有界水域中水介質與航行體表面或水流邊界面之間相對運動而產生的隨機聲音。
基本介紹
- 中文名：水動力噪聲
- 外文名：hydrodynamic noise
正文,
正文
有界水域中水介質與航行體表面或水流邊界面之間相對運動而產生的隨機聲音。海洋中水面艦船、潛艇和魚雷等在航行時產生的水下噪聲既為敵方聲納提供信息，危及自身安全，又對本身所載的水聲設備構成自噪聲干擾，限制了海軍裝備的性能。聲音的傳播依賴於介質的壓縮性，通常水中聲速約為空氣中聲速的4.4倍。因此，水動力噪聲的傳播速度比水中航行體的航速大得多。隨著各種新型艦船、水下武器和觀通設備的發展，研究和降低水動力噪聲日益具有重要性。研究水中航行體引起的水動力噪聲的形成機理、輻射效率及其時間和空間統計特性，以便抑制、檢測和識別各類水動力噪聲，是水聲學的一項內容。
水動力噪聲發聲機理主要有三種噪聲源模型：單極子聲源模型、偶極子聲源模型和四極子聲源模型。它們所表示的源運動、流場特徵、聲場指向性和聲輻射效率見圖。現就三種典型水動力噪聲源模型說明於下： ①單極子聲源模型 流體體元作膨脹和收縮的周期性脈動，引起周圍介質相對於體元的擴散和聚集運動。由於介質的可壓縮性，介質密度產生稠密和稀疏的周期性變化,這種變化以波動的形式向體元外均勻傳播,形成聲波。流場圖以“+”號表示體元膨脹的半周期脈動,箭頭方向表示周圍介質擴散運動的方向。聲場圖中以“+”號表示聲源在周圍介質中產生密度稠密的波動向外傳播。當體元處於收縮半周期時，流場以“-”號表示,箭頭朝向體元，表示周圍介質向體元聚集的運動方向。相應地聲場圖以“-”號表示,說明聲源在周圍介質中產生密度稀疏的波動向外傳播。為了簡明起見，下圖所列單極子聲源的流場和聲場圖僅表示體元在膨脹半周期內的流場和聲場。
②偶極子聲源模型 流體質量元在外力作用下質心作周期性的擺動。在上半周期，質心和周圍介質按箭頭方向運動。在下半周期，運動的方向相反。介質的運動同樣引起密度的變化,以波動的形式向周圍傳播,形成具有指向性的聲場。聲場圖中“+”號表示密度稠密,“-”號表示密度稀疏。顯然，在質心經歷一個周期擺動期間，聲場在上、下半周期內“+”、“-”號發生一次相反的變化。上圖所列僅為質心在半周期內的流場和聲場，在另外半周期內則情形相反。
水動力噪聲發聲機理主要有三種噪聲源模型：單極子聲源模型、偶極子聲源模型和四極子聲源模型。它們所表示的源運動、流場特徵、聲場指向性和聲輻射效率見圖。現就三種典型水動力噪聲源模型說明於下： ①單極子聲源模型 流體體元作膨脹和收縮的周期性脈動，引起周圍介質相對於體元的擴散和聚集運動。由於介質的可壓縮性，介質密度產生稠密和稀疏的周期性變化,這種變化以波動的形式向體元外均勻傳播,形成聲波。流場圖以“+”號表示體元膨脹的半周期脈動,箭頭方向表示周圍介質擴散運動的方向。聲場圖中以“+”號表示聲源在周圍介質中產生密度稠密的波動向外傳播。當體元處於收縮半周期時，流場以“-”號表示,箭頭朝向體元，表示周圍介質向體元聚集的運動方向。相應地聲場圖以“-”號表示,說明聲源在周圍介質中產生密度稀疏的波動向外傳播。為了簡明起見，下圖所列單極子聲源的流場和聲場圖僅表示體元在膨脹半周期內的流場和聲場。
②偶極子聲源模型 流體質量元在外力作用下質心作周期性的擺動。在上半周期，質心和周圍介質按箭頭方向運動。在下半周期，運動的方向相反。介質的運動同樣引起密度的變化,以波動的形式向周圍傳播,形成具有指向性的聲場。聲場圖中“+”號表示密度稠密,“-”號表示密度稀疏。顯然，在質心經歷一個周期擺動期間，聲場在上、下半周期內“+”、“-”號發生一次相反的變化。上圖所列僅為質心在半周期內的流場和聲場，在另外半周期內則情形相反。
③四極子聲源模型 流體體元受到周期性的剪應力的作用產生周期性的應變。剪應力成對出現，體元周圍介質的運動可以看作是由兩個反向排列的偶極子引起的。箭頭方向表示體元周圍介質在半周期內的運動方向，在另一半周期內則方向相反。聲場具有更為複雜的指向性，“+”、“-”號同樣表示介質密度的稠密和稀疏波動，在另一半周期內，聲場的“+”、“-”號相反。圖中所列僅為在半周期內四極子聲源的源運動和聲場。
上述三種典型聲源模型的聲場圖中，聲場中心至圖上各點的矢徑幅值形象地表征了各該聲場中聲壓的相對幅值。1952年英國M.J.萊特希爾導出了具有體積源、力源和剪應力源的聲場普遍方程：
上述三種典型聲源模型的聲場圖中，聲場中心至圖上各點的矢徑幅值形象地表征了各該聲場中聲壓的相對幅值。1952年英國M.J.萊特希爾導出了具有體積源、力源和剪應力源的聲場普遍方程：
式中x為聲源區中場點的位置矢量;
(i=1,2,3)為x的坐標分量；p(x,t)為t時刻x處的聲壓；
為流體介質中的聲速；Q(x,t)為t時刻x處每單位時間內注入單位體積流體中的質量；F(x,t)為t時刻x處每單位時間內注入單位體積流體中的動量；Tij為萊特希爾剪應力張量。
上式右邊第一項表示流體介質中的體積（或質量）脈動，是典型的單極子聲源，這種聲源的輻射效率最高。水中空化氣泡在脈動（尤其是潰滅）時產生的空化噪聲，水滴潑濺後形成氣泡在脈動時的輻射噪聲，船體殼板撓曲振動以及船體表面開孔和排氣管末端流體脈動所產生的噪聲等均屬於單極子聲源。第二項表示流體脈動力作用在剛體上並使它振盪所產生的噪聲，屬於偶極子聲源，其輻射效率僅次於單極子，例如，剛性桿和球的位移振盪所輻射的噪聲，螺旋槳槳葉振盪推力引起的噪聲，尾流中旋渦發放引起的槳葉鳴聲，以及湍流邊界層輻射聲等均屬於偶極子聲源。第三項表示應力聲源，存在於湍流渦旋中，是一種四極子聲源。這種聲源包括發生在流體邊界上的動量通量脈動（雷諾應力）和粘性應力，也包括可以發生在流體內部的熱傳導和非線性效應產生的應力。水中四極子的聲輻射通常是微弱的，除非渦旋中包含空化氣泡和渦旋運動馬赫數很高。這三種聲源並不是孤立存在的，在一定條件下可以互相轉化。例如，流體脈動力可以激發彈性邊界的撓曲振動，從而導致單極子型聲輻射。
水動力噪聲作為隨機過程，可以用聯合機率分布函式來描述。除研究它的時間域統計特性（如功率譜密度和時間相關函式）以外，為了了解各種聲源模型之間的相互關係以及它們與振動源之間的因果關係，尚須研究它們的空間相關函式以及相應的互相關函式和相干函式。
水動力噪聲是一門實驗性很強的綜合性研究領域。這方面的研究工作固然同聲學的有關分支學科、液體動力學、機械振動學、海洋學、分子物理學以及無線電電子學等學科的進展密切相關，同時也有賴於實驗技術的不斷提高和實驗設備、測試儀器的不斷改進。噪聲測量水聽器是測量水動力噪聲的重要工具。
上式右邊第一項表示流體介質中的體積（或質量）脈動，是典型的單極子聲源，這種聲源的輻射效率最高。水中空化氣泡在脈動（尤其是潰滅）時產生的空化噪聲，水滴潑濺後形成氣泡在脈動時的輻射噪聲，船體殼板撓曲振動以及船體表面開孔和排氣管末端流體脈動所產生的噪聲等均屬於單極子聲源。第二項表示流體脈動力作用在剛體上並使它振盪所產生的噪聲，屬於偶極子聲源，其輻射效率僅次於單極子，例如，剛性桿和球的位移振盪所輻射的噪聲，螺旋槳槳葉振盪推力引起的噪聲，尾流中旋渦發放引起的槳葉鳴聲，以及湍流邊界層輻射聲等均屬於偶極子聲源。第三項表示應力聲源，存在於湍流渦旋中，是一種四極子聲源。這種聲源包括發生在流體邊界上的動量通量脈動（雷諾應力）和粘性應力，也包括可以發生在流體內部的熱傳導和非線性效應產生的應力。水中四極子的聲輻射通常是微弱的，除非渦旋中包含空化氣泡和渦旋運動馬赫數很高。這三種聲源並不是孤立存在的，在一定條件下可以互相轉化。例如，流體脈動力可以激發彈性邊界的撓曲振動，從而導致單極子型聲輻射。
水動力噪聲作為隨機過程，可以用聯合機率分布函式來描述。除研究它的時間域統計特性（如功率譜密度和時間相關函式）以外，為了了解各種聲源模型之間的相互關係以及它們與振動源之間的因果關係，尚須研究它們的空間相關函式以及相應的互相關函式和相干函式。
水動力噪聲是一門實驗性很強的綜合性研究領域。這方面的研究工作固然同聲學的有關分支學科、液體動力學、機械振動學、海洋學、分子物理學以及無線電電子學等學科的進展密切相關，同時也有賴於實驗技術的不斷提高和實驗設備、測試儀器的不斷改進。噪聲測量水聽器是測量水動力噪聲的重要工具。
