水下航行器声通讯安装结构涡流噪声分析

　　孔腔及凸体作为水下航行器表面的常见结构，流体流经这些结构时产生的涡流噪声对搭载在水下航行器上的声学仪器的信号精度有不容忽视的影响.Howe[1]研究了低马赫流体流经方形空腔的发声机制，指出非定常压力脉动构成的偶极子声源是空腔流噪声的主要声源;张楠等[2-3]对空腔流激噪声预报进行了研究和相关验证工作，确定了大涡模拟方法和FW-H 声学类比方法对空腔流噪声预报的适用性;王玉等[4]探讨了腔体形状对涡流噪声的影响;衣云峰等[5]对圆柱腔体的流激振荡特性进行了理论和实验研究，指出了圆柱形腔体在空气、水2种介质中流激振荡特性的共同点和差别;龙双丽等[6-7]基于大涡模拟和声类比方法研究了圆柱绕流气动噪声的特性，指出在垂直于来流的圆柱两侧具有偶极子特性，圆柱绕流形成的卡门涡街是其主要声源.通过诸多学者的努力，虽然对单独孔腔或凸体结构涡流噪声的研究已取得了丰硕成果，但是对于孔腔、凸体组合结构的涡流噪声却少有研究.

　　笔者以天津大学研制的深水自治式水下航行器(autonomous underwater vehicles，AUV)上搭载的声通讯调制解调器的安装结构为研究对象，将其安装结构抽象为孔腔、凸体组合结构，采用大涡数值模拟-Lighthill 等效声源法，通过对该组合结构周围流场及声场的分析，探讨不同组合方案下凸体与孔腔组合结构的涡流噪声机制，为声通讯的安装结构设计提供理论参考.

　　1 物理模型简化

　　声通讯调制解调器是一种利用海水作为介质来进行点对点通信的水下声通信系统，利用它来实现深水AUV和母船之间的数据交换和指令收发.水下噪声是影响其信号精度的主要因素.水下航行器噪声源主要包括螺旋桨噪声、水动力噪声以及机械噪声.由于本文研究的深水AUV航速较慢，且总长为7.8,m，因此机械结构噪声及螺旋桨声对声通讯的精度几乎不会产生影响.所以声通讯周围的流体流动产生的水动噪声是影响其信号精度的主要噪声源.

　　图1为本文研究的深水AUV模型及声通讯调制解调器安装结构.如图1所示，通过在 AUV 壳体表面开一孔腔，将声通讯调制解调器的一端安装固定在AUV内部，另一端(收发信号端)通过孔腔与水接触;同时，声通讯周围还安装有其他凸出结构，如天线、频闪灯等.水流流过声通讯及这些凸体结构，产生的近场流动噪声对声通讯的信号精度影响很大.

　　优化声通讯周围的凸体结构布局及声通讯本体安装结构是提高其信号精度的唯一方法.刘同辉等[8]对于声通讯周围结构的优化布局进行了较为详细的探讨，因此，在深水AUV模型中，假定声通讯周围的凸体结构产生的水动噪声对声通讯的影响可忽略不计，以提高计算效率.