兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (7): 2329-2340.doi: 10.12382/bgxb.2023.0191
收稿日期:
2023-03-10
上线日期:
2023-06-20
通讯作者:
ZHANG Shenghai1,2, XU Jianqiu3, LI Sheng1,2,*()
Received:
2023-03-10
Online:
2023-06-20
摘要:
研究水下声源声辐射激发的水表面声波,对在空气中进行跨介质水下声源探测具有重要意义。为研究水下声源声辐射激发的水表面声波特性,基于水下声传播理论推导水下稳态点源球面声波激励水表面声波的理论解,依据有限元方法,以脉动球点源为例进行数值分析验证,设计相应实验验证水平衰减规律及声源深度影响。基于声-结构耦合有限元方法研究声源深度等声源参数及环境参数对水下圆柱壳声辐射激发水表面声波的影响。研究结果表明:所提激励下的圆柱壳声源在半自由场环境中激发的海水表面波振幅在某些振型对应固有频率下的振幅远大于其他频率;海底和粗糙海面对水表面波振幅有影响;在所提载荷激励下,有限水深中水下圆柱壳声辐射激励的水表面波振幅在3倍圆柱壳半径以内及20倍半径之外潜深范围内与潜深呈正比,其他范围随潜深呈反比。
中图分类号:
张圣海, 徐剑秋, 黎胜. 水下圆柱壳声辐射激发水表面声波研究[J]. 兵工学报, 2024, 45(7): 2329-2340.
ZHANG Shenghai, XU Jianqiu, LI Sheng. Study of Water Surface Acoustic Waves Excited by Acoustic Radiation from Underwater Cylindrical Shells[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(7): 2329-2340.
参数 | 取值 |
---|---|
声源频率f0/Hz | 10~2000 |
脉动球半径Rs/m | 0.01 |
脉动球深度zs/m | 1~500 |
脉动球法向振速vs/(m·s-1) | 0.01 |
计算区域半径Rf | max(2λ,3m) |
海水声速cw/(m·s-1) | 1460 |
海水密度ρw/(kg·m-3) | 1025 |
海水深度H/m | 20~70 |
表1 脉动球点源有限元模型仿真参数
Table 1 Simulation parameters of finite element model of pulsating ball point source
参数 | 取值 |
---|---|
声源频率f0/Hz | 10~2000 |
脉动球半径Rs/m | 0.01 |
脉动球深度zs/m | 1~500 |
脉动球法向振速vs/(m·s-1) | 0.01 |
计算区域半径Rf | max(2λ,3m) |
海水声速cw/(m·s-1) | 1460 |
海水密度ρw/(kg·m-3) | 1025 |
海水深度H/m | 20~70 |
图7 考虑海底存在时水面质点垂向位移幅值与频率、声源深度及海水深度关系
Fig.7 Change in vertical displacement amplitude of water surface particlewith frequency, depths of source and seawater when considering the existence of seabed
圆柱壳及流体参数 | 取值 |
---|---|
计算频率f0/Hz | 60~260 |
圆柱壳半径Rc/m | 0.18 |
圆柱壳长度Hc/m | 1.284 |
载荷激励F/N | 10 |
圆柱壳密度ρc/(kg·m-3) | 7850 |
圆柱壳厚度dc/mm | 3 |
圆柱壳潜深z0 | 1~30Rc |
杨氏模量E/Pa | 2.06×1011 |
泊松比μ | 0.3 |
计算区域半径Rf | max (2λ,3m) |
流体声速cw/(m·s-1) | 1460 |
流体密度ρw/(kg·m-3) | 1025 |
海水深度H/m | 10~40 |
表2 水下圆柱壳声-结构耦合有限元模型仿真参数
Table 2 Simulation parameters of acoustic-structure coupling finite element model of underwater cylindrical shell
圆柱壳及流体参数 | 取值 |
---|---|
计算频率f0/Hz | 60~260 |
圆柱壳半径Rc/m | 0.18 |
圆柱壳长度Hc/m | 1.284 |
载荷激励F/N | 10 |
圆柱壳密度ρc/(kg·m-3) | 7850 |
圆柱壳厚度dc/mm | 3 |
圆柱壳潜深z0 | 1~30Rc |
杨氏模量E/Pa | 2.06×1011 |
泊松比μ | 0.3 |
计算区域半径Rf | max (2λ,3m) |
流体声速cw/(m·s-1) | 1460 |
流体密度ρw/(kg·m-3) | 1025 |
海水深度H/m | 10~40 |
数据来源及 相对误差 | 固有频率/Hz | ||||
---|---|---|---|---|---|
1-2 | 1-3 | 1-4 | 2-3 | 2-4 | |
本文 | 97.79 | 109.57 | 203.61 | 216.16 | 243.24 |
文献[ | 98.5 | 110.7 | 206.3 | 219.0 | 247.0 |
相对误差/% | -0.72 | -1.02 | -1.30 | -1.30 | -1.52 |
表3 水下圆柱壳固有频率
Table 3 Natural frequencies of underwater cylindrical shell
数据来源及 相对误差 | 固有频率/Hz | ||||
---|---|---|---|---|---|
1-2 | 1-3 | 1-4 | 2-3 | 2-4 | |
本文 | 97.79 | 109.57 | 203.61 | 216.16 | 243.24 |
文献[ | 98.5 | 110.7 | 206.3 | 219.0 | 247.0 |
相对误差/% | -0.72 | -1.02 | -1.30 | -1.30 | -1.52 |
图15 水面质点垂向位移幅值与频率、声源深度及海水深度关系
Fig.15 Vertical displacement amplitude of water surface particle vs. frequency, and depths of cylindrical shell and seawater
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