水声波导中圆柱壳的强迫振动声响应

原文摘要：

      提出了一种分析无限长薄圆柱壳在水下波导中的线分布谐波激励作用下的振动声学的解析方法。薄壳的运动方程建模使用Flugge壳理论，流体结构耦合实现图像源方法占的无限反射声波波导边界和格拉夫的附加定理用于调和图像源的坐标系的解析表达式。通过有限元模型的数值结果验证了解析模型的振动声响应，显示了良好的一致性。该分析方法为参数研究自由表面和/或刚性地板的接近对壳体振动声行为的相对影响提供了一个计算效率高的计算工具。

原文总结：

     本文介绍了一种评估薄圆柱壳在线分布谐波激励下的浅水振动声学的高效分析模型。所采用的波导由上部自由表面和下部海床组成。该分析方法采用了Flügge壳方程、镜像源方法，并应用了Graf的加法定理来协调不同坐标系的镜像源。文中提出并验证了振动、声压和辐射声功率的指标，与相应的有限元模拟结果非常吻合。该分析模型减少了振动声学问题的计算复杂性。通常为了解决远点问题，COMSOL模型的计算域需要扩展，增加了解决系统所需的计算量。然而，分析方法没有遇到同样的限制。在评估流体域中单个观测点的声压时，它的计算速度比有限元模拟快几个数量级，需要较少的内存和数据存储，相对于有限元模拟。

      随后的研究使用了现有方法来研究驻波准则，通过将结果与所谓的“镜像效应”模型进行比较，探讨了包含镜像源贡献在流体-结构耦合中的重要性，比较了与脉动单极子的结果，并对不同波导配置的极限情况进行了研究。研究发现，相较于通常忽略了流体-结构耦合项中的镜像源贡献的“镜像”效应方法，现有方法是一种更准确的方法。对于预测结构响应来说两者的比较结果相似，但在低频和驻波频率下，声学响应存在差异。这强调了“镜像”效应不适用于预测声学输出。在压力水平曲线中观察到的振荡是镜像源贡献的直接结果，这些贡献受到力配置的影响。垂直加载的壳体即使在低频下也会出现振荡，而水平加载的壳体与脉动单极子类似，除了在驻波频率下。在不同的波导配置下观察声学响应，一般结论是海床增加了远场的声压，而自由表面相对于无界海域则降低了声压。垂直加载的壳体需要一个较大的波导才能忽略振荡，从而假定为极限情况，相对于水平加载的壳体。最后，垂直加载的壳体行为与水平加载的壳体不同，而水平加载的壳体类似于脉动单极子。

       本研究采用的简化建模框架（薄壳模型、二维近似、完美水下波导）经过数值验证，可以为更复杂的振动声学现象提供有价值的见解，并可作为未来操作模型的基准和验证工具。

文章来源：comsol多物理场仿真技术