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船体结构声波动特性及阻波技术应用研究

计方  
【摘要】:近年来,随着现代探测设备和武器向高精度、远距离发展,舰船的暴露和被命中率大幅提高,生存力和战斗力受到严重威胁。舰船声隐身技术是通过系统地应用多种技术来控制舰船声场,改变舰船声目标特性,同时也提高本舰对目标的发现、跟踪和打击力。因此,声隐身技术是提高现代舰船的生存力和战斗力的有效手段。 舰船主机、辅机等众多机械设备的气阀、活塞连杆等在摩擦、冲击等交变应力作用下产生的结构噪声,通过基座—艇体—流场的结构振动噪声主传递途径以弹性波的方式向外传递。然而,机械动载荷作用产生的振动不是立刻影响到艇体的,振动的传播需要一定的时间,并必须通过一定的通道。因此,结构动力响应分析从本质上讲是一个波动问题。 舰船结构声传递机理与阻抑特性研究,是一个涉及结构振动声辐射和弹性波控制的交叉领域的研究课题。本文从典型船体板梁结构入手,以敷设声学覆盖层的加筋双壳为研究对象,旨在探索典型舰船结构中的波动特性。在频散特性、聚能效应、功率流传播和声辐射分析基础上,开展了典型艇体动力舱段的振动波控制技术研究。 首先,基于波型转换及阻抗失配原理,系统分析了有限尺度的多种典型船舶连接结构的波动特性,讨论了流体负载对其波动特性的影响规律,对比了各种连接结构的阻波性能,给出了具有高传递损失特性的舰船连接结构形式。 当前舰船结构噪声控制中仅仅着重于弯曲波一种波形的分析,具有一定的局限性。突破薄板理论的局限,本文将船体板、梁的运动用波动方程描述成行波,结构振动被描述成向不同方向传播的波,给出计及剪切变形的船体梁的多模式频散特性,在此基础上探索了宽频激励下船体结构中的“能量聚集”效应。 加肋双壳结构一般是由梁、平板、柱壳等构件组成,研究其结构频散及动力机械输入功率流特性对于控制设备—基座—壳体—流场的结构声主传递途径具有重要的理论及工程应用价值。以流场中敷设声学覆盖层的有限长加筋双层圆柱壳为研究对象,开展敷设覆盖层的双壳结构频散及输入功率流特性研究,分析静水压力、声学覆盖层、不同边界条件对双壳结构频散特性的影响规律,探索艇体结构在螺旋桨及推进电机联合激励下的能量聚集现象。 随着安静型机电设备技术和减振隔振技术的发展和运用,机械噪声得到了有效控制,使得对空气声激励壳体振动和声辐射的研究更加重要。依据动力舱室的多源激励特性,分析了激励力和内部声源联合作用下双层圆柱壳声辐射特性,研究了舰船舱室结构透射、辐射噪声复合特性及噪声主导分量。在此基础上,初步给出了风机系统、泵等设备直接辐射空气噪声引起的艇体水下噪声的工程估算方法,并给出了空气噪声工程控制建议。 船体本身的结构突变对结构噪声的传播的阻碍作用有限,因此要想达到对结构噪声的较大的隔声量,必须采取行之有效且装配工艺合理的措施。基于波动理论的分析处理方法,讨论阻振质量偏心布置、阻振质量固定方式对其隔振特性的影响,分析船体结构中弹性复合材料夹层对声振动传递的阻抑特性,初步给出基座结构隔振度与阻振质量参数的经验公式。提出了在船体结构刚性隔振的基础上联合应用弹性夹层的新型复合阻波技术。 基于敷设声学覆盖层的加肋双层圆柱壳的频散、聚能效应、功率流及声辐射特性分析,将具有高传递损失特性的结构形式和新型阻波技术引入典型动力舱段空间体系声学设计,给出了具有高传递损失特性的舱壁、基座、舷间托板结构形式。 在上述理论分析及数值试验基础上,通过大尺度舱段模型水下振动及声辐射模型试验验证了结构声学设计的有效性,初步形成典型动力舱段空间体系声学设计方法。


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