摘要為了研究流噪聲以及流激噪聲情況下水域中的換能器聲學性能變化情況，以實現對換能器結構優化設計，避開流激噪聲的共振頻率，提高信噪比.仿真對比分析艇殼體在水流下的流噪聲以及艇殼體與水流耦合下的流激噪聲，結果顯示同一頻率下流激噪聲的數值大于流噪聲，靠近艇殼體壁面時二者數值上的差距較大，流激噪聲隨距離的衰減量大于流噪聲。
關鍵詞：流噪聲;流激噪聲;換能器;聲學性能
《微細加工技術》創刊于1983年，是國家科委和國家新聞出版署批準，國內外公開發行的中央級重要科技期刊。
潛艇在水下運動時產生的噪聲是暴露其存在的致命弱點，直接威脅到潛艇的安全，因此控制潛艇的噪聲一直是研究的重點。通常可以將潛艇產生的噪聲分為三類：機械振動噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲。計算流體力學主要研究的是水動力噪聲，主要包括流噪聲、水流作用于潛艇引起的共振噪聲、以及空化噪聲等。一般而言，水動力噪聲的數值比機械振動噪聲和螺旋槳噪聲要低很多，但隨著潛艇運動速度的提高，水動力噪聲在潛艇總噪聲中的比重會迅速增加。
潛艇的水動力噪聲是由潛艇周圍湍流邊界層內的擾動、壁面上的脈動壓力以及流體與固體的耦合作用導致的結構振動共同引起的。其中，湍流邊界層內的速度擾動和壁面脈動壓力分別相當于四極子聲源和偶極子聲源，二者共同構成了流噪聲;流體與固體的耦合作用會進一步產生流激噪聲，導致噪聲數值增大。水動力噪聲嚴重威脅了潛艇的隱蔽性，因此研究水動力噪聲的產生與特性具有重要意義。
研究水動力噪聲首先需要研究水動力噪聲的起源。潛艇周圍的流場，尤其是湍流邊界層內，存在著漩渦運動以及流體碰撞而導致的能量交換，由此產生的噪聲即四極子噪聲。在低馬赫數的情況下，四極子產生的噪聲很小，可以忽略不計。壁面上的脈動壓力是偶極子聲源的成因，而偶極子聲源則是流噪聲的主要成分。
在之前的研究中，潛艇結構都視為不會與流體發生耦合作用的剛性體，即流體壓力不會引起潛艇結構的振動。但實際的潛艇結構雖然加強了筋和環肋結構保證潛艇的剛度，在外部壓力的作用下，潛艇結構會產生隨時間變化的位移，進一步會引起振動噪聲，它與偶極子噪聲之和即為流激噪聲，忽略振動噪聲會導致數值模擬的結果偏小。而且，這種振動噪聲由于涉及到結構的固有特性，在某些頻率下可能會產生共振，共振頻率則稱為特征頻率，此時會進一步增強振動噪聲。此外，隨著潛艇航速的增加，潛艇壁面上的脈動壓力會迅速增加，這會相應地導致潛艇的位移變形和振動噪聲的增加。因此，研究流固耦合作用下潛艇的位移變形和流激噪聲具有重要的意義。
1理論研究
流激噪聲與流噪聲的差別在于計算流激噪聲時結構為彈性體，這樣在潛艇壁面脈動壓力的作用下，潛艇結構會產生振動，該振動作為一種聲源也會產生噪聲。流噪聲只是求解了潛艇壁面偶極子聲源產生的噪聲，而流激噪聲則包括了潛艇壁面的偶極子噪聲和潛艇結構的振動噪聲。因此，求解流激噪聲首先需要求解潛艇結構在脈動壓力作用下產生的位移變形。由于潛艇結構的變形很小，由此導致的流體域體積變化可以忽略不計，這樣流固耦合系統可以視為單向的耦合，即只考慮流體對固體的作用，這樣可以顯著簡化求解過程而且不會帶來較大的誤差。
流噪聲研究從Lighthill提出的聲學類比理論開始，該理論將聲場與流場計算結合在一起，方程為如下形式：
對上述方程進行傅里葉變換，可以得到
▽2p′+k2p′=q (2)
2有限元仿真建模分析
本次研究中，主要使用COMSOL多物理場軟件進行建模分析，模型組成見圖1-2。最外圍區域的水域在進行計算時將其設定為完美匹配層，該層能夠與相鄰介質的波阻抗實現完美匹配，入射聲波能夠無反射地穿過分界面而進入完美匹配層，這樣就能夠實現模擬無限大水域;中間層為聲波傳遞水域，同時在與艇殼體接觸處水域會產生耦合效應;再內層為艇殼體，厚度設定為50 mm;艇殼體內為空氣。
從云圖(圖3)以及曲線圖(圖4)可以發現，在同一位置處，500 Hz時單獨考慮流噪聲與考慮流固耦合、聲固耦合在水域中的聲壓差距不大，這與潛艇外殼在考慮水與外殼耦合情況下的特征頻率相關;不同位置時除個別距離處，艇首尾處的聲壓基本大于艇側聲壓，這是由于在艇首尾處湍流強度較大。
從圖5-6可以發現在2 000 Hz處時，艇首尾的流激噪聲都會大于流噪聲。圖7-9為不同位置處流場中的流激噪聲與流噪聲的對比，分析可以發現，除個別頻率外，流激噪聲基本大于流噪聲，特別是在聲場的特征頻率處差距更加明顯。
3結論
本文通過仿真對比分析艇殼體在水流作用下的流噪聲以及艇殼體與水流耦合下的流激噪聲發現：同一頻率下流激噪聲的數值大于流噪聲;在靠近艇殼體壁面的區域，二者數值上的差距較大;潛艇壁面振動產生的噪聲在遠離殼體表面區域衰減的速度大于壁面脈動壓力的衰減速度，即流激噪聲在空間中隨著距離的增加而衰減的速度大于流噪聲;壁面振動對于總輻射噪聲的貢獻在靠近艇殼體壁面的區域最為突出。
由于部分聲吶基陣安裝于潛艇外殼，水域中的聲場對其聲學性能至關重要，如何實現在復雜聲場條件下合理地設計基陣與潛艇外殼之間的連接結構，對提高信噪比具有重大意義。下一步將考慮在潛艇外殼有一定的振動、流激噪聲以及不同來流速度條件下優化基陣連接結構，提高聲吶基陣在寬頻、特別是耦合共振頻率處的信噪比。
