船舶辐射噪声源简化模型

论文摘要

任何船舶在运动过程中其机械设备的运转,以及船体本身的运动,都不可避免地会产生噪声,这种噪声在水中向周围传播,就在水下形成了随时间和空间分布的船舶辐射噪声场。由于船舶体积庞大、设备众多,在近场是一个十分复杂的体积声源,其声场具有时、空变化特性和空间指向性,在测量船舶水下辐射噪声时,为保证获得足够的信噪比,通常只能在近距离进行测量。为了便于由近距离测量结果推算远场辐射声场,开展船舶体积声源的建模研究,给出由近场推算远场的方法,是十分重要和必要的。考虑到船舶水下辐射噪声是由自船艏至船艉(包括部分尾流)空间范围内分布的噪声源的辐射,再加上船体本身和尾流的声屏蔽效应所组成,本文建立了在船舶的艏部、舯后部和艉部,分别由若干个强度不同的多极子声源(单极子声源、偶极子声源、四极子声源和八极子声源)构成的船舶辐射噪声源的体积模型。对适应于船舶体积声源的近远场数值计算方法进行研究,选择适当的传播模型。近场时选择快速场积分方法,该方法考虑了近场旁侧波对声场的影响,不受声源频率的限制,在中等距离内能够给出声场的精确解；而且能够同时给出空间多个位置点的声压值,计算速度快。远场时为简便计选择简正波理论。分别对自由场条件下和浅海波导条件下的船舶近场辐射噪声源模型的合理性进行验证。仿真计算过程中,通过不断地调整各个多极子声源的强度系数和位置,得到声场的分布,与国外文献给出的结果相比,其分布形式吻合较好,证明本模型的合理性。以全局自适应概率优化算法—小生境遗传算法为反演工具,由浅海波导条件下辐射噪声近场声压数据反演出三维空间中噪声源模型中各个多极子声源的强度系数和位置,由反演结果反推近场对应位置的声压,验证船舶辐射噪声源模型的有效性。在不同信噪比情况下对反演结果进行了精度分析,并研究了多极子强度系数和位置的误差对近区声场分布的影响。提出了由船舶水下辐射噪声近场声压推算其远场空间指向性的方法。即利用船舶辐射噪声近场声压数据,反演出多极子声源强度系数和位置,将该结果作为声源参数,利用简正波理论计算出对应的远场空间指向性。2008年8月在辽宁省庄河市大王家岛海域利用坐底式水声测量系统进行了辐射噪声源模型的海上验证试验。试验中测量了渔政船“中国渔政21103”在不同航速下的辐射噪声,得到了实测的辐射噪声近场等声压线分布图,分别在高航速和低航速情况下验证了船舶辐射噪声源模型的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 国内外辐射噪声测量的研究状况
• 1.3 声场计算模型
• 1.3.1 射线声学模型
• 1.3.2 简正波模型
• 1.3.3 抛物方程模型
• 1.3.4 快速场积分算法
• 1.4 本论文的研究思路和主要内容
• 第2章 船舶辐射噪声分析
• 2.1 引言
• 2.2 船舶辐射噪声产生的机理
• 2.3 船舶辐射噪声基本特性
• 2.3.1 声源级
• 2.3.2 频谱特性
• 2.3.3 通过特性
• 2.3.4 瞬态特性
• 2.4 本章小结
• 第3章 船舶辐射噪声源模型及辐射噪声分布特性仿真研究
• 3.1 引言
• 3.2 船舶辐射噪声源简化模型
• 3.3 自由场条件下船舶辐射噪声分布特性仿真研究
• 3.4 浅海波导条件下船舶辐射噪声分布特性仿真研究
• 3.4.1 基于快速场积分方法的声场表达式
• 3.4.2 船舶近场辐射噪声仿真计算
• 3.5 本章小结
• 第4章 船舶辐射噪声源模型的有效性验证
• 4.1 组合声源参数测量方法的数学模型
• 4.2 反演方法
• 4.2.1 用于参数反演的小生境遗传算法
• 4.2.2 解的确定
• 4.3 利用多极子方法表述船舶辐射噪声源分布的精度分析
• 4.3.1 优化算法的收敛精度分析
• 4.3.2 多极子位置与幅度的误差对近区声场分布的影响
• 4.3.3 不同测量信噪比情况下所得结果的差异
• 4.3.4 声压点数对反演结果的影响分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 船舶辐射噪声远场指向性算法研究
• 5.1 两层流体介质情况下的简正波解
• 5.2 由船舶近场声压数据推算远场空间指向性的方法
• 5.3 组合声源远场空间指向性仿真计算
• 5.4 本章小结
• 第6章 船舶辐射噪声源模型的试验验证
• 6.1 试验概况
• 6.1.1 试验目的
• 6.1.2 被测环境
• 6.1.3 船舶声源
• 6.1.4 试验设备
• 6.1.5 试验方案及过程
• 6.2 环境及水文数据处理
• 6.2.1 海洋环境噪声
• 6.2.2 水文数据
• 6.3 由实测的近场声压数据验证船舶辐射噪声源模型
• 6.3.1 低航速时验证船舶辐射噪声源模型
• 6.3.2 高航速时验证船舶辐射噪声源模型
• 6.3.3 验证船舶辐射噪声源模型结果分析
• 6.4 船舶辐射噪声近场声强分布
• 6.5 参考点处多极子辐射声压级随频率的变化关系
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢