摘 要

近年来，靠港邮轮的辐射噪声受到国内学者越来越多的关注，但国内对于船舶结构在空气中的声辐射特性研究甚少，在港口辐射噪声问题上的研究思路和评价方法还有待深入研究，传统的研究一般是针对两端未封闭的圆柱壳，且主要开展圆柱壳的水下辐射特性。本文以靠港船舶的空气辐射噪声为研究背景，开展了两端封闭圆柱壳在半无限水域下空气/水下的声辐射特性。

首先，论文对选题的背景进行简要的阐述，分析了该项研究具有的基础研究意义和工程应用意义。通过总结船舶结构在水下/空气中的声辐射的国内外研究现状以及现有的船舶噪声预报的数值方法，得出该项研究的迫切性与必要性。基于现有的噪声预报方法，本文选用最为有效的有限元与边界元分析相结合的方法，为港口船舶的辐射噪声预报的相关研究提供方法依据。

其次，论文阐述了选题研究涉及到的理论。从柱坐标系下的Helmholtz波动方程出发，分析了半无限域流场中所需要满足的两个条件，推导出了有限元中的流固耦合方程，确定了本文研究所涉及到的四个特性参数。受限于边界元网格尺寸对于计算精度的影响，同时为了降低计算规模，提高任务的效率，对半无限域流场进行了流场截断，并确定了截断处设定的边界条件。

最后，论文基于有限元/边界元方法对有限长的两端封闭圆柱壳的空气/水下声辐射特性进行了仿真。通过比较不同浸没深度的圆柱壳的振动响应，分析了圆柱壳在半无限流场中的浸深与振动响应变化的关系；通过改变圆柱壳的壳体厚度，分析了厚度对水下结构声辐射特性的影响；通过改变激励的位置，分析了激励位置影响声辐射特性的原因。

关键词：圆柱壳；半无限水域；空气；水下；声辐射；流场截断

Abstract

In recent years, more and more attention has been paid to the radiated noise of the port liner, but there is little research on the acoustic radiation characteristics of the ship structure in the air in China, and there is still a lack of research ideas and evaluation methods on the problem of the radiated noise of the port. The traditional research is generally aimed at the cylindrical shell which is not closed at both ends, and mainly aimed at the underwater radiation characteristics of the cylindrical shell. Based on this trend, the acoustic radiation characteristics of two end closed cylindrical shells in semi infinite water are studied.

For this reason, firstly, the paper briefly describes the background of the topic, and analyzes the basic research significance and engineering application significance of this research. By summarizing the research status of acoustic radiation of ship structure in underwater / air at home and abroad, as well as the existing numerical methods of ship noise prediction, the urgency and necessity of this research are obtained. Based on the existing noise prediction methods, the most effective finite element and boundary element analysis method is selected in this paper to provide the method basis for the relevant research of the radiation noise prediction of port ships.

The thesis then expounds the theories involved in the research. From the Helmholtz wave equation in the cylindrical coordinate system, two conditions that need to be satisfied in the semi-infinite flow field are analyzed, the fluid structure coupling equation in the finite element is derived, and four characteristic parameters involved in this study are determined. In order to reduce the calculation scale and improve the efficiency of the task, the flow field in the semi-infinite domain is truncated, and the boundary conditions set at the truncated location are determined.

Finally, based on the finite element / boundary element method, the paper simulates the air / underwater acoustic radiation characteristics of the finite length closed cylindrical shell at both ends. By comparing the vibration response of cylindrical shells with different immersion depths, the relationship between the immersion depth of the cylindrical shells in the semi-infinite flow field and the change in vibration response is analyzed; by changing the thickness of the cylindrical shells, the effect of the thickness on the acoustic radiation characteristics of underwater structures is analyzed; by changing the position of excitation, the reason why the excitation position affects the characteristics of acoustic radiation is analyzed.

Key Words：Cylindrical shell；Semi-infinite water area；Air；Underwater；Acoustic radiation; Flow field truncation

目 录

第1章 绪论 1

1.1选题背景及意义 1

1.2国内外研究概况 1

1.2.1空气辐射噪声国内外研究现状 1

1.2.2水下辐射噪声国内外研究现状 2

1.2.3辐射噪声研究方法 3

1.2.4研究总结 4

1.3本文主要研究内容 4

1.4本文技术路线 5

第2章 声固耦合计算理论基础 6

2.1无限域流场分析 6

2.2流固耦合理论 6

2.3特性参数选择 7

第3章 水下声辐射特性计算分析 9

3.1无限域流场的截断 9

3.1.1无限域流场截断的必要性 9

3.1.2无限域流场的截断方法 9

3.2网格尺寸的要求 10

3.3计算过程 10

3.3.1有限元模型的建立 10

3.3.2有限元模型的网格划分 11

3.3.3分析步的设置 12

3.3.4有限元模型计算结果 12

3.3.5边界元模型的处理 14

3.3.6声压观测点的选取 14

3.4结果分析 15

3.4.1声压云图分析 15

3.4.2不同潜深下的声振特性 17

3.4.3不同结构厚度下的声振特性 18

3.4.4不同激励位置时的声振特性 19

3.5本章小结 21

第4章 空气声辐射计算分析 22

4.1网格尺寸的要求 22

4.2模型参数 22

4.3结果分析 23

4.3.1不同潜深下的声振特性 23

4.3.2不同壳体厚度下的声振特性 24

4.3.3不同激励位置时的声振特性 25

4.4本章小结 26

第5章 总结 27

5.1全文总结 27

5.2工作展望 27

参考文献 29

致 谢 30

第1章 绪论

1.1选题背景及意义

近年来，邮轮产业在中国内地发展迅猛，受到党和政府高度的关注。国家曾多次出台大型邮轮生产相关的扶持政策，鼓励发展具有中国特色的豪华邮轮，突破邮轮建造中的关键技术，推进邮轮产业的健康发展。工信部高技术船舶科研计划项目也曾多次立项支持邮轮设计制造关键技术的研发。邮轮产业的快速增长和人们对于邮轮舒适度的要求，使得人们越来越关注对于邮轮辐射噪声的控制。

邮轮的辐射噪声包括两个方面，空气辐射噪声和水下辐射噪声。其中，空气辐射噪声可能会造成听力损伤，干扰通信和引起烦扰。由于要在在一个非常有限的空间里呆很长时间，船舶上的船员和乘客都会受到噪声影响。空气辐射噪声还会影响到港口处的居民以及港口工人。港口处的空气辐射噪声有可能成为一个重大的健康问题，这种间歇性的低频噪音会对居民的睡眠模式产生巨大冲击，可能导致疲劳、生产力下降、愤怒、缺乏动力和注意力。水下辐射噪声对海洋动物特别是哺乳动物产生不利的影响。水下辐射噪声对动物可能会造成单个个体的行为变化和同一物种成员之间交流的减少。噪音也会对摄食活动、繁殖、迁移或照顾幼仔所造成干扰，降低成功繁殖的可能性、幼仔存活的机会和摄食量，甚至会导致海洋生态系统的失调。