水下弹性结构噪声源识别方法研究

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潜艇、鱼雷等水下航行器的生存能力和战斗力在很大程度上取决于自身的声隐蔽性及其声探测能力,而有效控制和降低水下航行器的辐射噪声,必须了解其主要噪声源位置、贡献大小、主要能量传播方式和途径等。因此,噪声源的识别与定位一直是水声领域的热点问题。本文主要针对水下弹性结构,分别从表面源强度近场声全息重构方法及结构内部激励力源识别匹配场处理方法两个方面开展了研究。  针对边界元法声全息变换公式中的表面奇异积分问题,提出了施加一维声传播方程约束条件的处理方法,建立了一维声传播方程约束条件下的弱奇异积分方程。采用这种方法只需要在计算积分方程时,添加源面上参考点的约束条件,并不需要更改积分方程的形式,也不需要添加声场测点,即可实现强奇异积分的转化。采用坐标变换法,对施加了一维声传播方程约束条件后的弱奇异积分进行了处理。考虑实际工程应用,提出了双平面结合一维声传播方向声场测点的边界元法近场声全息测试模型,并分析了一维声传播测点选择方式对重构误差的影响,采用这种新的全息测试模型可以大幅度的降低由于双平面测量声场截断引起的源面声压及振速的变换误差。考虑半空间中界面对源面的影响,改进了半空间环境下的全息变换方法。针对不同入水深度情况下的球壳模型源面声压及振速,进行了声全息重构数值仿真分析。结果表明,在模型与界面之间的距离较近时,必须考虑界面对源面的影响,采用文中改进后的半空间全息变换方法,源面声压及振速的重构精度有所提高。  以单层圆柱壳体为试验模型,采用双平面结合一维声传播方向声场测点的边界元法近场声全息测试模型,进行了半空间环境下的全息声压测试。试验结果验证了文中所提出的表面奇异积分方程处理方法、近场声全息测试模型及改进的半空间中边界元声全息变换方法对提高全息重构精度的有效性。  针对水下弹性结构内部的激励力源定位及力源强度分析问题,结合匹配场处理技术,提出一种力源识别匹配场处理方法,并建立了相应的振速拷贝场及声压拷贝场物理模型。考虑到大多数水下结构接近于圆柱形结构,以水下单层圆柱壳体作为模型,对不同激励力形式下的壳体声振特性进行分析,建立了水下结构激励力源等效方法,降低了激励源结构复杂情况下的水下圆柱壳体内部激励力源识别难度。将粒子群遗传融合算法应用到水下力源识别匹配处理中,根据不同物理量的拷贝场模型,给出了搜索算法的阈值条件选取原则。针对搜索算法的阈值条件、不同信噪比情况下的搜索精度、各种材料参数对拷贝场计算结果的影响等方面进行了数值仿真分析,验证了算法在一定信噪比条件下的稳定性。同时指出,辐射声压拷贝场对算法阈值条件要求较低,且辐射声压较之结构振动更易获取,采用声压拷贝场进行激励力源匹配识别更利于实际应用。  采用单层圆柱壳体,在消声水池中进行了水下结构力源识别匹配场处理方法的验证试验。对单点力源激励情况进行了力源位置识别分析,识别结果与实际力源位置吻合良好。在两个力源同时激励时,对两个力源的源强度比例系数进行了匹配搜索。利用力源位置及源强度比例系数的匹配搜索结果对模型的辐射声压及辐射声功率进行预报,预报结果精度较高,尤其是辐射声功率,验证了本文提出的水下弹性结构噪声源识别匹配场处理方法的可行性。
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