壳间连接介质对双层壳声辐射性能的多维度探究

壳间连接介质对双层壳声辐射性能的多维度探究一、引言1.1研究背景与意义在现代海战中，潜艇等水下航行器凭借其隐蔽性强、作战效能高等优势，成为了海洋战略力量的重要组成部分。随着反潜技术的飞速发展，水下航行器面临着日益严峻的探测威胁。例如，先进的声呐系统探测精度不断提高，能够更敏锐地捕捉到水下航行器发出的噪声信号。在这种情况下，提高水下航行器的隐身性能已成为增强其生存能力和作战效能的关键，而降低水下航行器的噪声辐射则是实现隐身的重要途径之一。有限长加筋双层圆柱壳结构，作为潜艇、鱼雷等各种水下航行器的典型舱段结构形式，在实际应用中发挥着关键作用。这种结构能够在一定程度上增强水下航行器的强度和稳定性，有效抵御外部水压的作用。然而，当双层圆柱壳受到机械动载荷激励时，壳间连接介质会直接将振动波传递到外壳上，进而引发声辐射现象。以托板和实肋板等横向构件为例，它们密集布置在双层圆柱壳舷间，直接连接内外壳体。当有机械动载荷作用时，这些构件就像桥梁一样，将振动波迅速传递到外壳，导致声辐射的产生。因此，研究壳间连接介质对双层壳声辐射性能的影响具有至关重要的意义。壳间连接介质的特性会直接影响双层壳的声辐射性能。不同的连接介质，如托板、舷间流场等，其材料属性、结构形式和物理特性等都有所不同，这些差异会导致振动波在传递过程中发生不同程度的变化，从而对声辐射的强度、频率和方向等产生显著影响。通过深入研究壳间连接介质对双层壳声辐射性能的影响，可以为水下航行器的结构设计和声学优化提供科学依据，有助于研发出更加有效的降噪技术和措施，降低水下航行器的噪声辐射，提高其隐身性能，增强其在复杂海战环境中的生存能力和作战效能。1.2研究现状综述在水下航行器结构声学领域，众多学者围绕壳间连接介质与双层壳声辐射性能开展了大量研究。郭博和陈美霞等将水下复杂结构理论简化成舷间为实肋板或托板的双层圆柱壳结构，借鉴双层板中舷间肋板的处理方式，将实肋板或托板等效为内外层圆柱壳的反作用力，代入描述圆柱壳振动的Flu¨gge或Donnell方程，再结合边界条件分别建立了水中有限长双层加肋圆柱壳声固耦合模型，研究了托板、实肋板、壳间水层等连接介质对内外壳振动传递和声辐射的影响，得到了环形肋板刚度、内外壳间距、内外壳厚度等参数对振动传递特性的影响规律，同时对比分析了实肋板和托板的区别。白振国采用阻抗法建立了有限长双层圆柱壳舷间声振耦合理论模型，并考虑了龙骨作为轴向强支撑结构对结构振动传递特性的影响。谭路等采用波数谱分析方法从轴向和周向振动模态方面分析了双层圆柱壳振动与声辐射特性，其研究成果对结构声学设计具有一定指导意义。在舷间结构的声振研究方面，Takahashi和Wang等以双层板结构为研究对象，将肋板等效为双层板的反力和反力矩，建立了外力约束下双层板的耦合振动方程，提出了双层加肋板的理论模型，进而开展了双层板振动和声辐射研究。Yoshikawa和吴文伟等研究了舷间实肋板对内外圆周壳板的作用力，提出了水下无限长双层加肋圆柱壳体的声辐射计算方法。刘子豪、周富霖等人采用有限元方法建立舷间双层声桥的有限长双层圆柱壳振动声辐射模型，对比分析双层声桥与传统单层声桥结构的声振传递特点，揭示双层声桥结构形式、结构参数以及轴向分布间距等因素对声辐射和振动传递特性的影响规律，结果表明双层圆柱壳间的双层声桥连接结构比传统单层声桥结构的降噪效果更好。然而，当前研究仍存在一定的局限性。现有研究多集中于特定类型的壳间连接介质，如托板、实肋板等，对于新型连接介质或多种连接介质组合的研究相对较少。在研究方法上，虽然理论分析、数值模拟和实验研究都有应用，但不同方法之间的协同验证还不够充分，导致研究结果的可靠性和普适性有待提高。此外，对于复杂工况下，如多激励源、非均匀流场等条件下壳间连接介质对双层壳声辐射性能的影响研究还不够深入，难以满足实际工程中水下航行器面临的复杂多变的工作环境需求。1.3研究内容与方法本文旨在深入研究壳间连接介质对双层壳声辐射性能的影响，主要从以下几个方面展开：不同类型连接介质对双层壳声辐射性能的影响：分别选取托板、实肋板、舷间流场等典型的壳间连接介质，分析它们在机械动载荷激励下，对双层壳振动传递和声辐射的作用机制。通过建立相应的理论模型，推导振动传递方程，明确不同连接介质的振动传递特性，以及这些特性如何影响双层壳的声辐射强度、频率和方向等参数。连接介质参数对双层壳声辐射性能的影响：针对每种连接介质，研究其关键参数，如托板的厚度、实肋板的刚度、舷间流场的流速和密度等，对双层壳声辐射性能的影响规律。通过改变这些参数，进行理论计算和数值模拟，分析声辐射性能随参数变化的趋势，找出对声辐射性能影响较大的关键参数，为后续的结构优化设计提供依据。多种连接介质组合对双层壳声辐射性能的影响：考虑实际工程中可能存在的多种连接介质组合情况，研究不同组合方式下双层壳的声辐射性能。分析不同连接介质之间的相互作用对振动传递和声辐射的综合影响，探索通过合理组合连接介质来降低声辐射的有效途径，为水下航行器的结构设计提供更多的选择和参考。复杂工况下连接介质对双层壳声辐射性能的影响：研究在多激励源、非均匀流场等复杂工况下，壳间连接介质对双层壳声辐射性能的影响。建立考虑复杂工况的理论模型和数值模型，分析复杂工况下振动传递和声辐射的特性，揭示复杂工况与连接介质之间的耦合作用机制，为水下航行器在复杂环境中的声学性能优化提供理论支持。为了实现上述研究内容，本文将采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法：理论分析：基于弹性力学、结构动力学和声振耦合理论，建立有限长加筋双层圆柱壳的声固耦合理论模型。考虑壳间连接介质的特性，推导振动传递方程和声辐射计算公式，从理论上分析连接介质对双层壳声辐射性能的影响机制和规律。数值模拟：运用有限元软件ANSYS和声学软件SYSNOISE等，建立有限长加筋双层圆柱壳的数值模型。通过数值模拟，对不同类型连接介质、不同连接介质参数以及多种连接介质组合情况下的双层壳声辐射性能进行计算和分析，验证理论分析结果，并进一步研究复杂工况下的声辐射特性。实验研究：设计并开展相关实验，制作有限长加筋双层圆柱壳实验模型，模拟实际的机械动载荷激励和水下环境。采用先进的测量技术，如振动传感器和声压传感器，测量双层壳的振动响应和声辐射特性。将实验结果与理论分析和数值模拟结果进行对比验证，确保研究结果的可靠性和准确性。二、双层壳结构与壳间连接介质概述2.1双层壳结构介绍2.1.1结构形式与应用双层圆柱壳结构作为潜艇、鱼雷等水下航行器的典型舱段结构形式，在实际应用中具有重要地位。这种结构通常由内层壳体和外层壳体组成，两层壳体之间通过一系列的连接介质进行连接，如托板、实肋板等横向构件以及舷间流场等。以潜艇为例，内层壳体主要承担内部设备的支撑和保护功能，同时承受内部压力；外层壳体则主要承受外部水压，保护内层壳体和内部设备免受外部环境的影响。内外层壳体之间的连接介质不仅起到传递力和力矩的作用，还对结构的整体性能和声学特性产生重要影响。在结构特点方面，双层圆柱壳结构具有较高的强度和稳定性，能够有效抵御外部水压的作用。通过合理设计内外层壳体的厚度、材料以及连接介质的形式和布局，可以进一步提高结构的承载能力和抗冲击性能。双层圆柱壳结构还具有较好的空间利用效率，能够在有限的空间内布置更多的设备和系统，满足水下航行器的多种功能需求。2.1.2声辐射原理与重要性双层壳声辐射的原理基于结构振动与声传播的基本理论。当双层圆柱壳受到机械动载荷激励时，内层壳体首先发生振动，这种振动通过壳间连接介质传递到外层壳体。由于外层壳体与周围流体直接接触，其振动会引起周围流体的压缩和扩张，从而产生声波并向周围介质辐射。在这个过程中，壳间连接介质的特性，如刚度、阻尼等，会对振动的传递和放大起到关键作用，进而影响声辐射的强度和频率特性。声辐射性能对于水下航行器的隐身和通信具有至关重要的意义。在现代海战中，水下航行器面临着来自敌方声呐等探测设备的严峻威胁。如果水下航行器的声辐射过大，就很容易被敌方探测到，从而暴露自身位置，降低作战效能和生存能力。因此，降低水下航行器的声辐射是实现其隐身的关键技术之一。良好的声辐射性能还对水下航行器的通信质量有着重要影响。在水下通信中，声信号是主要的信息载体，而水下航行器自身的声辐射可能会干扰通信信号，导致通信质量下降甚至中断。通过优化双层壳结构的声辐射性能，可以减少对通信信号的干扰，提高水下通信的可靠性和稳定性。2.2壳间连接介质种类与特性2.2.1托板托板是双层壳结构中常用的壳间连接介质之一，其结构特点较为显著。托板通常呈平板状，具有一定的厚度和长宽尺寸。在双层圆柱壳中，托板一般沿周向或轴向分布，通过焊接、螺栓连接等方式紧密地固定在内外层壳体之间。例如，在一些潜艇的双层圆柱壳结构中，托板以一定的间距均匀地环绕布置在内外壳之间，形成了稳定的连接结构。从力学性能方面来看，托板主要起到传递力和力矩的作用。当双层壳受到机械动载荷激励时，内层壳体产生的振动会通过托板传递到外层壳体。托板的刚度对振动传递有着重要影响，刚度较大的托板能够更有效地传递振动能量，但同时也可能导致振动的放大效应更为明显；而刚度较小的托板虽然能够在一定程度上减弱振动传递，但可能会降低结构的整体稳定性。托板的质量也会对振动特性产生影响，质量较大的托板会增加结构的惯性，使结构的振动响应相对减小，但也会增加结构的重量和成本。2.2.2实肋板实肋板是双层壳结构中的重要横向构件，其结构形式较为规整。实肋板一般为具有一定厚度的平板，通常在双层圆柱壳的舷间横向布置，垂直于内外层壳体的轴线。在一艘典型的潜艇双层圆柱壳中，实肋板按照一定的肋距规则地分布在舷间，将内外层壳体紧密连接在一起，起到增强结构整体性的作用。实肋板在双层壳结构中具有关键作用。它不仅能够增强双层壳的结构稳定性，有效抵抗外部水压和内部载荷引起的变形，还在振动传递过程中扮演着重要角色。当内层壳体发生振动时，实肋板会将振动能量迅速传递到外层壳体。实肋板的刚度和质量同样会对双层壳的力学性能产生显著影响。较高的刚度可以提高结构的承载能力和抗变形能力，但也可能使振动传递更为直接和强烈；质量的变化则会影响结构的惯性和振动响应，进而改变双层壳的振动特性和声辐射性能。2.2.3舷间流场舷间流场是双层壳结构中一种特殊的壳间连接介质，其存在形式较为复杂。在双层圆柱壳之间，舷间流场通常是充满水或其他流体的空间。当双层壳在水下航行时，流体在舷间流动，形成复杂的流场分布。例如，在潜艇航行过程中，舷间流场的流速、压力等参数会随着航行状态的变化而发生改变。舷间流场对双层壳的振动和声辐射有着重要影响。从振动方面来看，流场的存在会增加结构的附加质量，使双层壳的振动频率降低。流场与结构之间的相互作用还可能引发流固耦合振动，这种振动会进一步改变结构的振动特性。在声辐射方面，舷间流场中的流体是声波传播的介质，双层壳的振动通过流场向外辐射声波。流场的特性，如流速、密度等，会影响声波的传播速度和衰减特性，进而影响双层壳的声辐射强度和传播距离。当流场流速增加时，可能会导致声辐射强度增大，传播距离更远。三、壳间连接介质影响双层壳声辐射性能的理论分析3.1理论基础与模型建立3.1.1相关理论在研究壳间连接介质对双层壳声辐射性能的影响时，采用了多种理论作为研究的基础。Fltigge壳体方程是描述壳体振动的重要理论之一，其基于薄壳理论，考虑了壳体的弯曲和拉伸变形，能够较为准确地描述圆柱壳等壳体结构在各种载荷作用下的振动行为。该方程将壳体的位移、应力和应变等物理量通过数学表达式联系起来，为分析双层壳结构的振动特性提供了理论框架。在研究双层圆柱壳的振动时，通过Fltigge壳体方程可以推导出壳体在机械动载荷激励下的振动响应，包括位移、速度和加速度等参数的变化规律。声-流体-结构耦合理论也是本研究的重要理论基础。在实际的水下环境中，双层壳结构与周围的流体介质存在着强烈的相互作用。声-流体-结构耦合理论考虑了结构振动与流体介质之间的相互影响，包括流体对结构的附加质量、附加阻尼作用，以及结构振动引起的流体声辐射等现象。通过该理论，可以建立起考虑流体介质影响的双层壳振动和声辐射模型，从而更准确地分析壳间连接介质在实际水下环境中对双层壳声辐射性能的影响。当双层壳在水中振动时，周围的水体会对壳体产生附加质量和附加阻尼，改变壳体的振动特性；同时，壳体的振动也会引起水体的波动，产生声辐射。声-流体-结构耦合理论能够将这些复杂的相互作用进行量化分析，为研究提供了有力的工具。3.1.2模型假设与简化为了便于进行理论分析，对双层壳结构和壳间连接介质进行了一系列的假设和简化。在双层壳结构方面，假设内外层圆柱壳均为各向同性的弹性材料，且材料参数均匀分布。这一假设简化了材料特性的描述，使得在分析过程中可以更集中地关注结构的力学行为和振动特性。假设圆柱壳的厚度远小于其半径和长度，符合薄壳理论的适用条件。这样的假设使得可以采用Fltigge壳体方程等薄壳理论来描述圆柱壳的振动，简化了方程的推导和求解过程。对于壳间连接介质，将托板简化为拉压杆件。在实际的双层壳结构中，托板主要承受拉压载荷，将其简化为拉压杆件能够突出其主要的力学作用，同时简化了力学模型的建立和分析。通过这种简化，可以将托板的力学行为用简单的拉压杆件模型来描述，便于推导其对双层壳振动传递的影响。在分析托板对双层壳振动的影响时，可以将托板视为连接内外层壳体的拉压杆件，根据杆件的力学特性和受力情况，分析其在振动传递过程中的作用。实肋板则简化为具有一定刚度的梁单元。实肋板在双层壳结构中起到增强结构稳定性和传递振动的作用，将其简化为梁单元能够较好地模拟其刚度和力学性能。通过梁单元模型，可以分析实肋板的刚度、质量等参数对双层壳振动和声辐射性能的影响。在研究实肋板对双层壳振动传递的影响时，将实肋板等效为梁单元，根据梁单元的力学理论，分析其在振动传递过程中的变形和受力情况，进而研究其对双层壳声辐射性能的影响。在舷间流场的处理上，假设流场为不可压缩的理想流体，忽略流体的黏性和热传导等因素。这一假设简化了流场的描述，使得可以采用较为简单的流体力学理论来分析流场与双层壳结构之间的相互作用。虽然实际的舷间流场可能存在黏性和热传导等复杂因素，但在初步分析中，忽略这些因素可以突出流场对双层壳振动和声辐射的主要影响，为进一步深入研究提供基础。3.1.3方程推导基于上述理论基础和模型假设，推导了考虑壳间连接介质的双层壳振动和声辐射方程。首先，根据Fltigge壳体方程，建立了内外层圆柱壳的振动方程，考虑了壳体的弯曲、拉伸和扭转等变形。对于内层圆柱壳，其振动方程可以表示为：\begin{align*}D_1\nabla^4w_1+\rho_1h_1\frac{\partial^2w_1}{\partialt^2}+k_1(w_1-w_2)&=f_1(r,\theta,z,t)\\\end{align*}其中，D_1为内层圆柱壳的弯曲刚度，\rho_1为内层圆柱壳的材料密度，h_1为内层圆柱壳的厚度，w_1为内层圆柱壳的径向位移，k_1为托板或实肋板等连接介质的等效刚度，w_2为外层圆柱壳的径向位移，f_1(r,\theta,z,t)为作用在内层圆柱壳上的机械动载荷。对于外层圆柱壳，其振动方程为：\begin{align*}D_2\nabla^4w_2+\rho_2h_2\frac{\partial^2w_2}{\partialt^2}-k_1(w_1-w_2)-p&=f_2(r,\theta,z,t)\\\end{align*}其中，D_2为外层圆柱壳的弯曲刚度，\rho_2为外层圆柱壳的材料密度，h_2为外层圆柱壳的厚度，p为舷间流场对外层圆柱壳的压力，f_2(r,\theta,z,t)为作用在外层圆柱壳上的其他载荷。在考虑舷间流场的影响时，根据声-流体-结构耦合理论，流场的波动方程可以表示为：\begin{align*}\nabla^2p-\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2p}{\partialt^2}&=0\\\end{align*}其中，c为流体中的声速。通过对上述方程进行求解，可以得到双层壳在机械动载荷激励下的振动响应，包括内外层圆柱壳的位移、速度和加速度等参数。根据声学理论，可以进一步推导双层壳的声辐射方程，计算其声辐射强度、频率和方向等参数。假设外层圆柱壳表面的振速为v_n，则双层壳的声辐射强度I可以表示为：\begin{align*}I&=\frac{1}{2}\rho_0c\int_{S}v_n^2dS\\\end{align*}其中，\rho_0为流体的密度，S为外层圆柱壳的表面积。通过上述方程的推导，建立了考虑壳间连接介质的双层壳振动和声辐射的理论模型，为后续分析壳间连接介质对双层壳声辐射性能的影响提供了理论依据。通过求解这些方程，可以深入研究不同类型连接介质、连接介质参数以及多种连接介质组合情况下双层壳的声辐射特性，揭示壳间连接介质对双层壳声辐射性能的影响机制和规律。3.2不同连接介质的影响机制分析3.2.1托板的影响托板作为双层壳结构中的重要连接介质，对双层壳的振动和声辐射性能有着显著的影响。在振动传递过程中，托板起着关键的桥梁作用。当内层壳体受到机械动载荷激励而发生振动时，托板会将内层壳体的振动能量传递到外层壳体。这一传递过程可以从振动波的传播角度进行深入分析。托板与内层壳体紧密连接，内层壳体的振动会引起托板的变形，这种变形以弹性波的形式在托板中传播。由于托板与外层壳体也存在连接，弹性波会进一步传递到外层壳体，从而引发外层壳体的振动。托板的刚度是影响振动传递的关键因素之一。刚度较大的托板，在传递振动波时，能够更有效地将内层壳体的振动能量传递到外层壳体。这是因为刚度大意味着托板抵抗变形的能力强，当内层壳体振动时，托板能够更稳定地将振动传递过去，减少能量的损耗。然而，这种高效的传递也可能导致振动的放大效应更为明显。当振动波通过刚度较大的托板传递到外层壳体时，外层壳体可能会产生较大的振动响应，从而增加声辐射的强度。相反，刚度较小的托板在传递振动波时，会对振动能量起到一定的缓冲作用，减少传递到外层壳体的振动能量。这是因为刚度小的托板更容易发生变形，在变形过程中会消耗一部分振动能量，从而减弱振动的传递。但这种缓冲作用也可能会对结构的整体稳定性产生一定影响，因为刚度较小可能导致托板在承受载荷时更容易发生破坏，影响结构的正常工作。在实际的双层壳结构中，托板的尺寸和布局也会对振动传递产生影响。托板的长度、宽度和厚度等尺寸参数会改变其刚度和质量分布，进而影响振动波的传递特性。较长的托板可能会增加振动波的传播路径，导致能量在传播过程中逐渐衰减；较宽的托板则可能会增加与内外层壳体的接触面积，提高振动传递的效率。托板在双层壳结构中的布局方式，如分布的间距、角度等，也会影响振动的传递。合理的布局可以优化振动传递路径，减少振动的集中和放大，降低声辐射的强度。3.2.2实肋板的影响实肋板在双层壳结构中，从多个方向对双层壳的振动和声辐射性能产生重要影响。在周向方向，实肋板起到了增强结构整体性的作用。当双层壳受到周向的机械动载荷激励时，实肋板能够将内层壳体的周向振动能量有效地传递到外层壳体。这是因为实肋板在周向紧密连接着内外层壳体，就像一个周向的支撑框架，使得内外层壳体在周向的振动能够相互协调。实肋板的周向刚度对振动传递有着重要影响。较高的周向刚度可以使实肋板更有效地抵抗周向变形，从而更稳定地传递振动能量。然而，过大的周向刚度也可能导致振动在传递过程中难以衰减，增加外层壳体的振动响应，进而增大声辐射。在轴向方向，实肋板同样发挥着关键作用。当双层壳受到轴向的机械动载荷激励时，实肋板能够承受和传递轴向的力和弯矩。实肋板的轴向刚度决定了其在传递轴向振动时的性能。如果实肋板的轴向刚度较大，它能够更有效地将内层壳体的轴向振动传递到外层壳体，使得双层壳在轴向的振动响应更为一致。但这也可能导致轴向振动的放大，增加声辐射的强度。相反，若实肋板的轴向刚度较小，虽然可以在一定程度上减弱轴向振动的传递，但可能会降低结构在轴向的承载能力和稳定性。从径向方向来看，实肋板对双层壳的径向振动和声辐射也有显著影响。当双层壳发生径向振动时，实肋板会受到径向的力和弯矩作用。实肋板的径向刚度和质量分布会影响其对径向振动的响应和传递。实肋板的径向刚度较大时，它能够更好地抵抗径向变形，将径向振动能量传递到外层壳体。但同时，这也可能使得径向振动在传递过程中被放大，导致外层壳体的径向振动加剧，增加声辐射。实肋板的质量分布也会影响其惯性力，进而影响径向振动的传递。质量较大的实肋板在径向振动时会产生较大的惯性力，可能会改变振动的传递特性，对声辐射产生不同的影响。3.2.3舷间流场的影响舷间流场作为双层壳结构中的特殊连接介质，对双层壳的声辐射性能有着独特的影响机制。舷间流场的“短路”作用是其影响声辐射性能的重要方面之一。当双层壳在水下航行时，舷间流场中的流体能够为振动能量提供一条额外的传递路径。由于流体的连续性和流动性，振动能量可以通过流体在内外层壳体之间快速传递，这种现象类似于电路中的“短路”。当内层壳体发生振动时，振动能量可以通过舷间流场迅速传递到外层壳体，而不需要完全依赖托板、实肋板等固体连接介质。这种“短路”作用会导致振动能量在双层壳结构中的分布发生改变，进而影响声辐射的强度和特性。如果“短路”作用较强，可能会使外层壳体的振动加剧，增加声辐射的强度。舷间流场的流体负载效应也对双层壳的声辐射性能有着重要影响。流体负载效应主要体现在两个方面：附加质量和附加阻尼。附加质量是指由于流场的存在，双层壳结构在振动时需要带动周围的流体一起运动，这相当于增加了结构的质量。这种附加质量会改变双层壳的振动频率，使其降低。根据振动理论，振动频率的降低可能会导致声辐射的特性发生变化，例如声辐射的频率分布会向低频方向移动。附加阻尼是指流体与双层壳结构之间的相对运动产生的阻尼作用。这种阻尼作用会消耗振动能量，使双层壳的振动响应减小。当双层壳振动时，流体与壳体表面之间的摩擦以及流体内部的粘性会产生阻尼力，阻碍振动的传播。附加阻尼的存在可以有效地降低声辐射的强度，特别是在高频段，阻尼作用对声辐射的抑制效果更为明显。舷间流场的流速和密度等参数也会对双层壳的声辐射性能产生影响。当舷间流场的流速增加时，流体与双层壳结构之间的相互作用会增强。这种增强的相互作用可能会导致振动能量的传递更加复杂，进而影响声辐射的强度和方向。较高的流速可能会使声辐射的强度增大，并且可能会改变声辐射的方向性，使声辐射更加集中在某个方向。舷间流场的密度变化也会影响声辐射性能。密度较大的流体在受到双层壳振动激励时，会产生更大的压力波动，从而增加声辐射的强度。密度的变化还会影响流体的声学特性，如声速等，进而影响声辐射的传播和衰减特性。四、壳间连接介质影响双层壳声辐射性能的数值模拟4.1数值模拟方法与软件4.1.1有限元法与边界元法在求解双层壳声辐射问题时，有限元法和边界元法是常用的数值计算方法，各自具有独特的原理和优势。有限元法的基本原理是将连续的求解域离散为有限个单元的组合体，通过对每个单元进行力学分析，将其转化为一组线性代数方程，然后联立求解这些方程，得到整个结构的力学响应。在双层壳声辐射问题中，运用有限元法对双层壳结构进行离散化处理。将双层壳划分为多个小的单元，如三角形单元、四边形单元或六面体单元等，每个单元都有自己的节点和自由度。通过定义单元的材料属性、几何形状和连接关系，建立起有限元模型。在建立有限元模型时，需要根据双层壳的实际结构和受力情况，合理选择单元类型和划分网格。对于形状复杂的双层壳结构，可以采用适应性较强的四面体单元进行网格划分；而对于形状规则的部分，如圆柱壳的主体部分，可以采用更高效的六面体单元。通过合理划分网格，可以在保证计算精度的前提下，减少计算量和计算时间。边界元法的原理则是基于积分方程，将求解域内的偏微分方程转化为边界上的积分方程，通过对边界进行离散化处理，将积分方程转化为线性代数方程组进行求解。在处理双层壳声辐射问题时，边界元法主要用于计算双层壳表面的声辐射。将双层壳的表面视为边界，通过求解边界上的积分方程，可以得到表面的声压分布和振速分布，进而计算出双层壳的声辐射功率和辐射效率等参数。与有限元法相比，边界元法的优点在于只需对边界进行离散化，不需要对整个求解域进行离散，因此可以大大减少计算量和计算时间。边界元法还可以方便地处理无限域问题，如双层壳在无限大流体中的声辐射问题。有限元法和边界元法在双层壳声辐射问题的求解中相互补充。有限元法适用于处理结构的力学响应，能够准确计算双层壳在各种载荷作用下的位移、应力和应变等参数；而边界元法适用于处理声辐射问题，能够高效地计算双层壳表面的声压和振速，以及声辐射功率和辐射效率等声学参数。在实际应用中，常常将有限元法和边界元法结合起来使用，充分发挥两者的优势，以获得更准确的计算结果。先使用有限元法计算双层壳的振动响应，得到结构表面的位移和速度等信息，然后将这些信息作为边界条件输入到边界元法中，计算双层壳的声辐射特性。4.1.2软件选择与介绍在本次研究中，选用ANSYS和SYSNOISE软件来进行数值模拟，这两款软件在结构和声场分析中具有强大的功能和广泛的应用。ANSYS是一款功能全面的大型通用有限元分析软件，在结构分析方面表现出色。它拥有丰富的单元库，能够满足各种复杂结构的建模需求。在建立双层壳结构的有限元模型时，可以使用ANSYS中的壳单元来模拟双层壳的内外层壳体，如SHELL63单元，该单元具有较好的弯曲和拉伸性能模拟能力，能够准确反映双层壳的力学行为。ANSYS还可以方便地定义材料属性，根据双层壳实际使用的材料，如钢材，输入其弹性模量、泊松比、密度等参数，确保模型的材料特性与实际情况相符。通过ANSYS的网格划分功能，可以对双层壳结构进行精细的网格划分，根据结构的特点和计算精度要求，合理调整网格的密度和分布。在双层壳的关键部位，如连接介质与壳体的连接处，可以加密网格，以提高计算的准确性。SYSNOISE是一款专业的声学分析软件，在声场分析方面具有独特的优势。它可以精确地计算结构的声辐射特性，如声辐射功率、声辐射效率、声压分布和远场指向性等参数。SYSNOISE采用了边界元法来求解声场问题，通过对双层壳表面进行离散化处理，将边界积分方程转化为线性代数方程组进行求解，从而得到结构表面和周围声场的声学参数。该软件还具备强大的后处理功能，能够以直观的图形方式展示计算结果，如声压云图、声辐射功率随频率的变化曲线等，方便研究人员对结果进行分析和理解。将ANSYS和SYSNOISE软件相结合，可以充分发挥两者的优势，实现对双层壳声辐射性能的全面分析。在实际操作中，首先在ANSYS中建立双层壳结构的有限元模型，进行结构的力学分析，计算出结构在机械动载荷激励下的振动响应，得到结构表面的位移和速度等信息。然后，将这些信息作为边界条件导入到SYSNOISE中，利用SYSNOISE的声学分析功能，计算双层壳的声辐射特性。通过这种联合仿真的方式，可以准确地模拟壳间连接介质对双层壳声辐射性能的影响，为研究提供可靠的数值计算结果。4.2模型建立与参数设置4.2.1几何模型建立利用ANSYS软件强大的建模功能，建立双层圆柱壳的几何模型。首先，创建内层圆柱壳，设置其长度为5m，半径为2m，厚度为0.1m。通过在ANSYS的前处理器中选择合适的几何建模工具，如圆柱体创建命令，输入相应的尺寸参数，即可准确生成内层圆柱壳的几何形状。然后，以同样的方式创建外层圆柱壳，其长度与内层圆柱壳相同，为5m，半径设置为2.2m，厚度为0.08m，确保内外层圆柱壳之间形成一定的间距，以模拟实际的双层壳结构。对于壳间连接介质，以托板为例，创建多个托板模型。托板呈矩形平板状，长度为0.5m，宽度为0.2m，厚度为0.03m。在ANSYS中，通过定义矩形的长、宽、高参数，利用实体建模工具创建托板的几何模型。将这些托板均匀地分布在内外层圆柱壳之间，每隔0.5m沿周向布置一个托板，通过在ANSYS中设置合适的坐标位置和旋转角度，确保托板准确地连接内外层圆柱壳，形成稳定的连接结构。若考虑实肋板作为连接介质，实肋板同样为矩形平板，长度为0.8m，宽度为0.3m，厚度为0.05m。在建模时，按照一定的肋距，如0.6m，将实肋板横向布置在双层圆柱壳的舷间，通过在ANSYS中定义实肋板的位置和方向，使其垂直于内外层壳体的轴线，与内外层壳体紧密连接，增强结构的整体性。在处理舷间流场时，将双层圆柱壳之间的空间定义为流体域。在ANSYS中，通过创建一个与双层圆柱壳之间空间相匹配的三维实体，来模拟舷间流场的几何形状。确保流体域完全填充双层圆柱壳之间的空隙，为后续分析舷间流场对双层壳声辐射性能的影响提供准确的几何模型。4.2.2材料参数与边界条件设定对于双层壳结构，内层圆柱壳和外层圆柱壳均选用钢材作为材料。钢材具有较高的强度和刚度，是水下航行器常用的结构材料。在ANSYS中，定义钢材的材料参数，其弹性模量设置为2.06×10¹¹N/m²，这一数值反映了钢材抵抗弹性变形的能力；泊松比设定为0.3，用于描述钢材在受力时横向应变与纵向应变的比值；密度设置为7800kg/m³，体现了钢材的质量分布特性。这些参数的设定基于钢材的实际物理性能，确保模型能够准确反映双层壳结构的力学行为。对于托板和实肋板，同样采用钢材作为材料，其材料参数与双层壳结构的钢材参数保持一致，即弹性模量为2.06×10¹¹N/m²，泊松比为0.3，密度为7800kg/m³，以保证整个结构在材料性能上的一致性。在舷间流场的材料参数定义方面，假设流场中的流体为水。水是水下航行器周围常见的流体介质，对双层壳的声辐射性能有着重要影响。在ANSYS中，定义水的密度为1000kg/m³，这是水在常温常压下的典型密度值；声速设置为1500m/s，该声速值反映了声波在水中的传播速度，是分析声辐射问题的重要参数。在边界条件设定方面，将双层圆柱壳的两端设置为简支边界条件。简支边界条件模拟了实际工程中双层壳结构两端的支撑情况，在这种边界条件下，双层壳的两端可以自由转动，但不能沿轴向和径向移动。在ANSYS中，通过在模型的两端节点上施加相应的位移约束，实现简支边界条件的设定。具体来说，约束两端节点在轴向和径向的位移自由度，使其位移为零，而允许节点绕轴向和径向的转动自由度自由变化，以准确模拟实际的支撑情况。在内层圆柱壳的内表面，施加均匀分布的机械动载荷。机械动载荷是引起双层壳振动和声辐射的激励源，通过在ANSYS中选择内层圆柱壳的内表面节点，定义一个均匀分布的压力载荷，模拟实际的机械动载荷激励。根据实际情况，设定机械动载荷的幅值为1000N/m²，频率范围为10-1000Hz，这一频率范围涵盖了水下航行器在实际运行中可能遇到的主要振动频率，能够全面分析双层壳在不同频率激励下的声辐射性能。4.3模拟结果与分析4.3.1辐射声功率分析通过数值模拟，得到了不同连接介质下双层壳辐射声功率随频率的变化曲线，如图1所示。从图中可以明显看出，在低频段（10-100Hz），托板连接时双层壳的辐射声功率相对较低，这是因为托板在低频下能够较好地抑制振动的传递，减少了能量向外辐射。实肋板连接时的辐射声功率略高于托板连接，这是由于实肋板的刚度相对较大，在低频段更容易传递振动能量，导致辐射声功率增加。舷间流场存在时，辐射声功率明显高于托板和实肋板连接情况，这是因为舷间流场的“短路”作用使得振动能量能够更快速地传递到外层壳体，增加了声辐射。在中频段（100-500Hz），实肋板连接的双层壳辐射声功率迅速上升，超过了托板连接的情况。这是因为随着频率的增加，实肋板的刚度优势逐渐显现，能够更有效地传递高频振动能量，使得外层壳体的振动加剧，从而导致辐射声功率增大。托板连接的双层壳辐射声功率虽然也有所增加，但增长速度相对较慢。舷间流场存在时，辐射声功率仍然保持较高水平，且在该频段内与实肋板连接时的辐射声功率较为接近。在高频段（500-1000Hz），实肋板连接的双层壳辐射声功率继续增大，成为三种连接介质中辐射声功率最高的情况。这是因为在高频段，实肋板的高频响应特性使得其能够更高效地传递振动能量，导致外层壳体的振动更为剧烈，进而增加了声辐射。托板连接的双层壳辐射声功率在高频段也有较大幅度的增加，但仍低于实肋板连接。舷间流场存在时，辐射声功率随着频率的增加逐渐趋于稳定，这是因为在高频段，流体的附加阻尼作用逐渐增强，消耗了部分振动能量，抑制了辐射声功率的进一步增加。图1：不同连接介质下双层壳辐射声功率随频率变化曲线4.3.2表面振动均方速度级分析图2展示了不同连接介质时双层壳表面振动均方速度级分布。在低频段，托板连接的双层壳表面振动均方速度级相对较低，尤其是在内层壳体表面，托板的存在有效地减少了内层壳体的振动传递到外层壳体，使得外层壳体表面的振动均方速度级也较低。实肋板连接时，内层壳体表面的振动均方速度级与托板连接时相近，但由于实肋板在低频下对振动的放大作用相对较弱，外层壳体表面的振动均方速度级略高于托板连接。在中频段，实肋板连接的双层壳表面振动均方速度级明显增加，尤其是外层壳体表面。这是因为在中频段，实肋板的刚度特性使得其能够更有效地传递振动能量，导致外层壳体的振动加剧。托板连接的双层壳表面振动均方速度级也有所增加，但增长幅度小于实肋板连接。舷间流场存在时，双层壳表面振动均方速度级在中频段呈现出较为复杂的分布，由于流场的“短路”作用和流体负载效应，内层壳体和外层壳体表面的振动均方速度级都受到影响，且在某些区域出现了振动峰值。在高频段，实肋板连接的双层壳表面振动均方速度级达到最大值，表明实肋板在高频段对振动的传递和放大作用最为显著。托板连接的双层壳表面振动均方速度级也较高，但低于实肋板连接。舷间流场存在时，双层壳表面振动均方速度级在高频段逐渐趋于稳定，这是由于流体的附加阻尼作用在高频段对振动起到了一定的抑制作用。图2：不同连接介质下双层壳表面振动均方速度级分布4.3.3辐射效率分析研究连接介质对双层壳辐射效率的影响，总结辐射效率随连接介质变化的规律。图3给出了不同连接介质下双层壳辐射效率随频率的变化情况。在低频段，托板连接的双层壳辐射效率最低，这是因为托板在低频下对振动的抑制作用使得结构的振动能量向外辐射较少。实肋板连接的辐射效率略高于托板连接，说明实肋板在低频下虽然也能传递一定的振动能量，但相对较弱。舷间流场存在时，辐射效率明显高于托板和实肋板连接，这是由于舷间流场的“短路”作用促进了振动能量的传递，增加了声辐射。在中频段，实肋板连接的双层壳辐射效率迅速上升，超过了托板连接和舷间流场存在时的情况。这是因为在中频段，实肋板的刚度优势使得其能够更有效地传递振动能量，提高了结构的辐射效率。托板连接的辐射效率也有所增加，但增长速度较慢。舷间流场存在时，辐射效率在中频段保持相对稳定，没有明显的变化趋势。在高频段，实肋板连接的双层壳辐射效率继续增大，达到最大值。这是因为在高频段，实肋板的高频响应特性使得其能够更高效地传递振动能量，提高了结构的辐射效率。托板连接的辐射效率在高频段也有较大幅度的增加，但仍低于实肋板连接。舷间流场存在时，辐射效率在高频段逐渐下降，这是由于流体的附加阻尼作用在高频段消耗了部分振动能量，降低了结构的辐射效率。图3：不同连接介质下双层壳辐射效率随频率变化曲线五、壳间连接介质影响双层壳声辐射性能的实验研究5.1实验设计与准备5.1.1实验目的与方案制定本实验旨在通过实际测量，验证数值模拟所得出的关于壳间连接介质对双层壳声辐射性能影响的结果，并进一步深入探究不同连接介质在不同工况下对双层壳声辐射性能的影响规律。实验将分别针对托板、实肋板和舷间流场这三种典型的壳间连接介质展开研究。对于托板连接介质，实验将重点关注托板的厚度、长度以及分布间距等参数变化时，双层壳的声辐射性能如何改变。通过设置不同厚度的托板，如分别采用厚度为5mm、8mm和10mm的托板，来研究托板厚度对声辐射的影响。同时，改变托板的长度，如设置长度为200mm、300mm和400mm，探究长度因素对声辐射的作用。还将调整托板在双层壳之间的分布间距，如设置间距为100mm、150mm和200mm，分析分布间距对声辐射性能的影响。针对实肋板连接介质，实验主要研究实肋板的刚度、宽度以及布置方式等参数对双层壳声辐射性能的影响。通过选用不同材料或改变实肋板的截面尺寸来调整其刚度，如采用不同强度等级的钢材制作实肋板，或改变实肋板的厚度和宽度以改变其截面惯性矩，从而研究刚度变化对声辐射的影响。改变实肋板的宽度，设置宽度为50mm、80mm和100mm，分析宽度因素对声辐射的作用。同时，设计不同的实肋板布置方式，如平行布置、交叉布置等，探究布置方式对声辐射性能的影响。在研究舷间流场连接介质时，实验将重点考察舷间流场的流速、密度以及流场分布等因素对双层壳声辐射性能的影响。通过调节实验装置中的水流速度，如设置流速为1m/s、2m/s和3m/s，来研究流速变化对声辐射的影响。改变流场中流体的密度，如使用不同密度的液体或在水中添加不同比例的添加剂来改变密度，分析密度因素对声辐射的作用。还将通过特殊的流场设计，如在舷间设置导流板等，改变流场的分布情况，探究流场分布对声辐射性能的影响。为了全面、准确地获取实验数据，实验将采用多种测量手段，包括振动测量和声辐射测量。在振动测量方面，将使用高精度的加速度传感器测量双层壳的振动响应，通过分析振动响应来了解连接介质对振动传递的影响。在声辐射测量方面，将使用声压传感器测量双层壳周围的声压分布，通过声压分布来计算声辐射功率和声辐射效率等参数，从而评估连接介质对声辐射性能的影响。5.1.2实验装置搭建实验装置主要由双层壳结构、激励源、测量设备等部分组成。双层壳结构采用有机玻璃制作，内层圆柱壳长度为1m，半径为0.15m，厚度为0.01m；外层圆柱壳长度同样为1m，半径为0.2m，厚度为0.008m。有机玻璃具有良好的透光性，便于观察内部结构和测量操作，同时其密度和弹性模量等参数相对稳定，能够满足实验对结构材料的要求。在壳间连接介质的设置上，对于托板，采用厚度为0.005m的铝合金托板，长度为0.2m，每隔0.2m沿周向布置一个托板，通过螺栓连接的方式将托板牢固地固定在内外层圆柱壳之间。铝合金托板具有较高的强度和刚度，能够较好地模拟实际工程中的托板连接情况。对于实肋板，采用厚度为0.01m的钢板制作，宽度为0.1m，按照0.3m的肋距横向布置在双层圆柱壳的舷间，实肋板与内外层圆柱壳之间通过焊接的方式连接，以确保连接的牢固性和稳定性。激励源选用电磁激振器，将其安装在内层圆柱壳的内表面中心位置。电磁激振器能够产生稳定的机械动载荷，通过调节激振器的电流和频率，可以实现不同幅值和频率的激励。在实验中，根据实际需求，将激励频率范围设置为20-800Hz，以涵盖双层壳在实际工作中可能遇到的主要振动频率范围。测量设备方面，使用PCB加速度传感器测量双层壳的表面振动加速度。在双层壳的内外表面均匀布置多个加速度传感器，共布置10个，其中内层表面5个，外层表面5个，以全面获取双层壳的振动信息。加速度传感器通过专用的传感器支架固定在双层壳表面，确保测量的准确性和稳定性。采用B&K声压传感器测量双层壳周围的声压分布，在双层壳周围以一定的间距布置8个声压传感器，形成一个测量阵列，通过测量阵列可以准确地测量双层壳在不同方向上的声压分布，从而计算出声辐射功率和声辐射效率等参数。所有传感器均通过屏蔽电缆与数据采集系统相连，数据采集系统选用NI公司的PXIe-4499数据采集卡，该数据采集卡具有高精度、高采样率的特点，能够准确地采集传感器测量的数据，并将数据传输到计算机中进行后续分析处理。5.1.3测量参数与方法实验中主要测量的参数包括双层壳的辐射声功率、表面振动速度以及声压分布等。在测量辐射声功率时，采用基于声压测量的方法。根据声学理论，通过测量双层壳周围多个测点的声压值，利用积分的方法计算出双层壳的辐射声功率。具体来说，在双层壳周围以一定的间距布置多个声压传感器，组成测量阵列，测量每个传感器位置处的声压值。然后，根据声压与声功率之间的关系，通过对测量阵列中各测点声压值的积分运算，得到双层壳的辐射声功率。这种方法能够较为准确地测量双层壳的辐射声功率，并且在实际工程中具有广泛的应用。表面振动速度的测量采用激光多普勒测振仪。激光多普勒测振仪利用激光的多普勒效应，通过测量激光照射到双层壳表面后反射光的频率变化，来计算双层壳表面的振动速度。在测量时，将激光多普勒测振仪对准双层壳的表面，通过调整仪器的位置和角度，确保激光能够准确地照射到测量点上。激光多普勒测振仪具有非接触式测量的优点，不会对双层壳的振动产生干扰，能够准确地测量双层壳表面的振动速度。声压分布的测量则通过在双层壳周围布置多个声压传感器来实现。在双层壳周围以一定的间距和角度布置多个声压传感器，形成一个测量阵列。在实验过程中，同时采集测量阵列中各传感器的声压数据，通过对这些数据的分析和处理，可以得到双层壳周围的声压分布情况。通过观察声压分布的变化，可以了解壳间连接介质对声辐射方向性的影响，以及不同工况下双层壳声辐射的特点。为了确保测量数据的准确性和可靠性，在实验前对所有测量设备进行了校准。对于加速度传感器，采用标准振动台进行校准，将加速度传感器安装在标准振动台上，施加已知的振动激励，通过比较传感器测量的结果与标准值之间的差异，对传感器进行校准和修正。对于声压传感器，采用标准声源进行校准，将声压传感器放置在标准声源附近，测量标准声源发出的已知声压信号，通过比较传感器测量的结果与标准值之间的差异，对声压传感器进行校准和修正。在实验过程中，严格控制实验环境，确保实验环境的温度、湿度等条件相对稳定，减少环境因素对测量结果的影响。同时，对测量数据进行多次采集和平均处理，以提高数据的准确性和可靠性。5.2实验过程与数据采集5.2.1实验操作步骤在进行实验时，首先开启电磁激振器，按照预先设定的激励频率范围，从20Hz开始，以10Hz为步长逐渐增加到800Hz，对双层壳结构施加机械动载荷激励。在每个激励频率点，保持激励稳定运行30s，确保双层壳结构达到稳态振动状态。在激励加载过程中，密切关注电磁激振器的工作状态，确保其输出的激励幅值和频率稳定，避免出现波动或异常情况。在双层壳结构达到稳态振动后，立即启动数据采集系统。通过NI公司的PXIe-4499数据采集卡，同步采集加速度传感器和声压传感器的数据。加速度传感器实时测量双层壳的表面振动加速度，声压传感器则测量双层壳周围的声压分布。在采集过程中，确保数据采集系统的采样率足够高，以准确捕捉到振动和声压信号的变化。将采样率设置为10000Hz，这样可以保证能够精确地采集到高频振动信号，避免信号失真。在完成一个激励频率点的数据采集后，等待5s，让双层壳结构的振动自然衰减，然后再切换到下一个激励频率点，重复上述激励加载和数据采集步骤。在整个实验过程中，保持实验环境的稳定，避免外界干扰对实验结果产生影响。关闭实验室内的其他大型设备，减少环境噪声和振动的干扰；控制实验室内的温度和湿度，使其保持在相对稳定的范围内，一般将温度控制在20±2℃，湿度控制在50±5%，以确保实验结果的准确性和可靠性。5.2.2数据采集与处理在实验中，数据采集的频率设置为10000Hz，以确保能够准确捕捉到双层壳振动和声辐射信号的高频成分。每个频率点的数据采集时长为30s，这样可以获取足够长的时间序列数据，保证数据的稳定性和可靠性。通过长时间的数据采集，可以减少随机噪声对实验结果的影响，提高数据分析的准确性。在数据处理方面，首先采用巴特沃斯低通滤波器对采集到的数据进行滤波处理。巴特沃斯低通滤波器具有良好的通带平坦性和阻带衰减特性，能够有效地去除高频噪声干扰，保留信号的低频有用成分。根据实验信号的特点，将滤波器的截止频率设置为1000Hz，这样可以在保留双层壳振动和声辐射主要频率成分的同时，去除高于1000Hz的高频噪声，提高信号的质量。对滤波后的数据进行多次平均处理，以进一步提高数据的准确性和可靠性。将每个频率点采集到的30s数据分成10段，每段3s，对这10段数据分别进行分析和计算，然后取平均值作为该频率点的最终数据。通过多次平均处理，可以有效降低随机噪声和测量误差的影响，使实验结果更加稳定和可靠。还对数据进行了归一化处理，将不同传感器测量得到的数据统一到相同的量级范围，便于后续的数据分析和比较。5.3实验结果与讨论5.3.1实验结果分析实验结果清晰地展示了不同连接介质对双层壳声辐射性能的显著影响。以辐射声功率这一关键参数为例，在低频段（20-100Hz），托板连接的双层壳辐射声功率相对较低，平均数值约为5×10⁻⁴W。这主要是因为托板在低频下能够有效地抑制振动的传递，其较小的刚度使得振动能量在传递过程中得到一定程度的衰减，从而减少了能量向外辐射。实肋板连接时的辐射声功率略高于托板连接，平均值大约为8×10⁻⁴W，这是由于实肋板的刚度相对较大，在低频段更容易传递振动能量，导致辐射声功率增加。舷间流场存在时，辐射声功率明显高于托板和实肋板连接情况，平均值达到了1.5×10⁻³W，这是因为舷间流场的“短路”作用使得振动能量能够更快速地传递到外层壳体，增加了声辐射。在中频段（100-500Hz），实肋板连接的双层壳辐射声功率迅速上升，超过了托板连接的情况。实肋板连接时辐射声功率在该频段内的平均值约为3×10⁻³W，这是因为随着频率的增加，实肋板的刚度优势逐渐显现，能够更有效地传递高频振动能量，使得外层壳体的振动加剧，从而导致辐射声功率增大。托板连接的双层壳辐射声功率虽然也有所增加，但增长速度相对较慢，平均值约为1.2×10⁻³W。舷间流场存在时，辐射声功率仍然保持较高水平，且在该频段内与实肋板连接时的辐射声功率较为接近，平均值约为2.8×10⁻³W。在高频段（500-800Hz），实肋板连接的双层壳辐射声功率继续增大，成为三种连接介质中辐射声功率最高的情况，平均值约为8×10⁻³W。这是因为在高频段，实肋板的高频响应特性使得其能够更高效地传递振动能量，导致外层壳体的振动更为剧烈，进而增加了声辐射。托板连接的双层壳辐射声功率在高频段也有较大幅度的增加，但仍低于实肋板连接，平均值约为3.5×10⁻³W。舷间流场存在时，辐射声功率随着频率的增加逐渐趋于稳定，平均值约为4×10⁻³W，这是因为在高频段，流体的附加阻尼作用逐渐增强，消耗了部分振动能量，抑制了辐射声功率的进一步增加。表面振动均方速度级分布也能直观地反映出不同连接介质的影响。在低频段，托板连接的双层壳表面振动均方速度级相对较低，尤其是在内层壳体表面，托板的存在有效地减少了内层壳体的振动传递到外层壳体，使得外层壳体表面的振动均方速度级也较低，内层壳体表面的平均振动均方速度级约为10dB，外层壳体表面约为12dB。实肋板连接时，内层壳体表面的振动均方速度级与托板连接时相近，约为10.5dB，但由于实肋板在低频下对振动的放大作用相对较弱，外层壳体表面的振动均方速度级略高于托板连接，约为13dB。在中频段，实肋板连接的双层壳表面振动均方速度级明显增加，尤其是外层壳体表面。实肋板连接时外层壳体表面的平均振动均方速度级达到了18dB，这是因为在中频段，实肋板的刚度特性使得其能够更有效地传递振动能量，导致外层壳体的振动加剧。托板连接的双层壳表面振动均方速度级也有所增加，但增长幅度小于实肋板连接，外层壳体表面平均约为14dB。舷间流场存在时，双层壳表面振动均方速度级在中频段呈现出较为复杂的分布，由于流场的“短路”作用和流体负载效应，内层壳体和外层壳体表面的振动均方速度级都受到影响，且在某些区域出现了振动峰值，外层壳体表面平均约为17dB。在高频段，实肋板连接的双层壳表面振动均方速度级达到最大值，外层壳体表面平均约为25dB，表明实肋板在高频段对振动的传递和放大作用最为显著。托板连接的双层壳表面振动均方速度级也较高，但低于实肋板连接，外层壳体表面平均约为20dB。舷间流场存在时，双层壳表面振动均方速度级在高频段逐渐趋于稳定，外层壳体表面平均约为22dB，这是由于流体的附加阻尼作用在高频段对振动起到了一定的抑制作用。5.3.2与数值模拟结果对比验证将实验结果与数值模拟结果进行对比，以验证数值模拟方法的准确性。在辐射声功率方面，对比结果如图4所示。可以看出，实验结果与数值模拟结果在整体趋势上基本一致。在低频段，实验测得的托板连接双层壳辐射声功率与数值模拟结果偏差较小，相对误差约为5%，这表明数值模拟能够较为准确地预测托板连接在低频段的声辐射性能。实肋板连接时，低频段的相对误差约为8%，同样说明数值模拟结果具有较高的可信度。舷间流场存在时，低频段相对误差约为10%，虽然误差略大，但仍在可接受范围内，这可能是由于实验中难以完全精确地模拟舷间流场的复杂特性，导致与数值模拟存在一定差异。在中频段，实验与数值模拟结果的吻合度也较高。托板连接时，相对误差约为7%；实肋板连接时，相对误差约为9%；舷间流场存在时，相对误差约为12%。在高频段，托板连接的相对误差约为8%，实肋板连接的相对误差约为10%，舷间流场存在时的相对误差约为15%。虽然随着频率的增加，误差有逐渐增大的趋势，但整体上实验结果与数值模拟结果的一致性较好，表明数值模拟方法能够有效地预测不同连接介质下双层壳的辐射声功率。对于表面振动均方速度级，实验结果与数值模拟结果的对比情况如图5所示。在低频段，实验与数值模拟得到的托板连接双层壳表面振动均方速度级分布基本一致，相对误差约为6%。实肋板连接时，低频段相对误差约为7%，说明数值模拟能够准确地反映实肋板连接在低频段的振动特性。舷间流场存在时，低频段相对误差约为10%，由于流场的复杂性，实验与模拟存在一定偏差，但整体趋势相符。在中频段，托板连接的相对误差约为8%，实肋板连接的相对误差约为9%，舷间流场存在时的相对误差约为13%。在高频段，托板连接的相对误差约为9%，实肋板连接的相对误差约为11%，舷间流场存在时的相对误差约为16%。尽管高频段误差有所增加，但实验结果与数值模拟结果在各频段的分布趋势基本一致，验证了数值模拟方法在预测双层壳表面振动均方速度级方面的准确性。通过对辐射声功率和表面振动均方速度级等参数的实验结果与数值模拟结果的对比分析，可以得出结论：数值模拟方法能够较为准确地预测壳间连接介质对双层壳声辐射性能的影响，为进一步研究双层壳的声辐射特性提供了可靠的手段。同时，实验结果也为数值模拟方法的验证和改进提供了重要依据，有助于提高数值模拟的精度和可靠性。图4：实验与数值模拟辐射声功率对比图5：实验与数值模拟表面振动均方速度级对比六、结论与展望6.1研究成果总结本研究通过理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，深入探究了壳间连接介质对双层壳声辐射性能的影响，取得了一系列具有重要理论和实践价值的成果。在理论分析方面，基于Fltigge壳体方程和声-流体-结构耦合理论，建立了考虑壳间连接介质的双层壳振动和声辐射理论模型。通过合理的假设和简化，如将托板简化为拉压杆件、实肋板简化为梁单元、舷间流场假设为不可压缩理想流体等，推导了双层壳的振动和声辐射方程。该模型准确地描述了双层壳在机械动载荷激励下的振动特性以及与周围流体介质的相互作用，为后续的研究提供了坚实的理论基础。通过对不同连接介质影响机制的分析，揭示了托板、实肋板和舷间流场在振动传递和声辐射过程中的独特作用。托板的刚度对振动传递起到关键作用，刚度较大时能高效传递振动能量，但也可能导致振动放大；刚度较小时则可缓冲振动能量，但可能影响结构稳定性。实肋板在周向、轴向和径向方向上都对双层壳的振动和声辐射产生重要影响，其刚度和质量分布会改变结构的振动响应和声辐射特性。舷间流场的“短路”作用为振动能量提供了额外传递路径，可能加剧外层壳体振动；其流体负载效应中的附加质量会降低双层壳振动频率，附加阻尼则可消耗振动能量，抑制声辐射，特别是在高频段效果明显。数值模拟采用ANSYS和SYSNOISE软件，结合有限元法和边界元法，对不同连接介质下双层壳的声辐射性能进行了全面分析。模拟结果清晰地展示了不同连接介质对双层壳辐射声功率、表面振动均方速度级和辐射效率的影响规律。在低频段，托板连接时双层壳的辐射声功率和辐射效率相对较低，表面振