9)得到同一位置的同频率和不同频率声压合成总声压级分贝数公式为：工。_10lg(卫)2：lolg(曼lo等)(10)式中：L。为总声压级分贝数，三。．为第f个声源声‘l压或者第f个频率的声压，基准声压Po=20x10—6Pa。2．5舱室声特性分析流程船舶噪声是船舶性能的一个重要标志，噪声分析就是用声学原理，对不同噪声激励源进行传递方式、反射、衰减、合成进行研究，建立声学模型，用合适

8、的声学计算方法和理论，进行噪声预报。分析过程是，根据舱室位置和特点，确定噪声源类型和频率，通过分析得出建立计算模型范围和单元尺寸，建立流固耦合模型并分