浅海环境水下航行器低频地声诱发机制及特性

作     者：张浩 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：庞福振;王雪仁

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 082601[工学-武器系统与运用工程] 0826[工学-兵器科学与技术] 0824[工学-船舶与海洋工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：水下航行器 低频 诱发机制 浅海环境 地声特性 

摘      要：水下航行器激励下诱发的海底地声主要由结构振动噪声传递到海底并与海底介质作用产生,对地声的研究不仅可以提高相关机制及特性规律的认识,也是对水声探测的一种重要补充。水下航行器激励下诱发的地声涉及到结构、流场和海底介质的相互耦合和能量传递,其相关机制与特性规律不仅与声源类型、载荷位置有关,还受到海水深度、结构到海底距离、海底底质、海底地形的影响,因此对水下航行器激励下诱发地声进行系统化研究具有重要意义。首先,本文围绕地声数值模拟方法、低频地声诱发机制和浅海地声特性等国内外研究现状进行了详细总结,并对地声波动成分诱发方程进行了梳理,从理论研究和数值仿真等方面分析了水下航行器激励下诱发地声的研究方法。采用数值仿真计算作为总体研究方法,将有限元-无限元边界方法作为水下航行器诱发地声的基本计算方法,使用点声源地声模型,通过开展波场成分验证以及边界吸收效果验证,验证了本文计算方法的合理性。其次,考虑到远场计算中使用三维模型会严重增加网格数量,影响计算效率,且在一平面内提取考核点进行分析也可以得到地声的相关数据,因此使用二维模型探究结构诱发地声的相关机制,同时考虑到考核目标尽可能体现结构特性,因此以与水下航行器剖面相似的锥柱球纵剖面结构作为研究对象,针对声源类型和载荷位置,对声源诱发地声的相关机制进行了研究,并针对结构距离海底25m、100m和250m航行工况,海底底质为砾岩、玄武岩海底环境开展研究,同时因为地声在浅海的优势且目前研究人员分析的浅海水深均在400m以内,因此海水深度分别设置为100m、200m和300m,分析了结构与海底距离、海底介质和海水深度等不同因素下结构诱发地声的远场特性规律。然后,在上述研究的基础上,将数值计算方法应用到三维空间,考虑到大型结构会导致网格数量急剧增加,影响计算效率,采用小尺度结构同样可以探究地声的空间特性,因此以局部舱段结构作为研究对象,通过分别加载5Hz、20Hz和45Hz主频载荷,改变海底山高度为30m(低于结构与海底距离)、50m(等于结构与海底距离)、70m(高于结构与海底距离),改变大陆架高度为30m(低于结构与海底距离)、50m(等于结构与海底距离)、70m(高于结构与海底距离)进行数值计算分析,进一步研究了载荷主频、海底山、大陆架对结构诱发地声空间特性的影响规律。最后,以Suboff水下航行器作为研究对象,通过数值手段计算了凝水泵、冷却水泵、推进电机和多设备激励下Suboff水下航行器的低频地声响应,探究了Suboff水下航行器激励下诱发地声机制、线谱特性规律以及空间特性,为实尺度水下航行器激励下诱发地声的预报、评估提供数据支撑。