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文档简介

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 潜艇声隐身性能历来是世界各国海军关心的重要问题。在潜艇表面敷设消声 瓦,是潜艇声隐身中广泛采用的一项重要技术。水声吸声材料是消声瓦的关键部 分,通常是指含有各种散射粒子以及声学结构的复合高分子材料。综合利用材料 改性和声学结构设计,提高水声吸声材料的吸声性能,特别是低频吸声性能,对 提高潜艇的声隐身性能具有重要的现实意义。近年来,声子晶体概念的提出为水 声吸声材料的设计提供了一条新思路。 声子晶体是具有弹性波带隙特性的周期性复合材料或结构。弹性波在声子晶 体中传播时,落在带隙频率范围内的弹性波被禁止传播;当声子晶体存在缺陷时, 弹性波会被局域在缺陷处或只能沿缺陷方向传播。对声子晶体的研究可以深入揭 示材料或结构内部弹性波的传播规律,进而实现对弹性波传播的控制,因而具有 重要的理论和应用价值。 本文以潜艇声隐身对水声吸声材料的应用需求为牵引,在国家重大基础研究 ( 9 7 3 ) 项目的资助下,将声子晶体理论引入到水声吸声材料吸声机理和吸声性能 的分析中,并采用声子晶体局域共振思想实现具有低频吸声性能的水声吸声材料 设计。论文主要研究内容及结论包括: 1 、完善了声子晶体能带计算中的层多重散射方法,并将其引入到水声吸声材 料吸声机理和吸声性能的分析中;提出了各阶谐波m i e 散射和多重散射相结合的 吸声机理分析方法,这些工作为水声吸声材料的研究提供了重要的分析工具。 2 、比较了空心微珠和微空腔的m i e 散射特性,发现两者在准静态区的m i e 散 射均主要由零阶谐波散射决定,并呈径向振动,使纵波向耗散效率高的横波转化, 同时各微珠间产生声波多重散射,使声波耗散进一步增强。采用周期化近似分析 模型,比较了填充各种微珠的复合高分子材料的吸声性能,并以填充空心微珠的 复合高分子材料为对象,讨论了各参数以及背衬对复合高分子材料吸声性能的影 响,发现包覆层厚度和弹性模量是决定空心微珠散射吸声的关键因素。这些研究 工作为高分子材料通过掺杂改性提高吸声性能提供了重要的理论依据。 3 、将m i e 散射和多重散射分析相结合,分析了含周期球形空腔复合高分子材 料的共振吸声机理,研究表明:空腔的径向共振模式使纵波向耗散效率高的横波 转化,横波在各空腔间产生多重散射效应,使该复合高分子材料的吸声性能增强。 分析了潜艇单层壳体和双层壳体背衬对空腔复合高分子材料吸声性能的影响,并 在潜艇单层壳体背衬条件下,分析了材料参数和结构参数对材料吸声性能的影响, 结果表明,减小基体横波速度,选择适当的空腔填充率,可在一定程度上降低复 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学何论文 合高分子材料的吸声频率。这些研究工作对声学空腔的设计具有重要的参考价值。 4 、首次将声子晶体局域共振思想引入到水声吸声材料的设计中,分析了单个 局域共振单元的各阶谐波m i e 散射特性,发现在局域共振频率处,纵波向横波的 转化主要由共振频率较低的一阶谐波共振完成。多重散射分析表明,局域共振单 元间产生的多重散射显著增加了声波的传播路径,这增强了纵波向横波的转化以 及水声吸声材料的吸声性能。讨论了背衬以及各参数对局域共振复合高分子材料 吸声性能的影响,发现影响局域共振吸声频率的关键因素是包覆层声波速度和基 体横波速度。设计制备了局域共振复合聚氨酯实验样品,测试结果和理论分析结 果基本吻合,证实了局域共振低频吸声现象。这些研究工作为低频水声吸声材料 提供了新的设计思路。 总之,本文围绕水声吸声材料分析与设计中所关心的重要理论问题,从材料 改性和结构设计两个方面,采用m i e 散射和多重散射分析相结合的分析方法,深 入研究了声波在水声吸声材料中的传播特性,进一步揭示了水声吸声材料的吸声 机理,系统讨论了材料参数及结构参数对材料吸声性能的影响规律,这些研究为 低频宽带水声吸声材料的设计奠定了重要的理论基础,对推动声子晶体理论在水 声吸声材料中的应用探索具有重要的意义。 主题词:声隐身消声瓦水声吸声材料声子晶体m i e 散射多重散射 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a bs t r a c t t h ea c o u s t i cc o n c e a l i n gp e r f o r m a n c ei ss i g n i f i c a n tf o rn a v ys u b m a r i n e sa n dh a s a r i s e nag r e a td e a lo fi n t e r e s tf o ral o n gt i m e i tg e n e r a l l ya d d sal a y e ro fa n e c h o i ct i l e o nas u b m a r i n e ss u r f a c et oi m p r o v ei t sc o n c e a l i n ga b i l i t y , w h i c hi sa l li m p o r t a n t t e c h n i q u ea n dh a sb e e nw i d e l yu s e d t h ek e yp a r to ft h ea n e c h o i ct i l ei st h eu n d e r w a t e r a c o u s t i ca b s o r p t i o nm a t e r i a l ,w h i c hi s g e n e r a l l yat y p eo fv i s c o e l a s t i cp o l y m e r c o n t a i n i n gv a r i o u sp a r t i c l e sa n d o rm a c r os t r u c t u r e s i nt h i sa r e a , t oi m p r o v et h e a b s o r p t i o nc h a r a c t e r s ,e s p e c i a l l ya tl o w - 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f r e q u e n c ya b s o r b a n c e t h em a i nw o r ka n da c h i e v e m e n t sa r ea s f o l l o w s : 1 1 1 砖l a y e r - m u l t i p l e - s c a t t e r i n gm e t h o di si m p r o v e da n da d a p t e dt oi n v e s t i g a t et h e a c o u s t i ca b s o r p t i o nm e c h a n i s ma n dt h ea b s o r p t i o np e r f o r m a n c ef o rv a r i o u su n d e r w a t e r a c o u s t i ca b s o r p t i o nm a t e r i a l s a n dat e c h n i q u ec o m b i n i n gt h em i es c a t t e r i n go ft h e p a r t i a lw a v e sa n dt h em u l t i p l es c a t t e r i n gi sd e v e l o p e dt oi n v e s t i g a t e dt h ea c o u s t i c a b s o r p t i o nm e c h a n i s m t h e s ew o r k so f f e rf u n d a m e n t a la n dp o w e r f u lt o o l sf o rt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i si nt h i st h e s i s 2 t h es c a t t e r i n gc h a r a c t e r so fi s o l a t e ds p h e r i c a lm i c r o - c a v i t ya n dh o l l o w 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 m i c r o s p h e r e ( i e ,c o a t e dm i c r o - c a v i t i e s ) e m b e d d e di np o l y m e ra r ei n v e s t i g a t e du s i n ga n e x a c tm i es c a t t e r i n gs o l u t i o nb yr e f e r e n c et ot h ee l e m e n t so ft h es c a t t e r i n gm a t r i x i th a s b e e nd e m o n s t r a t e dt h a tt h em i es c a t t e r i n go fb o t ht h em i c r o - c a v i t ya n dt h eh o l l o w m i c r o s p h e r ea tq u a s i s t a t i cr e g i m ea r em a i n l yd e t e r m i n e db yt h es c a t t e r i n go ft h e z e r o - o r d e rp a r t i a lw a v e ,a n db o t hm i c r o s p h e r e ss h o wad i l a t a t i o n a lv i b r a t i o nm o d e , w h i c hf i n i s h e st h em o d ec o n v e r s i o nf r o ml o n g i t u d i n a lw a v e st o h i g h l yd a m p e d t r s n g v e r s ew a v e s a n dt h em u l t i p l es c a t t e r i n ga m o n gt h em i c r o s p h e r e se n h a n c e st h e e n e r g yd i s s i p a t i o n t h e nam e d i u mh a v i n gap e r i o d i cm i c r o s p h e r cd i s t r i b u t i o ni su s e dt o m o d e lt h ep r o p a g a t i o no fap l a n el o n g i t u d i n a lw a v et h r o u g ha ne q u i v a l e n tc o m p o s i t e h a v i n gar a n d o mm i c r o s p h e r ed i s t r i b u t i o n , a n dt h ea b s o r p t i o np e r f o r m a n c eo fv a r i o u s c o m p o s i t ep o l y m e r sc o n t a i n i n gd i f f e r e n tm i c r o s p h e r e sa l ec o m p a r e d f u r t h e r , w e f o c u s e do nt h ep o l y m e rf i l l e dw i t ht h eh o l l o wm i c r o s p h e r e s t h ee f f e c t so fd i f f e r e n t p a r a m e t e r sa n db a c k i n go nt h ea b s o r p t i o np e r f o r m a n c eo ft h ec o m p o s i t ea r ed i s c u s s e d i tf i n d st h a tt h et h i c k n e s sa n dt h em o d u l u so ft h ec o a t i n gs h e l li nh o l l o wm i c r o s p h e r e s p l a yak e yr o l ei n t h ea b s o r p t i o np e r f o r m a n c eo ft h ec o m p o s i t ep o l y m e r w h a t i n v e s t i g a t e do f f e r s u sag u i d e l i n et oi m p r o v et h ea b s o r p t i o np e r f o r m a n c eo ft h e v i s c o e l a s i t i cp o l y m e r sb ya d d i n gd i f f e r e n tm i c r o s p h e r e s 3 u s i n gt h et e c h n i q u eo ft h em i es c a t t e r i n gt o g e t h e r 晰t 1 1t h em u l t i p l es c a t t e r i n g , t h ea b s o r p t i o nm e c h a n i s mi n d u c e db yt h er e s o n a n c eo fs p h e r i c a lm a c r o - 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o r d e rp a r t i a lw a v e s a n dt h em u l t i p l es c a t t e r i n gi nt h ec o m p o s i t e p o l y m e re n h a n c e st h em o d ec o n v e r s i o nt ot r a n s v e r s ew a v e ,w h i c ht e n d st ob ec h a n n e l e d i n t op r o p a g a t i o na l o n gt h el o n g e rd i m e n s i o n sa n dd a m p sr a p i c u yi nt h ev i s c o e l a s t i c c o m p o s i t ep o l y m e r t h e nt h ee f f e c t so ft h eb a c k i n ga n dv a r i o u sp a r a m e t e r so nt h e a b s o r p t i o nc h a r a c t e r so ft h ec o m p o s i t ep o l y m e ra rei n v e s t i g a t e ds y s t e m i c a l l y , t h e r e s u l t ss h o wt h a tb o t ht h ev e l o c i t i e so ft h ec o a t i n gl a y e ra n dt h et r r n s v e r s ev e l o c i t yo f t h eh o s ta r et h ek e yp a r a m e t e r sf o rt h er e s o n a n ta b s o r p t i o nc h a r a c t e r s f i n a l l y , t w o g r o u p so fs a m p l e sc o n t a i n i n gd i f f e r e n tl r u sa r ed e s i g n e db a s e do nt h et h e o r e t i c a l r e s u l t sm e m i o n e da b o v e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sm e e tw e l lw i t ht h et h e o r e t i c a lr e s u l t s , w h i c hs h o w st h a tt h em e c h a n i s m p r e s e n t e dh e r ei se f f e c t i v ef o rt h eu n d e r w a t e ra c o u s t i c a b s o r p t i o na tl o w - f r e q u e n c yr a n g e t h e s ei n v e s t i g a t i o n so f f e ro n e san e wi d e at o e n h a n c et h el o w - f r e q u e n c ya c o u s t i ca b s o r p t i o no ft h ec o m p o s i t e p o l y m e r s i ns u m m a r y , m o t i v a t e db yt h eb a s i ca n d u r g e n tc o n s i d e r a t i o nf o rt h ea n a l y s i sa n d d e s i g no fu n d e r w a t e ra c o u s t i ca b s o r p t i o nm a t e r i a l s ,t h em i es c a t t e r i n ga n dt h em u l t i p l e s c a t t e r i n ga r es y n c h r o n o u s l yu s e dt oi n v e s t i g a t e dt h ep r o p a g a t i o no ft h ea c o u s t i cw a v e i nt h ec o m p o s i t ep o l y m e r sc o n t a i n i n gd i f f e r e n tm i c r o s p h e r e sa n dt h em a c r oa c o u s t i c s t r u c t u r e s m o r ed e t a i l so ft h ea b s o r p t i o nm e c h a n i s m sa r ed i s c o v e r e da n dt h ee f f e c t so f t h ed i f f e r e n tp a r a m e t e r so nt h ea b s o r p t i o nc h a r a c t e r sa r ei n v e s t i g a t e d w h a ti n v e s t i g a t e d i sh e l p f u lt od e s i g nt h el o w - f r e q u e n c ya n db r o a d b a n da b s o r p t i o nm a t e r i a l su s i n gv a r i o u s m e c h a n i s m ss y n t h e t i c a l l y , a n dt h ei n v e s t i g a t i o na l s oe x t e n d st h et h e o r yo ft h ep h o n o n i c c r y s t a l st op r a c t i c a la p p l i c a t i o no f t h eu n d e r w a t e ra c o u s t i ca b s o r p t i o nm a t e r i a l s k e y w o r d s :a c o u s t i cc o n c e a l i n g a n e c h o i ct i l e u n d e r w a t e ra c o u s t i ca b s o r p t i o nm a t e r i a l p h o n o n i cc r y s t a l m i e s c a t t e r i n gm u l t i p l es c a t t e r i n g 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表1 1 水声吸声材料吸声系数对敌主动声呐探测距离的影响。l 表2 1 材料声学参数3 1 表5 1 局域共振复合聚氨酯样品编号及参数9 2 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图1 1 等效介质理论7 图1 2 各维声子晶体的结构示意图l o 图1 3 二维声子晶体的能带结构与完全带隙1 l 图1 4b r a g g 散射型和局域共振型三维声子晶体带隙比较。l l 图2 1 半径为r 的球形散射体三维周期分层结构1 8 图2 2 二维正方晶格的第一布里渊区1 9 图2 3 声子晶体多层单元结构2 0 图2 4 含包覆层的球形散射体结构2 0 图2 5 球坐标系与直角坐标系比较2 l 图2 6 厚度为d 的均匀板声散射2 7 图2 7 改进前后层多重散射法计算得到的透射系数比较3 2 图3 1 微空腔和空心微珠的结构比较3 5 图3 2 复合高分子材料内散射体周期简化分析模型3 6 图3 3 含5 空心微珠的复合高分子材料板的声衰减3 7 图3 4 含9 空心微珠的复合高分子材料板的声衰减3 8 图3 5 含1 3 空心微珠的复合高分子材料板的声衰减3 8 图3 6 含1 7 空心微珠的复合高分子材料板的声衰减3 8 图3 7 高分子材料中不同微珠的零阶谐波散射3 9 图3 8 高分子材料中微空腔的一阶谐波散射4 0 图3 9 高分子材料中空心微珠的一阶谐波散射4 l 图3 1 0 高分子材料中钢珠的一阶谐波散射4 l 图3 1 l 高分子材料中钢珠的零阶谐波散射4 2 图3 1 2 完全弹性时复合高分子材料的声学性能。4 3 图3 1 3 基体剪切模量损耗因子为0 2 时复合高分子材料的声学性能。4 3 图3 1 4 基体剪切模量损耗因子为0 5 时复合高分子材料的声学性能。4 3 图3 1 5 填充不同微珠的复合高分子材料的声学性能4 4 图3 1 6 空心微珠填充率对复合高分子材料吸声性能的影响4 5 图3 1 7 空心微珠包覆层厚度对复合高分子材料吸声系数的影响4 6 图3 18 包覆层厚度对空心微珠零阶谐波m i e 散射特性的影响4 6 图3 1 9 空心微珠包覆层材料对复合高分子材料吸声性能的影响。4 7 图3 2 0 包覆层材料对空心微珠零阶谐波m i e 散射特性的影响4 7 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学何论文 图3 2 l 基体横波速度对复合高分子材料吸声系数的影响4 8 图3 2 2 基体横波速度对空心微珠零阶谐波m i e 散射的影响4 9 图3 2 3 单层壳体背衬条件下水声吸声材料的分析模型。5 0 图3 2 4 背衬对复合高分子材料吸声性能的影响5 l 图4 1 高分子材料中半径为3 m m 空腔的零阶谐波散射特性5 4 图4 2 高分子材料中半径为3 m m 空腔的一阶谐波散射特性5 4 图4 3 高分子材料中半径为3 m m 空腔的二阶谐波散射特性。5 5 图4 4 复合高分子材料吸声层的分析模型5 5 图4 5 完全弹性条件下复合高分子材料吸声层的声学性能5 6 图4 6 剪切模量损耗因子为0 1 时高分子材料吸声层的声学性能5 7 图4 7 剪切模量损耗因子为0 2 时高分子材料吸声层的声学性能5 7 图4 8 剪切模量损耗因子为o 5 时高分子材料吸声层的声学性能5 7 图4 9 高分子材料剪切模量损耗因子对空腔零阶谐波散射特性的影响5 8 图4 1 0 双层壳体背衬条件下水声吸声材料的分析模型5 9 图4 1 l 单层壳体背衬条件下复合高分子材料吸声层的声学性能5 9 图4 1 2 单层壳体背衬条件下复合高分子材料吸声层的透射系数6 0 图4 1 3 双层壳体背衬条件下高分子材料吸声层的声学性能6 0 图4 1 4 双层壳体间水层厚度对高分子材料吸声层声学性能的影响。6 l 图4 1 5 单层壳体背衬下空腔间距对高分子材料吸声性能的影响6 l 图4 1 6 单层壳体背衬下空腔间距对高分子材料吸声性能的影响6 2 图4 1 7 水背衬下空腔间距对高分子材料吸声性能的影响。6 2 图4 1 8 排列方式对复合高分子材料吸声性能的影响6 3 图4 1 9 阻尼对复合高分子材料吸声性能的影响6 4 图4 2 0 基体横波速度对复合高分子材料吸声性能的影响6 4 图4 2 1 基体横波速度对空腔单极共振的影响。6 5 图4 2 2 双层空腔在复合高分子材料中的分布。6 5 图4 2 3 阻尼对含双层空腔复合高分子材料吸声性能的影响6 6 图5 1 高分子材料中单个钢球的零阶谐波散射6 9 图5 2 高分子材料中单个钢球的一阶谐波散射7 0 图5 3 高分子材料中单个钢球的二阶谐波散射7 0 图5 4 完全弹性条件下复合高分子材料板的声学性能7 l 图5 5 基体剪切模量损耗因子为o 2 时复合高分子材料板的声学性能7 2 图5 6 基体剪切模量损耗因子为o 5 时复合高分子材料板的声学性能7 2 图5 7 含双层钢球的复合高分子材料板的声学性能7 3 第v l 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图5 8 单层壳体背衬条件下含双层钢球的复合高分子材料板声学性能7 3 图5 9 含双层铅球的复合高分子材料板的声学性能。7 4 图5 1 0 横波速度为7 5 m s 1 时复合高分子材料板的声学性能7 4 图5 1 l 基体横波速度对钢球一阶谐波散射系数l n 幅值频谱的影响7 5 图5 1 2 高分子材料中局域共振单元的零阶谐波散射。7 6 图5 1 3 高分子材料中局域共振单元的一阶谐波散射7 6 图5 1 4 局域共振散射特性放大7 7 图5 1 5 高分子材料中局域共振单元的二阶谐波散射。7 7 图5 1 6 完全弹性条件下局域共振复合高分子材料板的声学性能7 8 图5 1 7 包覆层剪切模量损耗因子为0 2 时局域共振复合高分子材料板的声学性能 7 9 图5 1 8 包覆层剪切模量损耗因子为0 5 时局域共振复合高分子材料板的声学性能 7 9 图5 1 9 包覆层剪切模量损耗因子为0 2 时局域共振单元的一阶谐波散射。8 0 图5 2 0 包覆层剪切模量损耗因子为0 5 时局域共振单元的一阶谐波散射8 0 图5 2 l 基体阻尼对局域共振复合高分子材料吸声性能的影响8 1 图5 2 2 含双层局域共振散射体的复合高分子材料板的声学性能8 l 图5 2 3 背衬对复合高分子材料吸声性能的影响。8 2 图5 2 4 单层壳体背衬条件下包覆层厚度对复合高分子材料吸声性能的影响8 3 图5 2 5 包覆层厚度为7 5 m m 时局域共振单元的一阶谐波散射8 4 图5 2 6 包覆层厚度为5 5 m m 时局域共振单元的一阶谐波散射8 4 图5 2 7 包覆层厚度为4 5 r a m 时局域共振单元的一阶谐波散射8 5 图5 2 8 包覆层厚度为3 5 r a m 时局域共振单元的一阶谐波散射8 5 图5 2 9 包覆层厚度为1 5 r a m 时局域共振单元的一阶谐波散射8 5 图5 3 0 水背衬条件下包覆层厚度对复合高分子材料吸声性能的影响8 6 图5 3 l 散射体间距对复合高分子材料吸声性能的影响8 7 图5 3 2 单层壳体背衬条件下芯体对局域共振复合高分子材料吸声性能的影响8 8 图5 3 3 水背衬条件下芯体对局域共振复合高分子材料吸声性能的影响8 8 图5 3 4 包覆层纵波速度对复合高分子材料吸声性能的影响8 9 图5 3 5 包覆层横波速度对复合高分子材料吸声性能的影响9 0 图5 3 6 包覆层纵波和横波速度同时对复合高分子材料吸声性能的影响9 0 图5 3 7 基体横波速度对复合高分子材料吸声性能的影响9 1 图5 3 8 局域共振复合聚氨酯样品剖面结构图9 2 图5 3 9 第一组样品照片9 2 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = =

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