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| 內容簡介： |
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《船舶振动声学理论和规范计算方法》面向实际应用介绍船舶振动和声学的基本理论、数值分析与规范化建模方法、评价标准及设计技术。《船舶振动声学理论和规范计算方法》共15章，主要内容分为船舶振动理论及其规范化计算、船舶声学理论及其规范化计算两大部分。第一部分介绍船舶稳态振动及瞬态振动(碰撞、爆炸冲击等场景)的理论和计算方法、数值模型规范化建模技术、振动评价标准与控制设计，主要关注0～100Hz低中频段。第二部分介绍船舶舱室稳态噪声及瞬态噪声(破冰、碰撞等场景)、水下辐射噪声的基础理论、计算方法、数值模型规范化建模技术，以及空气和水下辐射噪声评价标准与降噪设计，关注0～10000Hz全频段。
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目录前言第1章 基础知识 11.1 船舶与海洋结构物的振动 31.1.1 振动系统 41.1.2 振动控制方程与振动物理量 51.2 船舶与海洋结构物的噪声 121.2.1 声学基本概念与声学物理量 121.2.2 船舶与海洋结构物的声场 181.2.3 声传播的控制方程 231.2.4 流噪声的Lighthill方程 27第2章 振动特性与振动响应分析理论和方法 302.1 振动特性和模态正交性 312.2 振动特性的数值计算方法 342.2.1 瑞利法和瑞利-里茨法 352.2.2 子空间迭代法 362.2.3 Lanczos方法 372.2.4 动力子结构法 372.3 连续振动系统的振动模态 392.3.1 梁的振动模态 392.3.2 板的振动模态 402.3.3 圆柱壳的振动模态 402.4 声学模态分析 412.5 振动响应的数值计算方法 422.5.1 展开定理 422.5.2 模态叠加法 442.5.3 直接积分法 482.6 高频振动的统计能量分析法 562.6.1 统计能量分析法的原理 572.6.2 子系统划分和内损耗因子 58第3章 船舶与海洋结构物的流固耦合分析理论 613.1 水弹性力学与声弹性力学 613.2 流固耦合动力学方程 633.3 声固耦合振动声学方程 663.3.1 声固耦合振动声学方程的有限元列式 673.3.2 声固耦合振动声学方程的边界元列式 693.4 声振特性分析数值模型的选择 76第4章 船舶与海洋结构物稳态振动分析的规范方法 784.1 船舶与海洋结构物在波浪中的往复运动方程 784.2 船舶稳态振动数值分析的规范方法 824.2.1 船舶总体振动数值分析模型 834.2.2 船舶总体振动数值分析的规范方法 854.3 船舶局部稳态振动分析 1004.3.1 局部结构振动分析模型的延伸边界建模方法 1004.3.2 艉部和上层建筑的振动 1014.3.3 机舱和桅杆等部件的振动 103第5章 船舶稳态振动的评价标准和抑制 1075.1 船舶稳态振动的评价标准 1075.1.1 船舶稳态振动的适居性评价标准 1095.1.2 船舶稳态振动的结构安全性评价标准 1195.1.3 船舶稳态振动的设备安全性评价标准 1225.2 船舶稳态振动的测试 1235.2.1 船舶总体振动的测试 1245.2.2 船舶航行振动的测试 1255.2.3 船舶振动问题的诊断 1265.3 船舶的抑振设计 1275.3.1 隔振性能评价指标 1275.3.2 船舶防振设计 129第6章 船舶与海洋结构物瞬态振动分析 1476.1 船舶与海洋结构物高速瞬态振动数值分析 1476.1.1 空中爆炸及穿甲时舰船瞬态振动数值分析 1516.1.2 水下爆炸时舰船瞬态冲击响应的数值计算方法 1556.1.3 设备及人员抗冲击能力评估和设计 1596.2 船舶与海洋结构物低速瞬态振动数值分析 1616.2.1 船舶与海洋结构物碰撞的分析方法 1616.2.2 船-冰碰撞的数值分析 1636.3 地震作用下海洋结构物瞬态振动数值分析 1746.3.1 反应谱法 1766.3.2 时程分析法 181第7章 船舶稳态水下辐射噪声数值分析的规范方法 1857.1 船舶机械噪声全频段数值计算规范方法 1877.1.1 低频段船舶机械噪声的规范数值计算方法 1907.1.2 高频段船舶机械噪声的规范数值计算方法 1937.1.3 船舶机械噪声全频段数值计算规范方法的实验验证 1967.2 机械噪声、螺旋桨噪声与水动力噪声耦合声场数值计算方法 2127.2.1 水面船舶的流场及水动力噪声、螺旋桨噪声的近似计算 2137.2.2 多类振动噪声源作用时船舶水下辐射噪声计算方法 2157.3 考虑自由液面波形的船舶水下辐射噪声计算方法 2247.3.1 绕流流场的数值模拟 2267.3.2 考虑自由液面波形的辐射噪声数值计算模型及方法 2277.3.3 水下辐射噪声计算结果对比 229第8章 船舶振动与噪声数值分析的解析梯度网格模型 2318.1 解析梯度网格模型的原理 2318.1.1 基于波动理论的解析梯度网格原理 2328.1.2 基于振动理论的解析梯度网格原理 2348.2 基座阻抗计算的解析梯度网格模型 2358.2.1 解析梯度网格及其计算公式 2368.2.2 基于解析梯度网格模型的基座阻抗数值计算 2378.3 基于解析梯度网格模型的船舶机械噪声计算方法 2438.3.1 船舶机械噪声计算的解析梯度网格模型 2438.3.2 基于解析梯度网格模型的船舶机械噪声数值计算示例 247第9章 船舶机械噪声计算的规范载荷 2529.1 设备振动载荷的特性 2529.1.1 力载荷与加速度载荷的等效性分析 2539.1.2 加速度载荷和力载荷对机械噪声计算结果的影响 2559.2 低频机械噪声计算的规范载荷 2579.2.1 基于理想加速度载荷的力载荷反演方法 2579.2.2 基于台架试验加速度载荷的力载荷反演方法 2599.2.3 基于基座面板处理想加速度载荷的低频机械噪声快速预报 2629.3 低频机械噪声计算中规范载荷的实验验证 2649.3.1 基于理想加速度载荷反演力载荷的实验验证 2649.3.2 基于台架试验加速度载荷反演力载荷的实验验证 2669.4 高频机械噪声计算的规范载荷 2679.4.1 高频机械噪声的计算模型及规范载荷 2679.4.2 多点等效阻抗的计算方法 2709.4.3 高频机械噪声的能量平均计算方法 2739.5 声腔共振作为声激励对船舶机械噪声的影响 2759.5.1 透射声波对船舶水下辐射噪声的影响 2759.5.2 声腔共振对船舶水下辐射噪声的影响 2779.6 设备规范载荷下全频段机械噪声计算方法的实验验证 279第10章 船舶机械噪声上下限理论 28410.1 区间分析理论和声振传递函数 28410.2 考虑激励信息缺失的船舶机械噪声上下限理论 28610.3 机械噪声上下限理论的实验验证 290第11章 船舶振动与机械噪声数值预报的能量平均方法 29611.1 振动和噪声能量的叠加原理 29611.2 加速度载荷信息缺失时船舶机械噪声数值预报的能量平均方法 29911.2.1 基于平均加速度载荷的机械噪声预报能量平均方法 29911.2.2 基于合成加速度载荷的机械噪声预报能量平均方法 30011.2.3 加速度载荷信息缺失时机械噪声预报能量平均方法的实验验证 30311.2.4 船舶机械噪声全频段数值预报的能量平均方法 30411.3 加速度载荷信息缺失时船舶振动数值预报的能量平均方法 30511.3.1 船舶振动数值预报的能量平均方法 30611.3.2 船舶振动数值预报的能量平均方法的实验验证 306第12章 船舶舱室稳态空气噪声的数值计算方法 31112.1 舱室中高频稳态噪声统计能量分析数值模型的建立 31112.1.1 统计能量子系统的简化方法 31212.1.2 声学控制措施的建模 31312.1.3 船体质量模型的建立 31712.1.4 PRE-SEA软件辅助船体SEA模型的建立 31812.1.5 激励/边界条件施加及计算 31912.2 舱室噪声贡献率的计算方法 32112.3 船用声学包的优化设计 323第13章 船舶瞬态噪声数值计算的规范方法 32813.1 船舶瞬态噪声数值分析中的时空尺度离散 32813.2 船舶舱室瞬态噪声数值计算的全频段规范方法 33013.2.1 船-船碰撞导致的中高频舱室瞬态噪声数值计算方法 33113.2.2 船-冰碰撞导致的舱室瞬态噪声数值计算的全频段规范方法 33913.3 船-冰碰撞导致的瞬态水下辐射噪声数值计算的全频段规范方法 35213.4 船舶舱室瞬态冲击噪声性能的评价方法 35613.4.1 船舶舱室瞬态冲击噪声性能评价的单因数指标 35713.4.2 邮轮时域ISO撞击器实验及瞬态噪声性能评价方法验证 358第14章 船舶稳态噪声与瞬态噪声的评价标准 36214.1 船舶舱室稳态噪声评价标准 36214.1.1 国际海事组织的舱室噪声评价标准 36214.1.2 国内外船级社的舱室噪声评价标准 36314.1.3 中国军用船舶的舱室噪声评价标准 36714.2 船舶瞬态空气噪声评价标准 36814.2.1 舰上兵器发射导致的瞬态空气噪声评价标准 36914.2.2 舱室瞬态噪声评价标准 36914.3 船舶稳态水下辐射噪声评价标准 37214.3.1 水下辐射噪声附加标志和基本概念 37214.3.2 中国船级社的稳态水下辐射噪声评价标准 37414.3.3 挪威船级社的稳态水下辐射噪声评价标准 378第15章 船舶降噪设计的声振相关性方法 38115.1 船舶声振相关性的评价指标 38115.2 船舶声振相关性分析 38215.3 基于声振相关性分析的船舶降噪设计 38315.3.1 舱段的声振相关性分析及机械噪声抑制示例 38415.3.2 拖轮的声振相关性分析及机械噪声抑制示例 39215.4 船舶噪声计算分析示例 39715.4.1 螺旋桨噪声数值分析 39715.4.2 基于声学有限元法的加肋圆柱壳辐射噪声分析 40915.4.3 基于声学边界元法的加肋圆柱壳辐射噪声分析 42015.4.4 基于统计能量分析法的加肋圆柱壳辐射噪声分析 425参考文献 432
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第1章 基础知识 船舶是由人类设计制造，在江河、湖泊和海洋等水域从事交通运输、生产作业、生活居住及军事活动的水上载运工具，它可分为民船、军船和水下潜航器(潜艇、自主式水下航行器、遥控水下潜器、水下滑翔机及智能浮标)等类型。海洋结构物是人类为在海洋环境中进行各类活动而设计建造的土木及金属建筑物(分为固定式和漂浮式结构)等，如码头、堤坝、浮桥、人工岛、海底空间站、海洋平台、水下生产系统(海底光缆或输油管道)、潮汐发电系统和海上风力发电系统等[1-4]。 结构在扰动载荷作用下围绕某一平衡位置进行的小尺度往复运动称为结构振动，该运动的位移幅值与结构外廓尺寸相比一般小一个量级以上，这是振动与宏观运动的显著区别。对于弹性固体的内部介质，由介质点振动引起的应力与应变的扰动会以波的形式在固体中传播，定义为应力波。应力波分为弹性波、弹塑性波和塑性波等。弹性波按照固体内介质点的振动方向与波自身传播方向之间的关系，可分为纵波、横波、表面波、界面波、Love波和梁板结构中的弯*波等[5，6]。声波是弹性介质中传播压力的变化，是介质内稠密及稀疏的交替过程。声学是研究声波的产生、传播、接收和效应的科学，声场是指弹性介质中有声波存在的区域，弹性介质的存在是声波传播的必要条件。振动与声密切相关，声是由振动而产生的。振动频率在20～20000Hz，可引起人类听觉的声波称为可听声，此时振动源也是声源。噪声是指从生理学、心理学及军事的角度来看，令人不愉快、使人讨厌和烦恼、过响的，妨碍人们生活、工作、学习、休息和对人体健康造成影响或危害的，以及暴露本方舰艇位置的声波[7-9]。 船舶与海洋结构物作为水中漂浮的弹性结构，在航行或作业过程中不可避免受到海洋环境载荷和设备载荷的作用而产生振动。船上振动能量以弹性波的形式向四周传播，通过船体纵骨、壁板、横梁和甲板等传播形成固体声(结构噪声)，向空气中传播形成空气声(舱室或环境噪声)，通过船体湿表面处舷侧外板及空气等向水中传播形成水声(水下辐射噪声)。图1-1给出了运动、振动和噪声的频率区间划分特点[10，11]。 对船舶运输经济性的更高追求，导致现代船舶设计向大型化、高速化和重载化发展。在船舶动力系统的选择上，趋向于功率大、经济性好的低速柴油机，而这类机器的振动强度及辐射声功率远大于常规船舶主机，导致船体振动和舱室噪声的幅值越来越大。过高的振动使船体结构产生较大的动应力，降低船体疲劳寿命及安全性，无法保证船上仪器设备的持久可靠运行。超强度振动会严重影响船上乘客的居住舒适性。长期暴露于高强度振动与噪声环境中，船员的工作效率会受到严重影响，其身体健康会受到损害。 由船舶振动引起的水下辐射噪声是海洋环境噪声的主要组成部分，已成为改变海洋环境噪声的主要因素。海洋环境噪声从20世纪开始持续增长，其中低频段海洋环境噪声从1950年到2005年以每年0.5dB的速度增长，现在仍以每年0.2dB的速度增长。国际航运的快速发展是低频噪声增长的重要原因，与20世纪相比，现如今全球油轮、集装箱船和散货船的数量增加约3倍，吨位增长约6.5倍，大型邮轮和私人游艇的数量也大幅增长。船舶水下辐射噪声污染了海洋声学环境，对海洋生物尤其是哺乳动物及鱼类造成巨大威胁，导致水下通信距离缩短，对交流、觅食、逃避捕食者等产生影响，甚至使海洋生物永久失聪或死亡[12-14](图1-2)。世界各海军强国均发展了大孔径、低频化与多基地的声呐探测立体网络系统，拓展了水声探测的能力和范围，以实现远程和超远程探测、全景监视、多目标跟踪与自动目标识别。为应对此现状，必须使舰艇在10～50kHz，甚至更低频段具有良好的自噪声，自噪声每减小6dB可使敌方被动声呐的探测距离缩短1/2，一旦舰艇自噪声降到90dB，海洋背景噪声就可以完全掩盖舰艇的行踪[15]。 随着绿色船舶设计理念的深入，人类对船舶噪声、振动和舒适性的重视程度不断提高。2012年，国际海事组织(International Maritime Organization，IMO)以MSC.337(91)号决议通过《船上噪声等级规则》。《船上噪声等级规则》对船上舱室噪声提出了严格的要求。2014年，IMO制定了Guidelines for the reduction of underwater noise from commercial shipping to address adverse impacts on marine life(MEPC.1/Circ.833，《减小商业航运水下噪声以解决对海洋生物不利影响的导则》)。2016年，国际标准化组织(International Organization for Standardization， ISO)发布Mechanical Vibration—Measurement of Vibration on Ships—Part5:Guidelines for Measurement， Evaluation and Reporting of Vibration with Regard to Habitability on Passenger and Merchant Ships(ISO 20283-5:2016，《机械振动 船舶振动测量 第5部分：客船和商船适居性振动测量、评价和报告规则》)。随着上述新标准的实施，我国船舶工业在振动与噪声控制方面必然要投入更多的时间与经费[16-18]。 在船舶设计阶段主动对船舶的振动及噪声问题进行预处理，已成为提高船舶减振降噪经济性与高效性的共识。船舶振动和噪声数值计算技术是船舶设计师解决振动噪声问题的**知识，在海洋装备开发中具有广泛应用。 1.1 船舶与海洋结构物的振动 船舶与海洋工程结构的规模一般比较庞大，且承受着复杂载荷(涉及风、浪、流、地震、设备激振力等)作用，因此对它进行振动分析时必须考虑流固耦合(fluid-structure interaction， FSI)难题，并依据深厚的专业理论来评估其安全性和舒适性[19-22]。船舶上常见的振动问题主要包括：船舶在规则波浪中的横摇、纵摇、升沉(垂荡)等稳态周期运动，船舶在由螺旋桨、主机及柴油发电机等动力机械设备产生的周期性扰力作用下发生的局部(艉部、艏部、上层建筑、各层甲板等)或全船稳态强迫振动，船舶在不规则波浪中的瞬态运动，船舶在迎浪航行中受波浪砰击载荷作用下的瞬态强迫振动，横浪运行时大型集装箱船的弹振，液化天然气(liquefied natural gas，LNG)船在航行中由液舱晃荡导致的船体振动，水面舰船和潜艇等在水下爆炸冲击(鱼雷、水下炸弹等)与空中爆炸冲击(导弹、穿甲等)下的结构瞬态响应，极地破冰船连续式或冲撞式破冰过程中船-冰-水形成的冰水固耦合动力学问题，船-船碰撞或船-桥碰撞的系统动力学响应问题，船舶搁浅或触礁灾害下结构响应问题等。海洋工程中常见的振动问题包括：海洋平台或人工岛在规则波浪中的横摇、纵摇、升沉(垂荡)等稳态周期运动，深海立管和半潜式钻井平台在海流中的涡激振动或涡激运动，海啸、台风和高烈度地震等极限灾害载荷作用下海洋平台、潮汐发电系统、水下生产系统、浮式采油船及海上风力发电系统的动力学安全问题，海洋环境载荷与动力机械设备产生的周期性扰力作用下深海采矿系统稳态强迫振动，近海固定式平台与浮冰碰撞动力学响应问题等。 船舶与海洋结构物振动学[23-31]是研究与船舶及海洋结构物的振动特性(固有频率、振型、周期、相位)、海洋环境或船上设备的动载荷、海洋环境或设备的动载荷作用下船舶和海洋工程结构的动力响应(位移、速度、加速度、动应力与动应变)有关的分析原理、分析方法、评估准则、控制方法及振动优化设计等，为改善船舶与海洋工程结构系统在动态载荷环境中的安全性和可靠性提供理论基础的专门学科。 1.1.1 振动系统 系统是多个元素的组合，这些元素之间相互关联、相互影响，构成一个整体。按照受力性质，系统可以分为静态系统和动态系统[32]。人工设计的结构在振动学研究中称为结构系统，如潜艇可视为由环肋、纵骨、圆柱壳、圆锥壳、隔振元件及推进设备等构成的环肋耐压壳结构系统。振动系统是至少包含一个弹性元件和一个质量元件的系统，能够产生弹性和惯性作用，若再包含阻尼元件，则称为有阻尼振动系统。 动力自由度是指确定结构系统在任一时刻全部“质量”的运动所需的*立坐标(广义坐标)数，它与质量有关。静力自由度是指刚体的运动自由度，它由约束条件唯一确定。结构的静力自由度必须等于或小于零(代表静定和超静定)，当其大于零(代表静不定)时，则演化为机构。动力自由度是不包括刚体运动自由度在内的、描述结构(系统)“质量”运动的*立坐标数，它由结构的质量分布唯一确定。*先必须是结构，其次应具有质量，此时才能考虑结构的动力自由度。 结构振动系统分为离散振动系统(也称集中参数系统)、连续振动系统(也称分布参数系统)和离散/连续混合振动系统等三种类型[31-34]。离散振动系统的基本组成单元是质点、刚体、弹性元件和阻尼元件等。任意多个质点的集合称为质点系统，简称质点系，如5质点-7弹簧元件-2阻尼器元件构成的多自由度质点系统。任意多个刚体的集合称为多刚体系统，如*柄-连杆-滑块刚体运动系统。质点系或刚体系的周期或非周期运动的研究对应质点振动学或刚体振动学。连续振动系统的基本组成单元是梁、板、壳、膜、弦和弹性体等，梁、板、壳和弹性体的周期或非周期运动的研究对应弹性体振动学。连续振动系统的振动模型由具有分布质量、分布弹性和分布阻尼的元件组成，如船舶与海洋平台等大型复杂结构，梁、板和圆柱壳体等简单结构。连续振动系统中包含无限多个质量点、弹性元件及阻尼元件，是无限动力自由度系统，也是弹性体系统。连续振动系统与离散振动系统是同一物理系统的两种数学模型，可以通过将连续振动系统简化为有限数量的理想化质点、弹性元件和阻尼元件实现两个系统的转化，如图1-3所示。两种振动系统的关系如表1-1所示[33，34]。 1.1.2 振动控制方程与振动物理量 描述结构系统振动的数学表达式、参数及物理量主要包含振动方程、周期、固有频率、振幅、振型、相位、波长、波数、位移、速度、加速度、动力学响应的时域*线(时程响应*线)、频域*线(频响*线)、动应力和动应变等。对于频率大于1Hz的振动系统，常用频率描述其特性(对应高频低周，周期小于1s)。对于周期大于1s的振动系统，常用周期表示其特性(对应低频高周，频率小于1Hz)。 考虑图1-4所示弹性结构，其结构域为Ω，边界为S(包含位移边界与力边界)，受到体积力张量和面力张量的作用。若结构所受载荷均为不随时间变化的载荷(静载荷)，则可建立小位移弹性结构静力学控制方程组[35]。 小位移弹性结构静力学控制方程组包括15个方程，其中有3个力平衡方程、6个几何方程和6个本构方程，具体如下。 力平衡方程(描述外力-应力关系)： (1-1) 几何方程(描述应变-位移关系)： (1-2) 物理方程(本构方程，描述应力-应变关系)： (1-3) 位移边界条件： (1-4) 力边界条件： (1-5) 式中，和分别为位移张量、应力张量和应变张量；为弹性系数张量；为单位体积的体积力张量；为边界外法向余弦张量；和分别为边界处位移和力载荷；i=1，2，3；j=1，2，3；k=1，2，3。方程中含有15个与时间无关的未知量，分别为3个位移分量、6个应变分量和6个应力分量，它们对应直角坐标系下的位移向量u=、应变向量ε=和应力向量σ =。 采用有限元法(finite element method，FEM)求解上述静力学方程组。图1-4中线弹性体的应变能U为 (1-6) 外力对该线弹性体做功W为
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