学术前沿 | 水下声波导中振动三维圆柱壳的近场和远场辐射声压

在一个完美的水下声学波导中，提出了一种预测振动三维无限长薄圆柱壳体近场和远场压力的分析方法。选择点力激励，尽管也可以应用其他确定性激励，如单极源。该模型最初由完全耦合的流体-结构方程组成，其中圆柱壳的运动由弗吕格壳方程描述，流体介质由亥姆霍兹方程建模。图像源方法为波导区域施加边界条件，格雷夫的加法定理用于协调图像源的不同坐标系统。最终，计算压力涉及确定频谱压力系数并将其代入声压积分中，该积分可通过直接数值积分方案进行计算。该方法适用于流体域中所有点，但通常计算代价高昂，仅适用于近场压力。采用静止相位近似法简化远场接收点的计算，从而使运行时间提高了两个数量级。通过与相应的有限元法（FEM）的比较，已经证明直接数值积分声压积分表达式可以产生准确的结果。此外，通过与文献、相应的二维边界元法（BEM）和直接数值积分结果的比较，验证了静止相位法，并在特定条件下可以应用该方法。通常情况下，只有在非常远的距离上，静止相位法才能用于整个轴向指向性结果的范围。

示例说明壳体-波导系统将表现出“驻波效应”，其中壳体与波导模式耦合。 将点力激发壳体（即三维壳体）与线力激发壳体（简化为点力激发的二维壳体）进行比较时，低频段的声压谱形状相似，高频段的声压谱形状相似，但相差约dB。 这可以用二维波导中传播的圆柱波与三维波导中传播的球面波之间的差异来解释。 还展示了所谓的“镜像效应”模型与当前完全耦合模型之间的比较，以验证Kha等人[15]在文献中观察到的两个模型之间的差异。 关于远场压力，结果与DNI进行了验证，并与镜像效应模型进行了比较，以展示预测轴向指向性的差异。 通过比较不同流体域配置（包括完美的水下波导（即浅水）、只有自由表面的流体域、只有刚性地板的流体域和无声自由场（即无限大海））中远离壳体处的声压纵向分布，展示了“波导效应”。