舰艇振动壳体的辐射噪声预测方法技术

公开舰艇振动壳体的辐射噪声预测方法，方法中，采集舰艇振动壳体的振动信号，对两个切向加速度信号

【技术实现步骤摘要】
舰艇振动壳体的辐射噪声预测方法
本专利技术涉及声学仿真
，尤其涉及一种舰艇振动壳体的辐射噪声预测方法。
技术介绍
舰艇隐身性能是舰艇生存能力和战斗力的关键特征，也是各国提升海上军事威慑力的关键技术。然而，在浩瀚的海洋水介质中，声场是唯一能够远距离传递信息的物理场。因此，舰艇水下辐射噪声是其隐身性能的核心指标。为了降低舰艇水下辐射噪声水平，在设计阶段常用缩比试制的方法测试该指标的大小。但是缩比试制方法不仅耗费大量的人力物力，而且受到尺度效应和实验环境的影响。由于数值仿真具备适应性强、不受环境影响、耗费小、周期短等优势，逐渐成为设计阶段的主要分析手段。但是传统噪声预测方法精度不高，并且容易受到边界效应的影响，不能精确有效地分析振动壳体的辐射噪声大小。在
技术介绍
部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本专利技术背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种舰艇振动壳体的辐射噪声预测方法。采用已知的振动壳体加速度信号，利用高精度的空间离散格式和时间积分格式，以及消除边界反射效应的边界吸收层，从而构造出振动壳体辐射噪声预测模型。在此基础上添加随时间变化的壳体运动速度边界条件，以此实现辐射噪声的精确预测。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：本专利技术的一种舰艇振动壳体的辐射噪声预测方法包括：S100：采集舰艇振动壳体的振动信号，得到壳体的切向加速度信号和法向加速度信号其中X(t)表示为壳体边界的位置；<br>S200：对所述切向加速度信号和法向加速度信号进行时间积分得到切向速度和法向速度S300：基于声波速度和声压的控制方程空间离散化和时间积分，构造舰艇振动壳体辐射噪声预测模型，其中，声场变量包括：声压大小p(x，t)、声波切向速度uτ′(x，t)和uτ″(x，t)、声波法向速度un(x，t)，其中，p(x，t)和uτ′(x，t)以及uτ″(x，t)中的x表示声辐射场的不同位置，针对所述声场变量采用DRP空间离散格式和LDDRK时间积分格式构造PML的无反射预测模型；S400：在所述模型中添加所述切向速度变量和法向速度变量以计算壳体振动情况下的声场随时间的变化情况；S500：计算每一时间步长下，舰艇振动壳体运动对声场变量的影响以预测每一时刻舰艇振动壳体的声辐射大小。所述的方法中，步骤S100中，舰艇振动壳体上均匀布置三向加速度传感器，以采集舰艇振动壳体上多点的切向加速度信号和法向加速度信号所述的方法中，步骤S200中，对振动壳体的切向加速度信号和法向加速度进行时间积分获得振动壳体上多点的切向速度和法向速度其中，是t时刻下的两个切向速度，是t时刻下的法向速度；Δt是振动加速度传感器的采样时间间隔大小，其值为采样频率的倒数Δt＝1/f；f为振动加速度传感器的采样频率。所述的方法中，所述步骤S300包括：声波速度和声压的控制方程包括声波速度控制方程和声压的控制方程，其中，S301：声场变量计算的控制方程：在x、y、z三维方向上的声波速度控制方程为：声压为标量，声压的控制方程为：其中，声波速度为矢量，在x、y、z笛卡尔坐标系三维方向上分别记为ux、uy、uz；声压为标量，在辐射声场中采用p表示，该控制方程表达为矩阵形式：其中，U为声场变量矩阵，为U＝[uxuyuzp]T；A、B、C为对应的系数矩阵，S302：采用四阶DRP离散格式对控制方程中的变量进行空间离散，S303：对控制方程进行LDDRK时间积分：该控制方程写为矩阵形式，表达式为：其中，U为声场变量矩阵，为U＝[uxuyuzp]T，F为矩阵U的控制方程表达式的简化符号，每一步的积分计算表达式如下，Ki＝U(t)+βiΔtF(Ki-1)，i＝0，1，…s，其中，s为积分步数，βi为时间积分系数，下一时刻t+Δt的声场速度、声压变量的大小U(t+Δt)，则通过下式计算获得：U(t+Δt)＝Ks，当s＝5时，积分所需的系数为：β1＝0.181575486327091，β2＝0.238260222208392，β3＝0.330500707328000，β4＝0.500000000000000，β5＝1；S304：构建无反射的PML边界吸收层：在声场上下左右前后边界区域上和壳体边界区域内，修正控制方程，修正后的控制方程表达式为：其中，q为吸收层中的辅助变量，σx、σy、σz为笛卡尔坐标系三维方向上的吸收系数；在上下左右前后边界区域中，设置吸收系数大小的计算表达式为：其中，上标β表示常值指数，进一步地，常值指数为2，σmax为最大吸收系数，x、y、z为声场上下左右前后边界区域的坐标值，xl、yl、zl为吸收层在x、y、z方向上的初始位置，Dl为吸收层的大小，在壳体边界内部，设置吸收系数大小的计算表达式为：其中，r(x，y，z)表示壳体内部任意空间点与壳体中心轴线间的距离，r0为壳体曲率半径大小，并且rl为辐射声场和边界吸收层间过渡层的大小，rl＝r0-4h，h为空间离散是的网格大小。所述的方法中，所述步骤S400中，将随时间变化的壳体运动速度边界条件引入所述模型中：其中，左端为壳体附近流体的切向和法向速度，右端为通过振动壳体上加速度传感时间积分获得的切向和法向壳体速度，其中τ′和τ″表示壳体曲面上的两个切向方向，τ′x、τ′v、τ′z分别为壳体切向向量τ′在x、y、z方向上的分量，τ″x、τ″y、τ″z分别为壳体切向向量τ″在x、y、z方向上的分量，nx、ny、nz分别为壳体法向向量n在x、y、z方向上的分量；在每一个时间步长内，修正壳体附近流体的速度，使其与壳体运动速度保持一致，通过计算所述模型获得下一时刻的声场变量大小。所述的方法中，所述步骤S500中，通过不断迭代添加壳体运动速度边界条件，并且计算振动壳体声辐射模型实现振动壳体辐射噪声时域预测。所述的方法中，声场内部点的空间离散中，ux沿着x方向空间离散为：其中，j为整数，h为声场网格间距大小，aj为对应的系数：a0＝0，a1＝-a-1＝0.77088238051822552，a2＝-a-2＝-0.166705904414580469，a3＝-a-3＝0.02084314277031176；声场边界点的空间离散中，以ux沿着x方向空间离散为：其中，j为整数，h为声场网格间距大小，为对应系数，n为目标节点的左边节点数，m为目标节点的右边节点数，对应左边界节点和右边界节点的系数：对应次左边界节点和次右边界节点的系数：对应次次本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种舰艇振动壳体的辐射噪声预测方法，其特征在于，其包括以下步骤：/nS100：采集舰艇振动壳体的振动信号，得到壳体的切向加速度信号

【技术特征摘要】
1.一种舰艇振动壳体的辐射噪声预测方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S100：采集舰艇振动壳体的振动信号，得到壳体的切向加速度信号和法向加速度信号其中X(t)表示为壳体边界的位置；
S200：对所述切向加速度信号和法向加速度信号进行时间积分得到切向速度和法向速度
S300：基于声波速度和声压的控制方程空间离散化和时间积分，构造舰艇振动壳体辐射噪声预测模型；
S400：在所述模型中添加所述切向速度变量和法向速度变量以计算壳体振动情况下的声场随时间的变化情况；
S500：计算每一时间步长下，舰艇振动壳体运动对声场变量的影响以预测每一时刻舰艇振动壳体的声辐射大小。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优选的，步骤S100中，舰艇振动壳体上均匀布置三向加速度传感器，以采集舰艇振动壳体上多点的切向加速度信号和法向加速度信号


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S200中，对振动壳体的切向加速度信号和法向加速度进行时间积分获得振动壳体上多点的切向速度和法向速度









其中，是t时刻下的两个切向速度，是t时刻下的法向速度；Δt是振动加速度传感器的采样时间间隔大小，其值为采样频率的倒数Δt＝1/f；f为振动加速度传感器的采样频率。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于所述步骤S300的模型，其中：
声场变量包括：声压大小p(x，t)、声波切向速度uτ′(x，t)和uτ″(x，t)、声波法向速度un(x，t)，其中，p(x，t)和uτ′(x，t)以及uτ″(x，t)中的x表示声辐射场的不同位置，针对所述声场变量采用DRP空间离散格式和LDDRK时间积分格式构造PML的无反射预测模型。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
声波速度和声压的控制方程包括声波速度控制方程和声压的控制方程，其中，步骤S300进一步包括如下子步骤：
S301：获得声场变量计算的控制方程：
在x、y、z三维方向上的声波速度控制方程为：



声压为标量，声压的控制方程为：

其中，
声波速度为矢量，在x、y、z笛卡尔坐标系三维方向上分别记为ux、uy、uz；声压为标量，在辐射声场中采用p表示，
该控制方程表达为矩阵形式：



其中，U为声场变量矩阵，为U＝[uxuyuzp]T；A、B、C为对应的系数矩阵，
S302：采用四阶DRP离散格式对控制方程中的变量进行空间离散，
S303：对控制方程进行LDDRK时间积分：
该控制方程写为矩阵形式，表达式为：

其中，U为声场变量矩阵，为U＝[uxuyuzp]T，F为矩阵U的控制方程表达式的简化符号，每一步的积分计算表达式如下，
Ki＝U(t)+βiΔtF(Ki-1)，i＝0，1，…s，其中，s为积分步数，βi为时间积分系数，下一时刻t+Δt的声场速度、声压变量的大小U(t+Δt)，则通过下式计算获得：
U(t+Δt)＝Ks，
当s＝5时，积分所需的系数为：
β1＝0.181575...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴武，何燕飞，张涛，刘金鑫，陈雪峰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61