流激开孔和空腔结构耦合振动噪声试验研究

熊济时，吕世金，邱昌林，王春旭，陈志刚

1中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064 2中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082

流激开孔和空腔结构耦合振动噪声试验研究

熊济时1，吕世金2，邱昌林1，王春旭1，陈志刚1

1中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064 2中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082

［目的］为了研究流激开孔和空腔结构耦合振动噪声，［方法］采用模型试验方法，通过改变孔腔开口大小、来流速度和腔体厚度等，分析其对剪切振荡噪声、腔体自噪声和辐射噪声的影响。［结果］研究表明：空气中的开孔剪切振荡经验公式同样适用于水中情况，剪切振荡频率和剪切振荡量级均与来流速度呈正比；未发生开孔和空腔耦合共振时，腔体壁面刚度仅略微影响剪切振荡量级，而不影响剪切振荡模态频率；在特定的开口和流速下，剪切振荡模态与弹性腔壁模态耦合，产生剧烈的谐频共振以及极大的自噪声与辐射噪声。［结论］研究结果可为潜艇舷外开孔和附近结构设计，以及孔腔结构噪声控制提供有益的探索和技术支撑。

剪切振荡；弹性腔壁；耦合共振

0 引言

潜艇由于潜浮的需要，在艇身开设了数量众多、样式各异的流水孔和压载水舱开口，以及其他各种大小的开口，破坏了艇体表面的光顺性与连续性，致使流动发生分离。在沿流向跨越开孔的内、外流之间，存在着不稳定的剪切层波动，一方面会直接辐射噪声，另一方面会在流水孔后缘局部区域造成湍流边界层脉动压力增大，激励潜艇轻外壳振动从而产生二次辐射噪声。

国内外针对无孔板和开孔板水下振动及声辐射的研究较多。Laulagnet［1］采用解析法研究了无孔简支薄板的振动与声辐射问题。Putra和Thompson［2］在 Laulagnet模型的基础上，采用解析法研究了空气介质中开孔板的振动与声辐射特性，研究结果表明，随着开孔率的增加，薄板的辐射效率降低，当开孔率相同时，随着开孔尺寸的减小，辐射效率降低。Burroughs和 Hankey等［3-4］针对开孔声辐射进行研究，给出了开孔剪切振荡特征对辐射噪声的影响规律。陈美霞、赵志高和李林凌等［5-7］分别采用边界元法、有限元法与Rayleigh积分方法，研究了无孔加筋板的振动与声辐射问题。邱昌林等［8］采用有限元与间接边界元相结合的方法，以开圆孔、四边简支、无障板的钢制平板为对象，开展了开孔板水下振动及声辐射特性研究，结果表明，开孔可显著改变平板水下振动与声辐射特性。张媛等［9］开展了空气介质中矩形开孔板的固有特性，并研究了开孔尺寸和形状对薄板固有频率的影响规律。张楠等［10］基于大涡模拟方法与Kirchhoff积分，探讨了水中孔腔流动的发声机理。王栋等［11］利用有限元方法计算了具有椭圆开孔薄板的前两阶固有频率，分析结果表明，开孔能显著改变矩形板的固有频率，其影响效果与矩形板的边界约束条件和开孔形状相关。通过分析开孔板结构振动与声辐射特性研究的现状发现，在该领域还存在着以下不足：一是目前的研究多集中于开孔板在空气中的振动与声辐射，对于开孔板在水下的振动与声辐射研究较少；二是缺乏水中复杂开孔板结构振动与声辐射的计算方法；三是有关水中流激开孔与空腔结构耦合共振特征的研究较少。

本文拟针对流激开孔和空腔结构耦合振动噪声问题，采用模型试验方法，进行不同孔腔开口大小、来流速度、腔体厚度对开口剪切振荡噪声、腔体自噪声和辐射噪声的影响研究，用于为潜艇舷外开孔和附近结构设计，以及孔腔结构噪声控制提供有益探索与技术支撑。

1 试验相关情况

试验在中国船舶科学研究中心的高速方形小水洞中进行，水速0～20 m/s，试验段尺寸225 mm×225 mm×1 600 mm。由于试验段为拆分式，故可以利用其中的2个部分：一个是长试验段225 mm×225 mm×845 mm；另一个是短试验段225 mm×225 mm×350 mm。在长试验段，安装试验模型进行开孔剪切振荡特征声场试验及腔体自噪声测试；在短试验段的矩形腔体，设计透声窗进行流激开口和空腔辐射噪声测试。当出现流激共振现象时，自噪声和辐射噪声的量级将不满足随航速变化的规律。

1.1 试验模型

试验模型为由钢板围成的长方体腔体，如图1所示，开口宽度194 mm（固定不变），长度320 mm，在开口长度方向可实现0～320 mm范围的任意选取。此外，开口下方腔体的总深度800 mm，长度360 mm，宽度215 mm，通过设置2种不同厚度的腔体壁面，对比研究壁面弹性对剪切振荡特征的影响。其中，腔体壁面厚度较薄的模型其首阶固有频率设计为6 Hz，为简化描述，后文将腔体壁面厚度较薄的模型称为弹性壁，腔体壁面厚度较厚的模型称为刚性壁。

图1 试验模型Fig.1 The experimental model

1.2 自噪声测试方案

自噪声测试的目的是分析流激开孔对空腔内部噪声的影响。自噪声测试利用方形水洞的长试验段，将试验模型安装到试验水洞225 mm×225 mm×845 mm的观察窗部位，考虑到安装需要，开口宽度设计为194 mm，长度320 mm，可实现0～320 mm范围的任意选取。在模型中设置p1～p4共4个水听器，用于监测模型腔体内部不同部位的自噪声，如图2和图3所示。

1.3 辐射噪声测试方案

辐射噪声测试的目的是分析流激开孔和空腔的辐射特性。辐射噪声测试主要利用方形水洞225 mm×225 mm×350 mm的短试验段。在该试验段，安装矩形腔体（图2上方深蓝色部位），设置p5和p6共2个水听器，用于测量流激模型开孔和空腔的辐射噪声。为了隔离流对辐射噪声的影响，在矩形腔体和水洞流道之间设置10 mm厚的有机玻璃透声窗（原观察窗部位），其特征阻抗与水基本一致，对声波的衰减较小。主要测量方形水洞的内部声场。由于采用方形腔体，其内部没有采用消声措施，故基本上是混响环境，其测试结果和实际值相比偏高，但也足以用来分析剪切振荡以及腔体共振产生的声辐射特征。

图2 测点布置示意图Fig.2 Schematic diagram of measuring points

图3 测点布置实图Fig.3 The experimental set-up

2 相同开口弹性壁与刚性壁辐射噪声比较

图4给出了来流速度12 m/s、腔体开口大小L=100，320 mm时（L为孔腔长度）p5测量的弹性壁与刚性壁辐射噪声的对比结果。由图可以看出，在相同开口流激剪切振荡条件下，未发生开孔和空腔耦合共振时刚性壁与弹性壁的辐射噪声频谱特征及幅值基本一致，表明腔体结构对剪切振荡频率无影响，腔体壁面厚度仅略微影响剪切振荡幅值。

图4 弹性壁和刚性壁的辐射噪声比较Fig.4 Comparison of radiation noise between elastic and rigid walls

3 剪切振荡模态与弹性腔壁模态耦合特征分析

Rossiter［12］给出了空气中开口剪切振荡频率经验公式：

式中：f为流水孔剪切振荡频率；n为模态数；U0为来流速度；M为马赫数。

根据试验设计结果，弹性腔体一阶固有模态频率约为6 Hz。按照式（1）进行估算，当腔体开口大小L=150，200和320 mm时，对应的来流速度分别为2.1，2.8和4.5 m/s，剪切振荡频率恰好等于6 Hz（图5），此时，会出现流激开口与孔腔结构弹性共振。

图6为腔体开口大小L=150 mm时不同来流速度对应的弹性壁面腔体剪切振荡噪声声压级。在来流速度增加的过程中，当来流速度为2.4 m/s时，声压会出现强烈的谐频振荡和最高可达188 dB的噪声，随着速度的继续增加，共振现象逐渐消失，噪声也随之降低。由图7可见，当腔体开口大小L=200 mm时，共振发生在来流速度约为2.8 m/s时。由图8可见，当开口大小L=320 mm时，共振发生在来流速度约为4.5 m/s时。图6～图8的试验结果显示，共振发生的水速（2.4，2.8和4.5 m/s）与图5所示理论计算的6 Hz剪切振荡发生时的速度（2.1，2.8和4.5 m/s）基本一致。

图5 理论计算剪切振荡模态频率与速度的关系Fig.5 Theoretical results of relationship between the shear oscillatory frequency and velocity

图6 弹性腔壁在不同来流速度下的声压级（L=150 mm）Fig.6 The sound pressure level at different flow velocities（L=150 mm）

图7 弹性腔壁在不同来流速度下的声压级（L=200 mm）Fig.7 The sound pressure level at different flow velocities（L=200 mm）

图8 弹性腔壁在不同来流速度下的声压级（L=320 mm）Fig.8 The sound pressure level at different flow velocities（L=320 mm）

在剪切振荡模态频率与腔体壁面模态频率一致的情况下，可发生开口孔腔剪切振荡与腔体弹性共振吻合的现象，会引起比较强的声辐射。与没有发生耦合的现象相比，峰值量级会增加50 dB左右，总声级会增加20～35 dB，此外，剪切振荡高阶模态也会与腔体高阶模态耦合，产生较强的噪声，这是腔体开口设计时必须关注的重点。

4 结 论

本文研究了由开口剪切振荡及其激励产生的腔体自噪声和辐射噪声的情况，分析了开口大小和来流速度对剪切振荡的影响、腔体结构弹性对腔体自噪声和辐射噪声的影响，以及腔体模态与剪切振荡模态耦合等情况，得出以下几点结论：

1）通过刚性壁腔体与弹性壁腔体的噪声比较，发现在未发生开孔和空腔耦合共振时，腔体壁面厚度只略微影响剪切振荡量级，剪切振荡模态频率与腔壁厚度无关。

2）空气中的开孔剪切振荡经验公式同样适用于水中的情况，剪切振荡频率与来流速度呈正比。

3）在特定的开口和来流速度下，剪切振荡模态与弹性腔壁模态耦合会产生剧烈的谐频共振，以及极大的自噪声和辐射噪声，因此在设计开孔和腔体时，应该挑选合适的开孔大小和腔壁厚度等，以避免此类情况发生。

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［12]ROSSITER J E.Wind tunnel experiments on the flow over rectangular cavities at subsonic and transonic speeds［R］.Farnborough：Royal Aircraft Establish⁃ment，1964.

Experiments of opening and cavity shear flow-induced vibration and structural coupling resonance

XIONG Jishi1，LV Shijin2，QIU Changlin1，WANG Chunxu1，CHEN Zhigang1
1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China 2 China Ship Scientific Research Center，Wuxi 214082，China

In order to discuss opening and cavity shear flow-induced vibration and structural coupling resonance,experiments of opening and cavity shear flow-induced vibration and structural noise control are carried out.The impact of the opening size,flow velocity and cavity thickness on shear oscillation noise,self-noise in the cavity and radiated noise are analyzed.The results show that the empirical formula of the opening shear oscillation in air is also applicable to the condition underwater,which the shear oscillation and amplitude of modal frequencies are directly proportional to the flow velocity;in case that no coupling resonance occurs,the thickness of the cavity wall will bring slight influence on the amplitude of the shear oscillation,but not on the mode frequencies;also the coupling of shear oscillatory mode and cavity wall mode show dramatic coupling resonance under certain conditions,and leads to self-noise and acoustic radiation.The findings supply useful exploration and technical support concerning the application of opening and cavity structural noise control measures.

shear oscillation；elastic walls；coupling resonance

U661.44

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.04.018

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170727.1032.036.html期刊网址：www.ship-research.com

熊济时，吕世金，邱昌林，等.流激开孔和空腔结构耦合振动噪声试验研究［J］.中国舰船研究，2017，12（4）：117-121.

XIONG J S，LV S J，QIU C L，et al.Experiments of opening and cavity shear flow-induced vibration and structural coupling resonance［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（4）：117-121.

2017-04-06< class="emphasis_bold">网络出版时间：

时间：2017-7-27 10:32

国家部委基金资助项目

熊济时（通信作者），男，1977年生，博士，工程师。研究方向：振动与噪声控制。

E-mail：xiong26@163.com