水下声辐射机理与仿真分析

强化水下航行器声隐身性能一直是提高海军综合突防能力、生存能力和作战效能，并取得战略、战术优势的重要途径和核心举措。由于重流体作用，水下结构的声源分布和声辐射机理特别复杂，这给水下声辐射预报和低噪声设计带来不少的难题。本文首先对水下声辐射机理进行了梳理；然后简要介绍了Simcenter Acoustics声仿真工具；最后，分别针对不同水下声源给出了声辐射仿真方法和流程，同时也分享了一些仿真案例，为相关的水下声研究提供仿真经验和数据参考。

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一、前言

水下航行器噪声的主要声源有：机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声。这三种声源根据产生的部位和机理，相互之间相互独立也相互有所关联。在低速隐蔽航行工况，机械噪声是其最主要的噪声源，其谱结构特征也最容易被敌方探测到。机械噪声的主要来源是：动力设备与管路系统和艉部推进传动系统；在巡航和高速工况，螺旋桨噪声和水动力噪声的贡献量逐渐增大以至于占主导地位。有时为了简化，水声研究人员也会将这两种噪声统称为流制噪声，将螺旋桨作为最重要的流噪声声源。本文研究内容是对水下声辐射机理进行详细论述，并针对这5种机理采用不同的方法和流程来进行声学仿真分析。

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二、水下声辐射机理

2.1 结构振动辐射声

结构振动辐射声的声源特征可以视为结构辐射面上一个个具有一定相位关系的活塞辐射，结构表面振动引起附近流体的压缩和扩张，密度变化而形成声波传播出去。因此，在考虑煤质振动速度时需要考虑煤质对结构振动的影响，在水声学中称为附连水的影响。

在进行水下结构振动声辐射时，通常将结构振动与声辐射分开处理（这与流固耦合中声振区分是两个不同的概念）。在结构动力学模型中，基于结构的固有属性（干模态）建立附连水的模型从而获得湿模态，并在此基础上加载载荷、流体力或传递的振动来计算获得结构表面的振动位移、速度或加速度。这些参量就是声辐射仿真的声源量，它已经考虑了声煤质对结构的影响，于是声仿真就可以采用声学波动仿真直接求解声场。

2.2流体绕流噪声

流体动力噪声属于流体力学和声学的交叉学科领域。当飞机、舰艇、鱼雷等运载武器在流体介质中运动时，物体边界层由层流发展为湍流，即在时间上和空间上都会有随机变化的不稳定流动状态。这种非定常的流动一方面直接产生辐射噪声，另一方面，湍流边界层内随机的速度扰动产生随机的脉动压力，激励物面弹性结构振动并产生二次辐射噪声。上述两部分不同来源的噪声我们统称为流致噪声。这里的舰船流体绕流噪声分析指的是非定常湍流引起的直发声。

在进行流体力引起的声学仿真时，首先需要对声源的产生机理和声源特性要有一定的理解。通常绕流不会带来流体质量流量的变化（反例：水泵喘振），而且流动处于低马赫数下，此时线速度较大的推进器叶片表面的非定常力为主要声源，其次是具有结构引起流场边界层变化较大的区域：如围壳、尾舵、定子等位置，而且这些位置通常受到非均匀来流的影响。也是因为马赫数较低的缘故，流体绕流声仿真中的流场非定常计算与声辐射仿真可以分开，其中不考虑流场对声场的散射效应。

在舰船流体绕流噪声仿真中，最关键的是要获得精确的声源信息，了解声源的成分、声辐射效率和声源分布。这部分工作是需要声仿真工程师与CFD工程师联合进行完成的：进行网格适应性研究，兼顾宏观量如阻力、力矩平衡和微观非定常力加密区域的声源提取；还需要权衡计算量与计算精度，提取主要噪声源。

2.3 声散射噪声

根据FW-H方程中的绕流噪声特性分析中，湍流脉动力在界面上形成偶极子为主要辐射声源，其中在许多脉动力噪声源中，与螺旋桨有关的噪声源通常占主导地位。于是，该方案在此给出一种一种快速预报推进器噪声的方法：首先考虑主要声源的辐射场，通过CFD计算获得螺旋桨中的表面压力脉动和轴向脉动力（通常CFD获得的轴向一阶叶频脉动力精度能达到30%）；其次，将轴向推力等效为偶极子源；最后，将螺旋桨诱发的艇体辐射场可以视为是由螺旋桨直接辐射，入射声经过艇体激发艇体的反射声场共同叠加形成的声场。

其实在声仿真中，都不可避免的遇到声散射问题，如结构表面、自由液面、海底淤泥等等，在这里单独拿出来分析主要是为了更好地诠释舰船局部结构的声场特性和散射体的声特性（又称为固壁因子）。当散射体边界条件与声源位置一定，其固壁因子不会发生变化，该参数在声源结构布置安装和匹配中具有一定的参考价值。

2.4 流激励结构振动辐射声

在研究水下结构二次辐射声之前，首先需要对边界层紊流压力脉动激励源做一个简单的区分。脉动边界层紊流压力脉动通常区分为声压和伪声两部分：声压起因于湍流中的起伏Reynolds应力产生的密度起伏，它服从波动方程；伪声起因于湍流速度起伏的动量起伏，它直接平衡与动量起伏，满足泊松方程。对比边界层中的声压成分可以发现：伪声压力脉动能量占绝大部分，可见它是二次辐射噪声的激励源。

绕流引起的二次声仿真方法主要针对激励力和结构动力系统两个方面。在激励力方面，由于结构受到绕流激励的强度不仅取决于绕流表面指定点的自功率谱，还取决于压力脉动沿空间的随机关联性（相关性）的程度，在给定频率处这一脉动相关性的程度恰好表征互谱。随机压力脉动在空间的关联性越强，结构的振动激励也就越有效。采用互谱矩阵的方式来加载激励力是随机振动的最直接有效的方法。

2.5其他全频段噪声机理

古金噪声：螺旋桨的匀速旋转运动导致的声辐射，以此来强调与不导致声辐射的匀速平移运动的区别。代表了旋转机构的最低声辐射。在水下低马赫数时，这类噪声声能量很低，且被不均匀和非定常来流引起的声辐射所掩盖。

螺旋桨推、扭力噪声（旋转声）：在不均匀来流中，螺旋桨周期扫掠流场，使得周围流体介质承受一种周期起伏力而辐射噪声，这些噪声的频谱都是线状谱。通常呈现轴频、叶频及倍频特征，这是低频线谱噪声产生机理之一。

厚度噪声：在非定常来流中，由于紊乱脉动的随机特性，使得桨盘面速度场的周期性和重复性遭到破坏——使得桨面的非定常力的严格周期性丧失，在周期性分量外出现了非周期性的分量，不断改变频率和幅值的谐调分量，而形成的随机分量的连续能量谱，这是低频宽带噪声分量产生机理之一。有时，在叶频附近的线谱来源于围壳尾流卡门涡街导致的频率和幅值的谐调。

涡旋噪声：涡旋噪声是流体流经螺旋桨叶片、舵、各种突起物的后缘所产生的涡旋噪声。特别是当涡脱落频率与物体的某阶固有频率相同且两者的空间波数吻合时激发物体的共振，即唱音。通常情况下，桨叶是三维翼型，不同半径处厚度不一样，涡脱落频率也不一样，而且由于叶片间的叶栅效应会破坏脱出涡的周期性，因此，它更接近于宽带噪声。

边缘噪声：由于桨叶后缘的半平面屏蔽效应造成辐射源从偶极子源降级至单级子源，而辐射增大。该噪声有明显的指向性特征，垂直于流向。该噪声频率也由涡脱落频率确定，属于高频范围。

唱音：桨后缘的涡脱落形成周期力，当频率与弹性振动某个固有频率一致时，会发生谐频放大，并使得涡脱落增强。当速度变化不大时，还会发生锁频自激振动。甚至有时唱音还会不同频段发生，例如某螺旋桨300-400Hz、550-600Hz和650-700Hz。弱唱音产生的机理是来源于后缘产生的涡旋，这些涡旋引起的结构振动仅仅增强了涡旋强调和调节涡脱落频率，也就是前面提到的涡旋噪声和边缘噪声，其表征的是声辐射能量不仅集中在叶片固有振动频率上，而且还存在于附件区域，它随着流速变化比较平缓。

运动激励噪声：由潜艇的轴系振动和艉部振动传播至叶片而引起的声辐射。频率特征主要体现低频窄带（如艇体模态），也有中高频窄带（如轴系纵振）。

空化噪声： 物体与水的相对运动引起局部压力下降导致空化。螺旋桨空炮又分成稍涡空化、叶表面空炮和毂涡空泡。潜艇到达临界转速，空化噪声强度急剧上升，其强度正比于空泡体积，空泡尺度逐渐从微米级增加到毫米，强度增大的同时，能量峰值逐步向低频移动。在实际工程中，空泡通常会收到非均匀来流的影响，因此出现轴频调制。

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三、Simcenter Acoustics 仿真工具介绍

·Simcenter 3D继承了Virtual lab高级声学模块，几乎涵盖了所有的成熟声学仿真方法，针对大尺度模型、全频段、多种声源类型问题均具有详细解决方案。

·Simcenter 3D沿用NX高级几何建模功能，基于NX Nastran强大的结构强度、刚度、模态、振动分析功能，通过整合流体、声学、电磁等工程仿真软件，实现从仿真验证设计到仿真驱动设计转变。

·Simcenter 3D软件提供工作平台导航功能，通过相应菜单可以在设计、建模、和仿真功能模块之间进行任意切换，还能调用诸多其它仿真软件内核进行求解。

·Simcenter 3D平台集成了结构动力学模块和声学模块，能直接进行结构振动声辐射联合仿真。Simcenter 3D平台提供多种仿真接口，通过调用结构、流体仿真结果，可实现绕流噪声和流固耦合声辐射的计算。

·Simcenter 3D平台的开放体系架构(支持多种编程语言C/ C++、VB、C#、Java和Python) 为客户化定制提供便利。

·Simcenter 3D平台继承了Virtual lab中的实验和仿真混合建模及仿真分析功能，使其同时具有实验的可靠性和仿真的便捷性。 

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四、水下声辐射仿真方案

4.1结构振动辐射声仿真

由于声源是结构辐射面的振动信息，因此舰船结构振动声辐射仿真比较合适的方法是声学边界元法。针对内外声场封闭或联通的问题，分别提供直接声学边界元法和间接声学边界元法，针对实际尺度模型提供多级子快速边界元方法。本文考虑的是一般的外场声辐射问题，所采用的方法为直接声学边界元法。

4.2流体绕流噪声分析

流体噪声是通过CFD与FW-H声类比、声学软件相结合计算声场，即采用CFD模拟声源周围的区域，声类比等效声源，应用声学软件求解声场，该方法求解精度良好。声学软件中的声学分析方法主要有两种：有限元方法和边界元方法。声学有限元要求把所计算的声场离散成实体网格，因此声学有限元的计算空间通常是有限的，例如封闭空间的内声场问题。边界元与声学有限元相比，它有许多的灵活性，边界元既可以计算封闭空间中的声场，也可以计算非封闭空间中的声场，边界元需要的是面网格（二维网格），而不是实体网格，通过在面网格上积分，得到场点的声场分布。边界元相比有限元而言，虽然降了一个维度，但由于边界元矩阵是满秩矩阵，其计算所用的时间相差不大。

4.3 声散射噪声计算 

舰船的声散射噪声仿真重点在于声源获取和散射体建模。流体水动力获得声源的方法在前面导管桨算例中已经有介绍，在这里要特别提的是，如何将其等效成简单的声源，当然如果不考虑计算能耗仍然可以采用舰船流体绕流噪声仿真的方法。散射体模型除了结构外表面轮廓外，还有就是需要设定声边界，即稳态声场的边界条件三类边界条件：Dirichlet边界条件(给定声压)，Neumann边界条件(给定，为法向单位矢量)或Robin边界条件(给定声学阻抗，其中，和为给定的参数)，例如刚性边界为Neumann边界条件=0。

4.4 流激励结构振动辐射声仿真

从多物理场仿真的角度来说，舰船的流激励结构振动辐射声仿真只是将振动辐射声中的激励力换成由流场CFD获得的脉动力，而且该脉动力具有迁移性特征。本文中的脉动力通过时域激励力互功率谱来表征该激励力特性。结构振动仿真在前面章节中已经讲过了，就是利用结构有限元软件进行干模态计算，并导入声学软件Simcenter中，采用边界元将结构干模态与声场进行耦合计算获得结构的湿模态。声辐射计算在辐射表面振动信息已知的情况下，就是通过声学边界元或有限元来进行求解。

4.5 其他全频段噪声仿真

经过对推进器噪声的产生机理进行梳理之后，结合工程实际我们不难发现，唱音和空化噪声的声仿真几乎是无法精确实现的。而其它的噪声机理都可以用前面章节中介绍的方法来进行仿真。

唱音的仿真难点在于很难定义入流边界，而且与结构的制造工艺有关（同一型号的桨，工况一致，其中就有一两条桨发生唱音）。然而，通过对流场仿真和桨叶结构仿真以及唱音的机理分析可以有效地预防唱音的发生。

空化噪声仿真难点在于：1、声源为非稳态声源，且只具有统计规律；2、声源频率高达10kHz，声源尺度为几毫米，将给声仿真计算量巨大；最重要一点，CFD计算无法较精确的定量计算出声源。在这些认知基础上，本方案寻求一些定性的仿真方法，如CFD+虚拟面FW-H方法和CFD+经验公式法。

·CFD+虚拟面FW-H方法

·CFD+经验公式法

根据单个空泡的噪声特性研究，空化的辐射声功率是每个气泡辐射的平均能量于每秒气泡崩溃数目的乘积。由于每次崩溃辐射的能量正比于崩溃压力与最大气泡体积的乘积。因此，辐射功率正比于单位时间所产生的全部空化体积，即

测量获得的空化频谱图是在峰值前约9dB倍频增加，峰值后约6dB倍频降低。而峰值频率可利用最大气泡的崩溃关系式获得：

，其中 为最大气泡半径， 为崩溃压力。

利用CFD计算获得空化体积变化率和最大空泡半径，利用声功率公式计算并定性分析。另外，针对螺旋桨空化噪声表达式，杨勇和熊鹰在文献显示噪声频率在高频时空化噪声比非空化噪声声功率级增加约20dB，获得螺旋桨声压级经验表达式。可以将这些经验公式封装到声学仿真软件中，作为一种快速空化噪声的预估仿真方法。

总结

本文对水下声辐射机理进行了详细的论述，几乎涵盖所有的声源和频段，为水下声学研究提供理论指导。

分别针对多种不同声源机理提供了声仿真的方法和流程，并通过相关的案例分享，能有效提高读者的仿真实践能力。

文章来源：能科股份