声边界约束下水中有限长圆柱壳的声振特性研究

摘要

现有的关于水中圆柱壳声振特性的研究大多假设结构浸没在理想的无限声介质中，而在工程应用中，流域会受到自由液面、水底、岸壁等边界的限制，且流体边界会对声波产生反射作用，进而影响流场中结构的声振特性。目前，关于声边界约束下水中圆柱壳声振特性的研究工作尚待深入，论文结合波传播方法和虚源法分析了声边界（如自由液面、刚性底面及组合边界等）约束下水中有限长圆柱壳的声振特性，并从模态附连水质量的角度解释了声边界的影响机理，为工程应用提供了理论参考。
　　首先，论文建立了理想无限域中有限长圆柱壳-声场的耦合振动模型，并从声固耦合角度提出了模态附连水质量的概念。采用Flügge壳体理论和声学波动方程分别描述圆柱壳和声介质的振动，将壳体位移和流体声压以波传播的形式进行级数展开，然后基于声振连续条件建立声场与结构振动之间的联系，最终建立了无限域中有限长圆柱壳-声场的耦合振动模型。以无限域中有限长圆柱壳为研究对象，借鉴流固耦合问题中附连水质量的概念，从声固耦合角度提出了模态附连水质量的概念。
　　然后，在分析无限域中有限长圆柱壳的声固耦合模型的基础上，计及自由液面和流体静压的影响，论文对有限潜深状态有限长圆柱壳的声振特性展开分析。将流体静压以预应力的形式计入壳体振动方程，并通过设置反对称虚源考虑自由液面边界的影响，然后结合波传播方法和声振连续条件建立了有限潜深状态有限长圆柱壳的声固耦合振动模型。在数值分析中，分别探讨了自由液面和流体静压对水下圆柱壳的振动与声辐射特性的影响，并基于模态附连水质量理论分别解释了二者的影响机理。较无限域中圆柱壳的声振特性而言：自由液面的存在将致使水下圆柱壳的模态频率相应增大，且导致结构远场声压的周向分布呈现一定的“分瓣”特性，而流体静压的存在将致使水下圆柱壳的模态频率相应减小，且导致结构的远场辐射声压水平相应提高；随着潜深的增大，自由液面的影响逐渐减小，而流体静压的影响逐渐增大；当潜深增大到一定程度时，圆柱壳结构面临失稳。同时，论文对浮态有限长圆柱壳（即圆柱壳轴线与自由液面平行，且结构外表面与自由液面相交）的声振特性展开分析。通过对自由液面边界进行近似处理，给出了同时满足声学边界条件和声学波动方程的流体声压的表达式，然后结合波传播方法和声振连续条件，建立了浮态有限长圆柱壳-声场的耦合振动模型。在数值分析中，论文探讨了浸没角度对浮态有限长圆柱壳振动和声辐射特性的影响，并从模态附连水质量角度解释了相应机理。
　　随后，以有限深度水域中有限长圆柱壳为研究对象，论文研究了自由液面和刚性底面的组合声边界对水下圆柱壳声振特性的影响。在有限深度水域中，水深相对较小，流体静压的影响可以忽略。论文首先采用波传播方法和虚源法分析了刚性底面对水下圆柱壳声振特性的影响，然后将该方法拓展应用于分析有限深度水域中有限长圆柱壳的声振特性，并与存在自由液面或刚性底面的半无限域内圆柱壳的声振特性进行对比分析。结果表明，有限深度水域中流体边界对水下圆柱壳声振特性的影响可以看做流体上、下边界对结构声振特性影响的叠加。
　　最后，通过设计合理的试验模型和试验方案，论文对有限深度水域中有限长圆柱壳的固有振动特性开展了试验研究，并将试验测量结果与理论计算结果进行对比分析，更好地验证了理论分析方法的正确性。
　　通过分析，论文得到了关于声边界约束下水中有限长圆柱壳声振特性的一些规律：对单个声边界（如自由液面、刚性底面），当圆柱壳靠近声边界时，声边界对水下圆柱壳声振特性的影响显著；随着结构与声边界之间距离的增大，声边界的影响逐渐减小，当该距离大于4倍半径时，声边界对低频段内水下圆柱壳振动和辐射声功率特性的影响可以忽略，而声边界对结构远场声压特性的影响则衰减较慢；在有限深度水域中，水域边界对圆柱壳声振特性的影响可以看做流体上、下边界效应的叠加。这些结论可以为圆柱壳结构在工程中的合理应用提供参考。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 文献综述

1.3本文研究内容

2 无限域中有限长圆柱壳的声固耦合模型与模态附连水质量

2.1引言

2.2圆柱壳的声固耦合模型

2.3模态附连水质量

2.4算例分析

2.5本章小结

3 有限潜深状态有限长圆柱壳的声固耦合模型

3.1引言

3.2圆柱壳振动分析

3.3存在自由液面的半空间内声场分析

3.4圆柱壳的自由振动模型

3.5圆柱壳的受迫振动模型

3.6圆柱壳的声辐射模型

3.7本章小结

4 有限长圆柱壳在有限潜深时的声振特性

4.1引言

4.2自由振动特性

4.3输入能量流特性

4.4声辐射特性

4.5本章小结

5 浮态有限长圆柱壳的声振性能研究

5.1引言

5.2浮态圆柱壳理论建模

5.3流体边界近似处理

5.4流体声载荷分析

5.5圆柱壳的自由振动特性研究

5.6圆柱壳的输入能量流特性研究

5.7圆柱壳的声辐射特性研究

5.8本章小结

6 有限深度水域中有限长圆柱壳的声振特性分析

6.1引言

6.2刚性底面对水下圆柱壳声振特性的影响

6.3有限深度水域中声场分析

6.4圆柱壳的自由振动特性分析

6.5圆柱壳的输入能量流和辐射声功率特性分析

6.6本章小结

7 有限深度水域中有限长圆柱壳固有振动特性的试验研究

7.1引言

7.2试验模型

7.3试验环境影响因素分析

7.4试验测量方案

7.5试验数据分析

7.6本章小结

8 全文总结与展望

8.1 总结

8.2 本文主要创新点

8.3 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的主要论文