船舶振动声学理论和规范计算方法

本书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。全书共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。

2017中国造船学会科技进步二等奖，2017中国船舶重工集团公司科技进步一等奖。

目录
前言
第1章 基础知识 1
1.1 船舶与海洋结构物的振动 3
1.1.1 振动系统 4
1.1.2 振动控制方程与振动物理量 5
1.2 船舶与海洋结构物的噪声 12
1.2.1 声学基本概念与声学物理量 12
1.2.2 船舶与海洋结构物的声场 18
1.2.3 声传播的控制方程 23
1.2.4 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 30
2.1 振动特性和模态正交性 31
2.2 振动特性的数值计算方法 34
2.2.1 瑞利法和瑞利-里茨法 35
2.2.2 子空间迭代法 36
2.2.3 Lanczos方法 37
2.2.4 动力子结构法 37
2.3 连续振动系统的振动模态 39
2.3.1 梁的振动模态 39
2.3.2 板的振动模态 40
2.3.3 圆柱壳的振动模态 40
2.4 声学模态分析 41
2.5 振动响应的数值计算方法 42
2.5.1 展开定理 42
2.5.2 模态叠加法 44
2.5.3 直接积分法 48
2.6 高频振动的统计能量分析法 56
2.6.1 统计能量分析法的原理 57
2.6.2 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 61
3.1 水弹性力学与声弹性力学 61
3.2 流固耦合动力学方程 63
3.3 声固耦合振动声学方程 66
3.3.1 声固耦合振动声学方程的有限元列式 67
3.3.2 声固耦合振动声学方程的边界元列式 69
3.4 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 78
4.1 船舶与海洋结构物在波浪中的往复运动方程 78
4.2 船舶稳态振动数值分析的规范方法 82
4.2.1 船舶总体振动数值分析模型 83
4.2.2 船舶总体振动数值分析的规范方法 85
4.3 船舶局部稳态振动分析 100
4.3.1 局部结构振动分析模型的延伸边界建模方法 100
4.3.2 艉部和上层建筑的振动 101
4.3.3 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 107
5.1 船舶稳态振动的评价标准 107
5.1.1 船舶稳态振动的适居性评价标准 109
5.1.2 船舶稳态振动的结构安全性评价标准 119
5.1.3 船舶稳态振动的设备安全性评价标准 122
5.2 船舶稳态振动的测试 123
5.2.1 船舶总体振动的测试 124
5.2.2 船舶航行振动的测试 125
5.2.3 船舶振动问题的诊断 126
5.3 船舶的抑振设计 127
5.3.1 隔振性能评价指标 127
5.3.2 船舶防振设计 129
第6章 船舶与海洋结构物瞬态振动分析 147
6.1 船舶与海洋结构物高速瞬态振动数值分析 147
6.1.1 空中爆炸及穿甲时舰船瞬态振动数值分析 151
6.1.2 水下爆炸时舰船瞬态冲击响应的数值计算方法 155
6.1.3 设备及人员抗冲击能力评估和设计 159
6.2 船舶与海洋结构物低速瞬态振动数值分析 161
6.2.1 船舶与海洋结构物碰撞的分析方法 161
6.2.2 船-冰碰撞的数值分析 163
6.3 地震作用下海洋结构物瞬态振动数值分析 174
6.3.1 反应谱法 176
6.3.2 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 185
7.1 船舶机械噪声全频段数值计算规范方法 187
7.1.1 低频段船舶机械噪声的规范数值计算方法 190
7.1.2 高频段船舶机械噪声的规范数值计算方法 193
7.1.3 船舶机械噪声全频段数值计算规范方法的实验验证 196
7.2 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 212
7.2.1 水面船舶的流场及水动力噪声、螺旋桨噪声的近似计算 213
7.2.2 多类振动噪声源作用时船舶水下辐射噪声计算方法 215
7.3 考虑自由液面波形的船舶水下辐射噪声计算方法 224
7.3.1 绕流流场的数值模拟 226
7.3.2 考虑自由液面波形的辐射噪声数值计算模型及方法 227
7.3.3 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 231
8.1 解析梯度网格模型的原理 231
8.1.1 基于波动理论的解析梯度网格原理 232
8.1.2 基于振动理论的解析梯度网格原理 234
8.2 基座阻抗计算的解析梯度网格模型 235
8.2.1 解析梯度网格及其计算公式 236
8.2.2 基于解析梯度网格模型的基座阻抗数值计算 237
8.3 基于解析梯度网格模型的船舶机械噪声计算方法 243
8.3.1 船舶机械噪声计算的解析梯度网格模型 243
8.3.2 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 252
9.1 设备振动载荷的特性 252
9.1.1 力载荷与加速度载荷的等效性分析 253
9.1.2 加速度载荷和力载荷对机械噪声计算结果的影响 255
9.2 低频机械噪声计算的规范载荷 257
9.2.1 基于理想加速度载荷的力载荷反演方法 257
9.2.2 基于台架试验加速度载荷的力载荷反演方法 259
9.2.3 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 262
9.3 低频机械噪声计算中规范载荷的实验验证 264
9.3.1 基于理想加速度载荷反演力载荷的实验验证 264
9.3.2 基于台架试验加速度载荷反演力载荷的实验验证 266
9.4 高频机械噪声计算的规范载荷 267
9.4.1 高频机械噪声的计算模型及规范载荷 267
9.4.2 多点等效阻抗的计算方法 270
9.4.3 高频机械噪声的能量平均计算方法 273
9.5 声腔共振作为声激励对船舶机械噪声的影响 275
9.5.1 透射声波对船舶水下辐射噪声的影响 275
9.5.2 声腔共振对船舶水下辐射噪声的影响 277
9.6 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 284
10.1 区间分析理论和声振传递函数 284
10.2 考虑激励信息缺失的船舶机械噪声上下限理论 286
10.3 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 296
11.1 振动和噪声能量的叠加原理 296
11.2 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 299
11.2.1 基于平均加速度载荷的机械噪声预报能量平均方法 299
11.2.2 基于合成加速度载荷的机械噪声预报能量平均方法 300
11.2.3 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 303
11.2.4 船舶机械噪声全频段数值预报的能量平均方法 304
11.3 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 305
11.3.1 船舶振动数值预报的能量平均方法 306
11.3.2 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 311
12.1 舱室中高频稳态噪声统计能量分析数值模型的建立 311
12.1.1 统计能量子系统的简化方法 312
12.1.2 声学控制措施的建模 313
12.1.3 船体质量模型的建立 317
12.1.4 PRE-SEA软件辅助船体SEA模型的建立 318
12.1.5 激励/边界条件施加及计算 319
12.2 舱室噪声贡献率的计算方法 321
12.3 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 328
13.1 船舶瞬态噪声数值分析中的时空尺度离散 328
13.2 船舶舱室瞬态噪声数值计算的全频段规范方法 330
13.2.1 船-船碰撞导致的中高频舱室瞬态噪声数值计算方法 331
13.2.2 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 339
13.3 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 352
13.4 船舶舱室瞬态冲击噪声性能的评价方法 356
13.4.1 船舶舱室瞬态冲击噪声性能评价的单因数指标 357
13.4.2 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 362
14.1 船舶舱室稳态噪声评价标准 362
14.1.1 国际海事组织的舱室噪声评价标准 362
14.1.2 国内外船级社的舱室噪声评价标准 363
14.1.3 中国军用船舶的舱室噪声评价标准 367
14.2 船舶瞬态空气噪声评价标准 368
14.2.1 舰上兵器发射导致的瞬态空气噪声评价标准 369
14.2.2 舱室瞬态噪声评价标准 369
14.3 船舶稳态水下辐射噪声评价标准 372
14.3.1 水下辐射噪声附加标志和基本概念 372
14.3.2 中国船级社的稳态水下辐射噪声评价标准 374
14.3.3 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 381
15.1 船舶声振相关性的评价指标 381
15.2 船舶声振相关性分析 382
15.3 基于声振相关性分析的船舶降噪设计 383
15.3.1 舱段的声振相关性分析及机械噪声抑制示例 384
15.3.2 拖轮的声振相关性分析及机械噪声抑制示例 392
15.4 船舶噪声计算分析示例 397
15.4.1 螺旋桨噪声数值分析 397
15.4.2 基于声学有限元法的加肋圆柱壳辐射噪声分析 409
15.4.3 基于声学边界元法的加肋圆柱壳辐射噪声分析 420
15.4.4 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