舰艇耦合场宽频声学状态量化评估的小波浸入边界法研究

The stealth performance is an important tactical index of warship. Accurate vibration and acoustic analysis and quantitative evaluation are the important means for acoustic design, condition evaluation and improved stealth performance of warship. In this project, the wavelet immersed boundary method will be proposed and studied for acoustic condition quantitative evaluation of warship in coupled field. Deep exploration will be taken into three key problems: coupled field analysis, acoustic source analysis and condition evaluation. To the basic problem of coupled field analysis method, the wavelet immersed boundary method will be proposed and studied to conquer the limitations of current finite element method/boundary element method for coupled field analysis and achieve accurate analysis by only one kind of element. To the key problem of wide-band analysis in coupled field, the stochastic wavelet immersed boundary method will be proposed and studied to resolve the limitations of stochastic parameters and computational efficiency to reveal the directivity characteristics of acoustic source. To the core problem of acoustic condition quantitative evaluation in coupled field, breaking through the current limitations of point acoustic source, line acoustic source and reflecting boundary, the three-dimensional multi-scale wavelet wave motion analysis method will be constructed to reveal the noise radiation mechanism and implement wide-band acoustic condition quantitative evaluation in coupled field. Taking the scaled model of warship as experiment object, the experimental and engineering study will be implemented. Through this project, the new theory and technology will be provided for wide-band noise quantitative evaluation, acoustic design and acoustic condition evaluation of warship.

舰艇的隐身性能是其生存和战术能力的核心评价指标，精确的振噪分析与量化评估是进行舰艇声学设计、状态评估，提升隐身性能的重要手段。本项目拟开展舰艇耦合场宽频声学状态量化评估的小波浸入边界法研究，重点针对耦合分析、声源分析、状态评估三类核心问题展开深入研究。针对耦合场分析基础问题，提出小波浸入边界法，解决现有有限元/边界元等在跨场跨界面分析中的不足，实现单一单元的跨场精确分析；针对耦合场宽频声源分析核心问题，提出随机小波浸入边界法，解决随机参数与计算效率等限制，融合有限点振噪测试分析，揭示舰艇指向性声源特性；针对耦合场声学状态量化评估重点问题，突破现有点声源、线声源与反射边界等简化约束，构造三维多尺度小波导波分析方法，揭示噪声辐射机制，实现耦合场宽频声学状态量化评估；针对舰艇比例模型，开展实验研究与工程应用。为舰艇耦合场宽频噪声量化评估、声学设计与状态评估提供新的理论和技术。

本项目开展了舰艇耦合场宽频声学状态量化评估的小波浸入边界法研究，通过耦合分析理论、宽频声源分析及声场量化评估三类核心问题的研究，突破传统耦合声场分析无法突破界面的限制，实现舰艇耦合场辐射噪声精确预测。. 针对耦合场分析理论，以分析方法构造为途径，开展了三方面研究。（1）提出了舰艇壳体结构的曲壳、圆柱壳小波单元，实现了壳体结构的声振特性分析；（2）构造了小波δ函数，实现了场边界的多自由度拟合；（3）提出了小波浸入边界法，实现了单一单元的耦合场跨界面分析。. 针对宽频声源分析方法，以宽频跨越为目标，研究了宽频小波有限元法。（1）提出了高模态密度结构的宽频小波单元构造方法，解决了高模态密度板壳结构的宽频跨越分析问题；（2）建立了筋板中频结构的混合小波单元，实现了随机参数与计算效率限制下的中频结构宽频跨越分析。. 针对声场量化评估方法，以耦合场水下辐射声预测为研究目标，构造了小波浸入边界耦合场辐射声预测方法。（1）研究了圆柱扰流辐射流噪声特性与预测方法；（2）研究了运动圆柱扰流流噪声特性与预测方法；（3）研究了脉动振动扰流噪声特性与分析方法。. 综合以上三点理论创新与研究成果，开展了实验研究与工程应用。（1）流固耦合水槽声传播实验研究：自主设计搭建流固耦合水槽实验平台，研究了不同流体状态、不同流速等工况下的声传播特性；（2）舰艇舱段壳体水下声辐射实验：设计开展了舰艇舱段水下声辐射实验，验证耦合声场预测方法的有效性；（3）某型号水面舰海域声辐射实验：联合项目合作单位，开展了某型号水面舰海域多工况声辐射实验，支撑舰艇声学特性设计。. 通过本项目的研究，共发表学术论文19篇，其中SCI论文16篇，申报发明专利2项。担任IEEE仪器与测试协会Xi’an Chapter主席、IEEE高级会员、陕西省振动工程学会常务理事，获批国家自然科学基金面上项目与“两机”专项课题各1项。入选青年长江学者、陕西省青年拔尖人才，荣获陕西省技术发明一等奖（第2完成人）。