基于共振声谱法的海水声速测量技术研究

论文摘要

共振声谱法是测量海水声速的一种基本的、不太成熟且具有发展前景的测量方法。本文针对共振声谱法测量海水声速中所存在的关键问题进行了探讨,率先引入有限元法对共振声谱法测量海水声速的关键问题进行数值仿真分析,首次提出流固耦合效应对声速测量精度的影响。本文首先建立圆柱体谐振腔的数学模型并从波动理论出发,利用分离变量法,建立空腔的声压解析式,从而得到空腔体的共振频率表达式,然后通过SYSNOISE建立了谐振腔体的有限元流体模型,并对其进行了声模态分析,得到腔体的谐振频率,结果表明仿真得到的谐振频率与理论推导得到的谐振频率完全吻合。然后建立起腔体的有限元结构模型,利用MSC.NASTRAN对其进行结构模态分析,并在SYSNOISE中建立起结构和流体的耦合模型并进行模态分析,得到耦合后的谐振频率,从而分析了耦合效应对圆柱体谐振腔共振频率的影响。在进行模态分析的基础上计算了信号源激励下谐振腔体的内部声场,得到了内部接收点的声压频谱图。本文还研究了不同尺寸的共振腔的耦合模态,研究其对共振声谱法测量海水声速的精度的影响,并给出数值模拟结果和讨论,从而为实际选择谐振腔提供指导意见。最后设计了共振声谱法测量海水声速的实验系统。此外,本文还建立了包含单个大颗粒的悬浮物的谐振腔有限元模型,通过仿真分析发现悬浮颗粒的存在对谐振频率影响很小。因此,采用共振声谱法测量海水声速时,主要的误差来源之一是共振腔的流固耦合效应,其与共振腔的结构、尺寸和材料属性紧密相关,这一结论对于海水声速测量的研究意义非常重大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外海水声速测量技术研究现状及共振声谱法简介
• 1.2.1 国内外海水声速测量技术研究现状
• 1.2.2 共振声谱法及其国内外研究现状
• 1.3 本文的研究内容与方法
• 第二章 圆柱体谐振腔模型的共振频率及有限元仿真分析
• 2.1 模型的建立及共振频率的理论推导
• 2.2 有限元基本理论介绍
• 2.2.1 有限元法的基本理论
• 2.2.2 声模态分析的基本理论
• 2.2.3 SYSNOISE软件简介
• 2.3 建立谐振腔声学有限元模型并进行谐振频率分析
• 2.3.1 物理模型的建立
• 2.3.2 腔体有限元模型的建立
• 2.3.3 声模态求解
• 2.4 本章小结
• 第三章 信号源激励下圆柱谐振腔的声场特性及流固耦合对声速测量的影响
• 3.1 流固耦合的基本理论
• 3.2 弹性结构与流体耦合振动声辐射的有限元计算基本方法
• 3.3 模态叠加法原理
• 3.4 应用MSC.Nastran对谐振腔体结构进行模态分析
• 3.4.1 MSC.Nastran软件介绍
• 3.4.2 模态求解
• 3.4.3 模态分析及结果
• 3.5 耦合模态求解
• 3.5.1 耦合模态分析
• 3.5.2 耦合模态求解
• 3.6 声学有限元与结构有限元耦合求解谐振腔声场
• 3.6.1 信号源激励的加载
• 3.6.2 声场求解
• 3.6.3 计及声固耦合对声速测量的影响
• 3.7 本章小结
• 第四章 谐振腔体几何形状及腔内悬浮物对共振频率的影响
• 4.1 不同结构谐振腔模型的建立
• 4.2 不同结构谐振腔的数值模拟结果与讨论
• 4.2.1 谐振腔的长度对共振频率的影响
• 4.2.2 谐振腔的直径对共振频率的影响
• 4.3 腔体内悬浮物对谐振频率的影响
• 4.3.1 模型的建立
• 4.3.2 有限元模型的建立
• 4.3.3 数值模拟结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 共振声谱法测量海水声速实验设计
• 5.1 实验测量原理
• 5.2 测量过程结果分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果