基于共振声谱法的海水声速测量技术研究

发布时间：2020-04-30 00:30

【摘要】： 共振声谱法是测量海水声速的一种基本的、不太成熟且具有发展前景的测量方法。本文针对共振声谱法测量海水声速中所存在的关键问题进行了探讨,率先引入有限元法对共振声谱法测量海水声速的关键问题进行数值仿真分析,首次提出流固耦合效应对声速测量精度的影响。本文首先建立圆柱体谐振腔的数学模型并从波动理论出发,利用分离变量法,建立空腔的声压解析式,从而得到空腔体的共振频率表达式,然后通过SYSNOISE建立了谐振腔体的有限元流体模型,并对其进行了声模态分析,得到腔体的谐振频率,结果表明仿真得到的谐振频率与理论推导得到的谐振频率完全吻合。然后建立起腔体的有限元结构模型,利用MSC.NASTRAN对其进行结构模态分析,并在SYSNOISE中建立起结构和流体的耦合模型并进行模态分析,得到耦合后的谐振频率,从而分析了耦合效应对圆柱体谐振腔共振频率的影响。在进行模态分析的基础上计算了信号源激励下谐振腔体的内部声场,得到了内部接收点的声压频谱图。本文还研究了不同尺寸的共振腔的耦合模态,研究其对共振声谱法测量海水声速的精度的影响,并给出数值模拟结果和讨论,从而为实际选择谐振腔提供指导意见。最后设计了共振声谱法测量海水声速的实验系统。此外,本文还建立了包含单个大颗粒的悬浮物的谐振腔有限元模型,通过仿真分析发现悬浮颗粒的存在对谐振频率影响很小。 因此,采用共振声谱法测量海水声速时,主要的误差来源之一是共振腔的流固耦合效应,其与共振腔的结构、尺寸和材料属性紧密相关,这一结论对于海水声速测量的研究意义非常重大。
【图文】：

图 2.2 圆柱体谐振腔示意图模型的建立处理软件 HYPERMESH 中对腔体中的海水的面网格，网格类型为四边形和三角形混合下端盖的面网格形成如图 2.3 所示的声学体网

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文图 2.2 圆柱体谐振腔示意图2.3.2 腔体有限元模型的建立在通用有限元前处理软件 HYPERMESH 中对腔体中的海水介质进行网格划分，首先划分下端盖的面网格，网格类型为四边形和三角形混合网格，以四边形为主。然后通过拉伸下端盖的面网格形成如图 2.3 所示的声学体网格。图 2.3 声学体网格及剖面图2.3.3 声模态求解在 SYSNOISE 中计算声学模态，必须使用 FEM Fluid(有限元流体)模型。通过NASTRAN 接口导入腔体声场有限元模型，定义好材料属性，即流体中的声速为1500m/s，密度为 1030kg/m3，，然后采用 block lanczos 法(即分块兰索斯)进行求解。第 14 页
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：P733.2

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本文编号：2645174