圆柱壳结构模型水下辐射声功率测量方法研究

高 岩，李 兵，戴 江

（1中国船舶科学研究中心，江苏 无锡214082；2中国舰船研究院，北京100085；3中国船舶重工集团公司，北京100097）

1 前 言

水下航行体在机械设备激励下产生水下辐射噪声，是其在中低航速航行时的主要水下噪声分量。设备减振安装、弹性结构局部阻尼处理以及结构参数的优化设计，是降低机械噪声的有效技术途径。为了客观评价降噪效果和验证理论预报结果，需要测量壳体结构的水下辐射声功率，辐射声功率是声源的特性之一，是最能表征声辐射特征的参数。

壳体结构水下声辐射测量的最佳环境是消声水池或开阔水域，即无反射回声的声学环境，实际的测量环境一般都是有限水域，需要考虑界面的影响。Chertock和Musha[1-2]通过测量近场声压，并利用声压和振速的近似关系，求解Helmholtz积分方程，得到辐射声功率。文献[3]利用已知模型辐射效率和试验测量的结构振动速度的空间均方值，估算水下辐射声功率。文献[4]采用近场声强矢量测量，并在封闭的测量面上进行Gauss积分，得到辐射声功率。这种方法具有消除有限空间的壁面影响的优点，且技术成熟，但其测点数目较多，工作量大。文献[5]、[6]采用声场空间变化法，由NAH变换获得声强分布，通过声强法计算辐射声功率。文献[7]采用均方声压法，通过测量结构附近一个包络面上有限个离散测点的均方声压值，再对面积积分而获得结构振动产生的辐射声功率。这种方法简便易行，但结构所在区域边界的影响难以消除，需选取从结构表面到测量表面尽量远的距离。从声学环境角度考虑，国内大部分声学试验水池未进行消声处理，池壁的反声又难达到混响声场的要求，一般只能作为半混响声学环境，文献[8]采用半混响法测量了模型的辐射声功率。可以说，上述方法均存在不同的利与弊，空气中辐射声功率已形成熟悉可行的测量方法，水下结构尚未建立简便可靠的辐射声功率测量方法。

本文以双层圆柱壳结构模型为研究对象，采用柱形封闭包络面方法测量测点位置的均方声压值，计算获得辐射声功率，分析了不同包络面的测量结果以及测点数量对测量精度的影响，并利用标准声源对测量方法进行可行性和可信性的验证。

2 试验方法

2.1 试验原理

测量壳体结构模型的水下声辐射需要围绕测量模型形成一个封闭包络面，称为测量面，并将它划分为M个单元网格，第i个单元面积为Ai，通过第i个单元的声强为Ii，则声源的辐射声功率为[9]：

对（1）式两边取对数，可得声功率级：

在自由场环境下，直达声分量远远高于混响声分量。在这种情况下，化简（2）式，可得：

将（3）式代入（4）式，可得：

2.2 试验概况

试验在开阔水域进行，可近似为自由场环境。试验模型为双层加肋圆柱壳，其尺寸为：长1.6m、内壳直径1m、厚5mm、外壳直径1.2m、厚2mm，端板内装入铁砂，一方面降低端板的声辐射，另一方面起配重作用。

试验采用电磁激振方式。激振机安装在激励板上，激励板安装在测试模型基座上。为产生激励力，激振杆一端固定一个质块，激振机工作时对激励板产生一个反作用力。为防止激振机工作条件下质块横向偏移，激振机两侧各固定安装一根与激振杆平行的定位梁，梁内侧设有滑槽，质块顶端固定一根细梁，激振机工作时细梁可在定位梁滑槽内滑动，参见图1。

在试验模型上端端板中心位置安装一个转接法兰，连接杆与转接法兰固定连接，模型通过连接杆吊入水中，模型上端面入水深度为10m，连接杆另一端固定在测量转台上。测量转台连同模型可在0°～360°内旋转。在水面下7m、15m位置，距模型中心为1.8m、2.8m、4.0m、5.2m、6.4m、7.6m位置各布置一个水听器；分别在距模型中心5.2m和7.6m两个位置布置水听器列阵，最上端水听器入水深度为7m，最下端水听器入水深度为15m，水听器间隔分别为0.5m和1m，参见图2。试验时沿周向每隔20°测量一次，共18次。模型与水听器相对旋转一周，上、下端面测点与侧面测点形成柱形封闭包络面S1、S2，完成对试验模型辐射声场的测量。

标准声源布放在试验模型所处的水下位置，并在水面下7m、15m位置，距声源中心为1.6m、2.5m、4.5m、5.7m位置，各布置一个水听器；在距声源中心5.7m位置布置水听器列阵，最上端水听器入水深度为7m，最下端水听器入水深度为15m，水听器间隔为0.5m；同时在水面下11m位置，距声源中心3.9m、6.9m位置，各布置一个水听器，参见图3。

3 试验结果

3.1 测量方法校核

球面波声源在无限区域中其声场按球面波规律传播，声场声压与距离呈反比关系，距离每增大一倍，声压级降低6dB。为了验证声源辐射声场的球面波特性，取声源轴线方向径向距离3.9m、5.7m、6.9m位置的声压，按球面波传播规律进行折算，结果与理论值的偏差小于1dB，满足球面波传播规律，结果参见图4。

在验证声源辐射球面波的前提下，根据（6）式分别计算径向距离为3.9m、5.7m、6.9m位置的辐射声功率[10]，同时根据（5）式计算测量面为柱形封闭包络面的辐射声功率，结果参见图5。

柱形包络面法与按球面波传播规律计算的声功率曲线相互吻合。中低频基本一致，高频起伏小于4dB，这是因为标准声源辐射声场在周向角θ方向的均匀性较好，而在极角φ方向声场有3dB左右的不均匀性，结果参见图6、7。因此，由（5）、（6）式计算的标准声源辐射声功率，其偏差可能更主要是由标准声源辐射声场不完全满足球面波传播特性引起的，可以确认柱形封闭包络面方法的可行性与可信性。

3.2 试验模型测量结果

模型受激振动产生水下声辐射，测量了包络面S1、S2上各测点的声压均方值，S1侧面测点数为18×17=306点，S2侧面测点数为18×9=162，两个包络面测点的均方声压计算的声功率吻合一致，400Hz以下的低频段声功率频谱曲线有一定的离散，约为2dB左右，包络面S1上测量得到的结果略高；在2.5kHz以上频段，两个包络面测量得到的辐射声功率偏差约为1dB左右，结果参见图8。图9为频率640Hz，在水面下7m、9m、11m位置声压谱级沿周向分布。

为了分析测点数量与辐射声功率测量结果的关系，针对包络面S1的测点分布情况，周向测点选取数量不变，减少轴向测点选取数量，分别计算辐射声功率，结果参见图10。沿轴向选取2个测点，周向选取18个测点，侧面测点数量为18×2=36，约占侧面全部测点数量的1/9，计算的声功率谱级与全部测点的计算结果基本一致，偏差小于1.5dB。如果在水面下7m、9m和11m位置0°方向分别取一个侧面测点，其结果与全部测点的计算结果偏差为3～5dB，640Hz偏差明显，偏差结果参见图11。参见图9中辐射声压的方向性图，在0°方向上声压谱级偏小，因此，计算的辐射声功率偏小。

如果轴向选定2个测点，进一步减少周向测点选取数量，声功率谱级计算结果参见图12。周向选取6个、9个测点计算声功率谱级，其结果与全部测点的计算结果偏差接近，周向选取3个测点计算声功率谱级，与全部测点的计算结果偏差小于1.5dB，但周向选取2个测点计算声功率谱级，计算结果偏差起伏较大，结果参见图13。因此，从上面的分析结果来看，计算辐射声功率可沿轴向选取2个测点，沿周向选取3个测点。沿轴向选取2个测点即为水面下7m、11m位置，沿周向选取2个、3个测点即为0°、180°和0°、120°、240°位置。 根据图9可知，0°、120°、240°可以表征整个周向上的声压分布， 而0°、180°仅可表征部分周向上的声压分布，丢失掉一部分较高的声压。因此，测点如何选取，决定了辐射声功率测量结果的测量精度。测点的选取主要取决于声场的均匀程度，测点偏少，测量精度明显变差。如果部分测点的声压分布可表征整个声场的声压分布则可利用部分测点进行计算，精度在可接受范围内，且简化数据处理过程，节省数据处理时间。根据上述分析，本模型受激振动产生的水下辐射声场分布比较均匀，可选取较少测点进行测量。

4 结 语

试验采用柱形封闭包络面法测量圆柱壳结构模型的辐射声功率，得到结果如下：

（1）不同包络面测得的辐射声功率谱级，中高频段具有非常好的一致性，400Hz以下低频段声功率频谱曲线有一定的离散，约为2dB左右，2.5kHz以上频段声功率频谱曲线偏差约为1dB左右。

（2）测点的选取主要取决于声场的均匀程度，测点偏少，测量精度明显变差。若部分测点的声压分布可表征整个声场的声压分布则可利用部分测点进行计算。

（3）模型受激振动产生的水下辐射声场分布比较均匀，可选取较少测点进行测量。

致谢：谨向中国船舶科学研究中心俞孟萨、吕世金、吴永兴、周庆云、李东升、朱正道、庞业珍和中国舰船研究院林立、苗金林致以诚挚的谢意！

[1]Chertock G.Sound radiation from vibrating surfaces[J].J Acoustic.Soc.Am.,1964,36(7):1305.

[2]Musha T.Evaluation of ship radiated noise level from near-field measurements[J].Applied Acoustics 1993,40:69-78.

[3]何元安,杨德森.水下结构辐射噪声估算方法实验研究[J].船舶力学,1999,3(2):58-62.

[4]商德江.复杂弹性壳体水下结构振动和声场特性研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2000.

[5]Rasmussen P.Vibrational intensity measurement[C]//4th International Congress on Intensity Techniques.Senlis,France.1993:401-407.

[6]何元安.大型水下结构近场声全息的理论与试验研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2000.

[7]张 林.鱼雷振动噪声测试与分析报告—辐射声功率估算[R].哈尔滨:哈尔滨工程大学科技报告,1992.

[8]俞孟萨,吕世金,吴永兴.半混响环境中水下结构辐射声功率测量[J].应用声学,2001,20(6):23-27.

[9]Lord H W.Noise Control for Engineering[M].McGraw-Hill Book Company,1980.

[10]杜功焕,朱哲民,龚秀芬.声学基础[M].南京:南京大学出版社,2002.