流激圆柱声辐射：实验信息驱动降阶建模与接收端振动-压力传递路径表征

《Applied Ocean Research》：Acoustic radiation of a flow-excited circular cylinder: experiment-informed modelling and receiver-side transfer-path characterisation

　　

振动圆柱结构的水下声辐射在海洋工程、管道监测和水下噪声控制中具有实际重要性。本研究开发了一种实验信息驱动的降阶水动力-振动-声学（hydro-vibro-acoustic）框架，用于描述从水动力激励到结构响应并最终至辐射声的路径。水动力激励模型采用静止圆柱测量进行参数化，而结构动力特性由弹性安装圆柱的自由振动测量获得。所得结构响应用于确定壁面法向振动速度，该速度随后作为频域声辐射模型的输入。由此，从激励到振动及声辐射的链条在统一的降阶框架内得到表征。进一步引入一项独立的水下圆柱壳实验，以在受控谐波激励下表征接收端振动-压力传递行为。在该实验中，在100至5000 Hz的谐波激励下同时测量壳体振动响应和水听器压力信号。开展频域分析，包括功率谱密度（PSD）、声压级（SPL）、窄带峰值提取、相干（coherence）、频率响应函数（FRF）以及局部振动-压力传递指标，以表征所测振动-压力关系。结果表明，在测试谐波激励条件下，主导振动峰与水听器压力峰在频率上紧密对齐，偏差<0.3 Hz。在激励频率处通常接近1的高相干值表明，在确定性谐波激励下，所测局部壳体振动与水听器压力之间存在强线性关联。实验推导的振动-压力传递函数进一步表现出明显的频率依赖性。此外，局部振动-压力传递指标随频率显著变化，表明仅凭局部振动幅值无法推断所测压力响应。因此，壳体实验提供了接收端振动-压力传递路径的独立实验表征，而非对流动激励圆柱声辐射模型的直接验证。据此，流动激励圆柱的建模声响应被解释为实验信息驱动的估计，本研究主要关注其趋势而非绝对声压级。

圆形圆柱是海洋与水下工程中的常见结构形式，见于管道、立管、系泊部件和保护壳等。非定常流作用下圆柱可发生显著振动并产生可测水下声。既有研究已阐明涡激振动/流致振动（VIV/FIV）的水动力系数、锁定（lock-in，响应频率与涡脱落同步）行为、振幅发展及响应对约化速度和质量-阻尼参数的依赖，也通过解析、数值边界方法和结构-声耦合方法研究振动结构声辐射。问题在于，降阶建模中水动力与声学常被分开处理：水动力研究多关注结构响应，声学研究常把结构振动场作为给定输入而不追溯其水动力来源；流激振动实验与降阶声辐射建模之间存在实际缺口。对水下圆柱结构，需将实验表征的水动力载荷和结构响应以透明可追踪的降阶流程连接到声辐射模型，而同时测量非定常流激励、结构振动和水下声压的完整链条在受控条件下很困难。由于缺乏端到端测量，流激声预测不能直接用实测流致声验证；因此可用现有实验分别提供建模链不同部分的输入，并独立表征接收端振动-压力关系，同时明确各数据集范围。研究人员因此建立并评估实验信息驱动的降阶框架，以估计流激圆柱声辐射趋势，并关注频域特征，包括主导谱峰、相干、实验推导的振动-压力传递行为及局部振动-压力传递指标。

技术方法方面，数据来源包括荷兰代尔夫特理工大学水槽圆柱水动力试验和中国哈尔滨工程大学消声水池水下双圆柱壳试验。圆柱直径D=0.04 m、长度L=0.375 m、L/D≈9.4，淡水密度1000 kg/m³；静止试验流量30–60 L/s，自由振动由总刚度340 N/m弹簧连接，振荡质量4.812 kg，质量比≈2.55，湿固有频率为1.3105、1.3419、1.3320 Hz，湿阻尼比ζ=0.00622，激光测横向位移、load cells测水动力。壳试验模型长2.3 m，外/内壳半径2.0/1.6 m、壁厚5/14 mm，钢材，18个外表面水密加速度计、3个B&K 8105水听器F1–F3，内部电磁激振器施加单频谐波，频率按1/3倍频程从100至5000 Hz共18例，采样20 kHz、记录20 s。频域处理采用Welch功率谱密度（PSD，描述信号功率随频率分布）、Hann窗、32768点、50%重叠，窄带±10 Hz提取，并计算相干（coherence，衡量两信号频域线性关联）、频率响应函数（FRF，输出与输入之比）及局部振动-压力传递指标。

研究结果如下。4.1 Identification of hydrodynamic and structural parameters：静止裸圆柱试验Re约7.7×10³–1.77×10⁴，C′_L约0.102–0.145，St通常约0.2（逐次约0.165–0.259）；自由衰减和自由振动试验给出f_n,w、ζ及按A^*>0.1操作识别的锁定区间，如U_r约4.673–7.697、5.483–7.490、4.888–7.753；锁定内有效激励频率f_e取实测结构响应频率，锁定外取St关系。该计算为实验条件化估计，而非样本外完全预测。4.2 Experiment-Informed estimate of flow-induced acoustic radiation：由实验信息驱动链得到相对声压级随U_r的趋势，三次试验中声响应在锁定区间升高并在实测A^*较大处最高，锁定外随振动减弱而降低；因采用单向结构-声耦合，变化反映结构响应幅值、频率及频变声辐射关系，不独立解析力相位变化或声反馈。敏感性分析表明，静止圆柱C′_L逐次变化使峰值建模振幅变化约8–17%，ζ±20%使峰值振幅变化约7–12%，而峰值U_r位置不变；直接使用静止圆柱C′_L不能定量重现实测锁定振幅，应视为实验信息驱动力参数。4.3 Experimental characterisation of the receiver-side vibration-to-pressure transfer：18个激励案例中，主导壳体加速度峰与水听器压力峰频率对齐，偏差<0.3 Hz；激励频率处相干常>0.95并接近1，表明确定性谐波激励下强线性频域关联，但非唯一因果路径证据；实验推导加速度-压力传递幅值随频率显著变化，说明该壳-水听器构型下振动-压力关系频变；局部指标I_vp和I_ap随频率显著变化，表明压力不能由单一位置振动幅值经频不变比例推断。高频处指标大值需谨慎，因振动分母小，不能据此说明总辐射声功率或全局辐射效率增加；这些指标是构型特定局部传递强度，不是经典声辐射效率。4.4 Implications for the integrated framework：两个数据集角色互补，水动力试验参数化流激圆柱计算，壳试验独立表征接收端振动-压力行为；因几何、结构动力学、激励机制和频段不同，壳测量不用于定量验证圆柱声模型。无单一实验同时测非定常水动力、结构响应和辐射声压，故完整流-声链未直接验证。框架局限包括单自由度（SDOF）刚性横向运动、全跨相干主导谐波力近似、未含宽带湍流激励、分布式结构模态和声反馈；声计算采用自由空间速度源近似，主要用于相对低频趋势而非绝对声级预测；壳局部指标依赖离散传感器位置和小振动分母，不能替代基于完整振动场与总辐射声功率的辐射效率评估。讨论表明，该框架提供透明的实验信息驱动路径以估计相对声趋势，壳实验补充接收端表征而非直接验证，并形成可逐步纳入更多测量、分布式模型或直接流致声观测的模块化基础。

研究结论部分翻译如下：本研究建立并评估了实验信息驱动的降阶框架，用于估计与圆柱流致振动相关的水下声辐射趋势。该框架在统一表述中连接水动力激励、结构响应和声辐射，并由实验测量量参数化。两个互补实验数据集分别为流激圆柱计算提供参数和结构响应信息，以及独立壳实验在受控谐波激励下表征局部结构振动与水听器压力之间的接收端关系。水动力实验提供激励和结构响应模块的参数：静止圆柱试验给出St和C′_L，自由衰减和自由振动试验给出湿固有频率、阻尼比和实验识别锁定区间；锁定区内有效激励频率由实测结构响应指定，因此计算为实验条件化而非样本外完全预测。建模相对声响应在高振幅振动区增加，并在区外随振动减弱而降低；敏感性分析显示响应幅值受传递的静止圆柱C′_L和假定结构阻尼影响，而所考察参数变化下峰值U_r位置不变。独立水下壳实验在100–5000 Hz提供补充接收端表征：18个案例中主导壳体加速度与水听器压力分量频率紧密对齐，差异<0.3 Hz；激励频率处加速度-压力相干通常高，表明确定性激励下强线性频域关联；实验推导局部加速度-压力传递幅值随频率显著变化，说明测试构型下振动-压力关系频变，且这些壳特定量未与流激圆柱模型传递关系H(f)等同。局部指标I_vp和I_ap随频率强烈变化，表明局部振动与水听器压力比在测试频带内不恒定；因由离散振动测量和固定接收位置压力构建，代表构型特定局部传递强度而非经典声辐射效率；最高频处增加伴随局部振动水平小，故对归一化分母敏感，应解释为局部传递比大而非总辐射声功率或全局辐射效率增加。局限包括单一刚性横向自由度、全跨相关主导谐波力上相干近似、未含宽带湍流、分布式模态和声反馈，以及自由空间速度源近似仅用于相对低频趋势；壳局部指标对传感器位置、模态空间变化、接收位置和小振动分母敏感，不能替代基于完整振动场和辐射声功率的辐射效率评估。在此范围内，所提框架提供透明实验信息驱动方法估计圆柱实测流致振动相关相对声趋势；水动力测量建立降阶圆柱计算实验输入，独立壳测量补充接收端振动-压力行为表征，并为未来纳入额外测量、分布式结构模型或直接流致声观测以逐步检验和扩展流-振动-声链各组件提供模块化基础。