基于表面贡献法的船壳远场声辐射热区识别

基于表面贡献法的船壳远场声辐射热区识别船壳在波浪条件下的远场声辐射问题一直是海洋工程领域的研究热点。对于正确识别船壳远场声辐射热区，不仅有助于减小船舶的噪声污染，更能提高海洋工程设施的可靠性和安全性。

表面贡献法是一种广泛使用的船壳远场声辐射分析方法，其中关键的一步就是要正确识别船壳远场声辐射的热区。所谓热区，就是表明哪些位置的船壳表面在远场声辐射中贡献较大，是需要特别关注的区域。

具体地说，在表面贡献法中，我们需要先将船壳表面划分为若干个小面片，然后根据能量守恒定律将每个小面片的声功率贡献累加到相应的远场声压计算点上。这样，我们就可以得到各个远场声压计算点的声压值，从而描绘出整个远场声场的分布。

而如何识别船壳远场声辐射的热区，则需要对船壳表面各个小面片的声功率贡献进行评价。通常情况下，我们采用平均能量法（EnergyAverageMethod）来评价每个小面片的声功率贡献。

平均能量法是指在评价每个小面片的声功率贡献时，要将该小面片受到的所有入射波能量进行平均，并以这个平均值作为声功率贡献。这实际上相当于将入射波均匀地分布在该小面片上，从而避免了对入射波方向的依赖。

在实际应用中，我们通常会将船壳表面划分成数百个小面片甚至上千个小面片，然后使用平均能量法评价每个小面片的声功率贡献。最后，我们会将所有贡献值按大小排序，选取前若干个排序值较大的小面片作为船壳远场声辐射的热区。

需要注意的是，由于不同方向的入射波对于船壳表面的声功率贡献是不同的，因此要对不同方向的入射波分别进行平均能量法计算，最后再将各个方向的贡献加总。此外，在评价小面片的声功率贡献时，考虑到声功率密度随距离的衰减关系，通常还需要对贡献值进行一定的修正。

综上，通过表面贡献法识别船壳远场声辐射热区，需要使用平均能量法评价每个小面片的声功率贡献，考虑到不同方向的入射波对于贡献的影响，还需要对各个方向的贡献加总并进行一定的修正。这样得到的热区分布图能够直观地反映出船壳远场声辐射的强度分布，为船舶噪声控制和海洋工程设施安全提供了有力的支持。为了具体说明表面贡献法在船壳远场声辐射热区识别上的应用，我们可以列出一些实际数据并进行分析。

假设我们有一艘长140米、宽20米、吃水5米的船，其表面划分为1000个小面片。同时，我们考虑船只在瞬态波浪条件下的声辐射情况，采用时域解法进行声场计算。根据表面贡献法，我们对每个小面片的声功率贡献进行评价，以此识别出该船壳远场声辐射的热区。

经过计算，我们得到了如下数据：

1.各个小面片的声功率贡献（以W为单位），排列如下表：

|序号|小面片编号|声功率贡献|

|------|------------|------------|

|1|562|0.12|

|2|748|0.10|

|3|951|0.08|

|4|658|0.07|

|5|315|0.05|

|...|...|...|

2.船壳远场声压计算点上的声压值（以dB为单位），共计100个点，排列如下表：

|序号|坐标（x,y,z）|声压值（dB）|

|------|----------------|--------------|

|1|(500,0,500)|70.2|

|2|(500,0,1000)|68.3|

|3|(1500,0,500)|72.1|

|4|(1500,0,1000)|71.5|

|...|...|...|

基于上述数据，我们可以进行如下分析：

1.热区的划分：根据小面片的声功率贡献进行排序，选取前10%的小面片作为热区。在本例中，前100个小面片的声功率贡献之和占总功率贡献的73%，因此我们选取前100个小面片作为热区。这些小面片主要集中在船首、船尾和船底周围的区域，这也符合我们对船舶噪声来源的基本认识。

2.声压分布图的绘制：将船壳远场声压计算点的坐标和声压值绘制在三维坐标系中，可以得到具有空间分辨率的声压分布图。结合热区数据，我们可以从分布图中看出哪些区域的声压较高，进而找到噪声污染的来源。

3.同方向和不同方向入射波的影响：我们还可以分别计算船壳表面在同方向和不同方向入射波下的声功率贡献，并比较它们的差异。这样能够更全面地了解入射波对船壳表面声功率贡献的影响，对改进表面贡献法计算方法具有参考意义。

总之，基于现有数据进行分析，可以更深入地理解表面贡献法在船壳远场声辐射热区识别中的应用。这些分析结果对于指导船舶设计和噪声治理具有重要意义。为了说明表面贡献法在实际工程中的应用，我们可以结合一个声波从某个物体表面反射的案例进行分析。假设我们要对该物体表面进行声场计算，考虑使用表面贡献法进行评价。

首先，我们需要将物体表面分成多个小面片，并对每个小面片的声功率贡献进行评价。具体来说，我们可以利用计算机模拟，在每个小面片上施加一个单位声压的点源，然后计算在某个远场声压计算点上该点源施加的声功率。重复操作，得到所有小面片在该远场点上的声功率贡献，就可以得到物体表面在该频率下的总声功率贡献。

接下来，我们可以根据小面片的声功率贡献进行排序，选取前10%的小面片作为热区。然后，我们将热区的信息投影到物体表面上，就可以得到该物体表面的声功率分布情况。结合远场声压计算点的位置和表面声功率分布情况，就可以得到该物体在各个方向上的声压分布情况。

为了更直观地了解表面贡献法的应用效果，我们可以通过仿真模拟来进行评价。假设有一带有凸起表面的物体，其声压反射阵面如下图所示：

[图1：物体表面往返声压反射阵面示意图]

假设我们在阵面后方某个远场点上进行声压计算，并采用表面贡献法进行评价，得到其声功率分布情况如下图所示：

[图2：物体表面声功率分布情况]

可以看出，物体表面凸出部分的声功率贡献明显大于表面其他部分。根据表面贡献法的原理，我们可以判断，这些凸出部分是该物体表面远场声辐射的热区。我们将这些热区信息投影到表面上，得到该物体表面的声功率分布情况如下图所示：

[图3：物体表