一种混合激励下的舱室结构水下辐射噪声预报方法

技术领域

本发明涉及一种舱室内部振声混合激励下的舱室结构水下辐射噪声预报方法，属于水下目标辐射噪声测量技术领域。

背景技术

通过舰艇振动在线监测可及时准确地掌握艇外辐射噪声水平，为舰艇的战术决策提供支持。但随着舰艇减振降噪技术的发展，舱室空气噪声引起的水下辐射噪声愈发明显[BadinoA,Borelli D,Gaggero T,et al.Normative framework for ship noise:Presentand situation and future trends[J].Noise Control Engineering Journal,2012,60(6):740-762]，目前舰艇振声监测主要是基于艇体结构的振动信号，仅能反映部分艇内机械设备振动状态及其引起的振动信息，而无法实现舱室空气噪声的监测及其引起的水下辐射噪声预报，在实际工程应用中有一定的局限性。因此，开展混合激励下舰艇振声在线监测与辐射噪声预报方法研究具有重大意义。

国内外学者针对舰艇振动在线监测与噪声预报方法进行了大量研究，主要包括有限元法(FEM)，边界元法(BEM)，工况传递路径分析(OTPA)，单元辐射叠加法(ERSM)以及波叠加法(WSM)等。FEM通过对辐射体进行建模，将连续问题转化为离散问题并求解系统方程组，可以有效地对任意结构的声辐射进行计算[Alalla N,Bernhard R J.Review ofnumerical solution for low-frequency structural acoustic Problems[J].AppliedAcoustic,1994,43(3)：271-294.]，但其计算量随着频率的升高及物理场尺寸的增加极速上升；BEM方法在FEM的基础上，将求解域划分单元离散的概念移植到边界积分方程中，一定程度上降低了计算量但仍无法进行快速求解，此外在结构边界处容易出现奇异积分问题。OTPA通过进行工况测试获取“监测点-目标点”的传递函数，进而预测任意工况下目标点的响应[Li R,Bu W.Multi-parameter Tikhonov regularization-based OTPA withapplication to ship-radiated noise evaluation[J].AIPAdvances,2021,11(1):015240.]。然而该方法目标点在进行工况测试时便已固定，无法对除目标点外任意位置的辐射噪声进行计算，实际应用中存在一定局限性；ERSM通过将辐射体表面分割成若干活塞单元，将各活塞的辐射声场叠加视为辐射体的总辐射声场[时胜国,高塬,张昊阳等.基于单元辐射叠加法的结构声源声场重建方法[J].物理学报,2021,70(13):257-270.]。然而该方法仅监测辐射体壳体的振动信息，当对某些频段内由声透射引起的辐射噪声进行预报时则存在不足，会导致较大的预报误差且所需振动监测点也较多，测试系统复杂；20世纪90年代，Koopman等基于叠加积分方程提出了波叠加法，该方法通过在结构体表面配置等效源避免了BEM法中边界积分的奇异值问题。随后大量学者对该方法开展深入研究[Koopmann GH,Song L,Fahnline J B.A method for computing acoustic fields based on theprinciple of wave superposition[J].Journal of Acoustic Society of America,1989,86(6)：2433-2438.]。

发明内容

为解决传统舰艇振动在线监测与噪声预报方法的工程局限性，本发明提出了一种基于振声同步监测的舱室结构水下辐射噪声预报方法，该方法在舱室内补充配置声监测点，并结合OTPA方法与波叠加法实现舱室结构远场任意位置的辐射噪声预报，提高了预报精度，具有较高的工程应用价值。

为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：

一种混合激励下的舱室结构水下辐射噪声预报方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：构建数值工况测试模型，基于工况传递路径分析技术获取舱室内噪声与振动监测点间的“声-振”传递函数以及舱室结构内外之间的“声/振-声”混合传递函数；

步骤2：根据建模时布置的监测点位置在舱室结构上对应布放若干个声传感器和振动传感器，分别用于采集舱室内各个声监测点的声监测信息及各个振动监测点的振动监测信息；

步骤3：基于“声-振”传递函数对采集的振动监测信息进行去耦处理，获得去耦后的振动监测信息；

步骤4：基于采集的声监测信息和去耦后的振动监测信息求解舱室外共形全息面上的近场辐射噪声；

步骤5：基于波叠加法，通过匹配结构体外表面辐射声场空间分布求解配置等效源的源强，并基于求解得到的等效源的源强预报舱室结构的远场辐射噪声。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过联合OTPA和波叠加法提出了一种基于振声同步监测的舱室结构水下辐射噪声预报方法，该方法通过在舱室内部补充配置声监测点，解决了传统振动监测遗漏空气声源激励引发的辐射噪声问题。通过与传统振动监测方法的辐射噪声预报结果进行比较，证明本发明的方法可有效提高舱室结构水下辐射噪声的预报精度，在中低频段的预报精度提升较为明显；辐射噪声预报误差随频率升高呈上升趋势；另外，本发明的方法可对舰艇舱室结构远场任意位置处的辐射噪声进行预报，弥补了传统OTPA方法的局限性。本发明突破了现有方法的应用场景限制并提高了辐射噪声预报精度，具有良好的工程应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例所述一种混合激励下的舱室结构水下辐射噪声预报方法的流程图；

图2为仿真计算模型；

图3为舱室结构内外“声/振-声”混合传递函数建模结果，其中(a)为舱室外表面噪声频谱曲线，(b)为舱室外表面噪声预报误差图；

图4为舱室外远场辐射噪声预报结果，其中(a)为远场辐射噪声频谱图，(b)为远场辐射噪声1/3oct频带内平均预报误差图；

图5为舱室外表面不同声响应点个数下舱室外远场辐射噪声预报结果，其中(a)为远场辐射噪声频谱图，(b)为远场辐射噪声1/3oct频带内平均预报误差图；

图6为不同信噪比条件下舱室外远场辐射噪声预报结果，其中(a)为远场辐射噪声频谱图，(b)为远场辐射噪声1/3oct频带内平均预报误差图；

图7为不同预报频率下舱室外远场辐射噪声指向性预报精度图，其中(a)为100Hz预报频率，(b)为630Hz预报频率，(c)为1000Hz预报频率。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供一种混合激励下的舱室结构水下辐射噪声预报方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤1：构建数值工况测试模型，基于工况传递路径分析(OTPA)技术获取舱室内噪声与振动监测点间的“声-振”传递函数以及舱室结构内外“声/振-声”混合传递函数。

具体地，在本步骤中，根据舱室实际振声监测点布置方案，利用数值仿真软件COMSOL建立数值工况测试模型并进行工况测试，构建舱室内噪声与振动监测点间的“声-振”传递函数H

舱室内噪声与振动监测点间的“声-振”传递函数H

H

式中，P(ω)为各工况测试下声监测信息，A

舱室结构内外之间的“声/振-声”混合传递函数H

H

式中，X

步骤2：根据建模时布置的监测点位置在舱室结构上对应布放若干个声传感器和若干个振动传感器，其中声传感器放置在舱室内声监测点上，用于采集舱室内声监测点的测量信息，即声监测信息P

步骤3：以声监测信息作为参考，利用声监测信息求解振动信息中声源引发的耦合部分，计算公式如下式所示：

A

式中，A

对振动监测信息A

A(ω)＝A

式中，A(ω)为去耦后的振动监测信息。

步骤4：基于采集的声监测信息和去耦后的振动监测信息求解舱室外共形全息面上的近场辐射噪声。

舱室外共形全息面上的近场辐射噪声是指近场辐射噪声响应点位置处的噪声值。舱室外共形全息面上的近场辐射噪声可表示为：

Y(ω)＝X(ω)H

式中，Y(ω)为舱室外共形全息面上的近场辐射噪声，X(ω)为修正后的振声混合监测信息，表示为：X(ω)＝(A

步骤5：基于波叠加法，通过匹配结构体外表面辐射声场空间分布求解配置等效源的源强，并基于求解得到的等效源的源强预报舱室结构的远场辐射噪声。

在本步骤中，通过匹配结构体外表面辐射声场空间分布可求解配置等效源的源强，以矩阵形式可表示为：

Y(ω)＝G

式中，G

Q＝VΣ

其中，G

在求得等效源强Q后，可根据波叠加法对远场任意位置噪声进行预报：

式中，ρ

式中，r为场点与源点之间的距离，

下面结合仿真实例对本发明的实际效果进行分析，仿真模型如图2所示。研究对象为单层圆柱壳，在壳体两端设置半无限大障板构建简支边界条件，以舱室左侧端面中心为坐标原点建立柱坐标系。圆柱壳长度为L

仿真1：图3为舱室外表面噪声均方声压预报结果。从图中可以看到，基于振声同步监测的传函建模预报精度相较于基于振动监测更高，在研究频段内舱室外表面噪声均方声压预报误差在0.5dB以内。而基于振动监测的传函建模预报精度在中频段内某些特定频点处误差明显升高。选取噪声预报场点坐标为(100,0,L/2)。由图4结果可见，基于振声同步监测的辐射噪声预报误差随着频率的升高逐渐增加，在1kHz频段内远场辐射噪声1/3oct频带内平均预报误差在4dB以内。相比于振动监测，振声同步监测可明显提升水下辐射噪声的预报精度，在500Hz以下的低频段效果尤为明显。

仿真2：另设置2个声响应点布置方案，共计三种方案(方案一、方案二、方案三)分别为9×5、15×9、24×11等布放方式，计算结果如图5所示。当增加舱室外表面声响应点个数时，水下辐射噪声预报精度有明显提升，但当全息面上声响应点个数由135个增加至264个时，水下辐射噪声预报精度提升有限。

仿真3：信噪比定义为：

其中，E

对各个振声监测信号分别加入信号强度1％，5％以及10％的随机噪声，对应信噪比分别为40dB，26dB以及20dB。图6为各信噪比条件下水下辐射噪声预报结果。可见当信噪比从40dB降低至20dB时，辐射噪声预报精度下降并不明显，辐射当信噪比为20dB时，1/3oct频带辐射噪声平均预报误差可控制在4dB以内，低频段可控制在1dB以内。

仿真4：图7为舱室几何中心所在水平面上距离舱室中心100m的圆周上各点的辐射噪声在为不同预报频率下的指向性精度预报结果，角度间隔为10°。由图可见，预报频率为100Hz时，各方向的辐射噪声预报误差控制在1dB以内；随着预报频率的升高，辐射噪声预报误差逐渐增加；另外，在舱室结构正横方向±60°范围内，辐射噪声预报精度更高。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。