（水声工程专业论文）声学覆盖层声阻抗测量方法及复合结构声反射预报研究.pdf

哈尔浜工程大学硕十学位论文 a bs t r a c t a n e c h o i cc o a t i n gi sc r u c i a lt ot h es u b m a r i n es t e a l t ht e c h n o l o g ya n di sa m a j o rp a r to fq u i e t s u b m a r i n ed e s i g n i nt h i sp a p e r ，t h em a i n w o r ki s a sf o l l o w s ： t h ec o m p r e h e n s i v en a r r a t i o na b o u tt h em e a s u r e m e n to fa c o u s t i cp r o p e r t i e si n d u c t ； t h ec o n c e p to fi m p e d a n c em e t h o da r i s et oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g si np r e s e n t m e t h o d ；al o to fr e s e a r c hi nm e a s u r i n gt h ei m p e d a n c eo fa n e c h o i cc o a t i n g ； r e s e a r c hi nu s i n gi m p e d a n c em e t h o dt oc o u n tr e f l e c t i o nr a t i oa n ds o u n dr e d u c t i o n i n d e xo ft h ea n e c h o i cm a t e r i a l ；l o t so fe x p e r i m e n t so nt h es a m p l e so fc o a t i n g w h i c hh a v ec e r t a i ns t r u c t u r ei n s i d e ；e v a l u a t i o no na n e c h o i cc o a t i n gl a i do nt h e t r u es u b m a r i n eb yt h em e n t i o n e di m p e d a n c em e t h o d i nt h ew h o l er e s e a r c hp r o c e s s ，t h ec o n v e n t i o n a l m e a s u r i n gm e t h o di s i m p r o v e d n l ei n p u ti m p e d a n c ea n dt h et r a n s f e ri m p e d a n c eo fa n e c h o i cc o a t i n g a r em e a s u r e du n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sa n dp r e s s u r e s ，t h ec o a t i n g sa c o u s t i c a l b e h a v i o ri se v a l u a t e dq u a n t i t a t i v e l yb yi n p u t t i n ga c o u s t i ci m p e d a n c ea n dt r a n s f e r i m p e d a n c e , a n dt h e nt h er e f l e c t a n c eu n d e rs p e c i f i cb a c k i n g si sc a l c u l a t e db yt h e r e s u l t i te f f i c i e n t l yr e s o l v e dt h ei n f l u e n c ed u et ot h es e l e c t i o no fb a c k i n gi n t r a d i t i o n a lm e t h o d a tt h es a m et i m e ，as p e c i a lv e r i f i c a t i o ne x p e r i m e n ti sd e s i g n e d ； i tc a nv e r i f yn o to n l yt h er e s u l to fi m p e d a n c ed e p e n d a b i l i t y , b u ta l s ot h ef e a s i b i l i t y o fi m p e d a n c em e t h o d w h i l et h et h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o n ，s u b m a r i n eh u l lc o a t e dw i t ha n e c h o i c c o a t i n gi sa s s u m e dt ob ep l a n a rm u l t i l a y e r ss y s t e m ：t h es u p e r f i c i a ll a y e ri st h e a n e c h o i cc o a t i n g ；t h es t e e lp l a t ei sf o rt h eb a s e ( a si nt h ec a s eo fas i n g l e h u l l s u b m a r i n e ) o rt w os t e e ls h e e t sw i t haw a t e rl a y e rs a n d w i c h e db e t w e e nt h e m ( a si n t h ec a s eo fad o u b l e h u l ls u b m a r i n e ) t h em o d e ls u r f a c e a c o u s t i ci m p e d a n c ei s c a l c u l a t e db ya n a l y t i c a lm e t h o d t h e nc o m b i n i n gw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ， w eh a v ed o n eal o to f r e s e a r c ho na c o u s t i cp r o p e a i e so f t h ec o a t i n g t h i sp a p e rb e g i n sf r o mi m p e d a n c eo fa n e c h o i cc o a t i n g ，i n c l u d e sal a r g e 喻尔滨t 程大学倾 一学位论文 n u m b e re x p e r i m e n t si nd u c t ，a n a l y z et h ec h a n g eo ft h ec o a t i n gu n d e rv a r y i n g t e m p e r a t u r e sa n dp r e s s u r e s i m p e d a n c em e t h o di sa d a p t e dt om a n y d i f f e r e n t c o n d i t i o n sa n dc a nb ec o n v e n i e n t l ya p p l i e dt oe s t i m a t ea n e c h o i ct i l ec o a t i n gi n d i f f e r e n ts u b m a r i n em o d e l ss o m es i g n i f i c a n tc o n c l u s i o n sa r ep r e s e n t e di n t h i s p a p e r ；t h e yc o u l di m p r o v es o m eb u g se x i s t i n gi nt h ep r e s e n tm e a s u r i n gm e t h o d s a n dt e s t i n gt e c h n i q u e s ，a n da l s oh a v em u c hs i g n i f i c a n c eb o t hi nt h e o r ya n di n p r a c t i c e k e y w o r d ：s t e a l t ht e c h n o l o g y ；s o u n dd u c t ；a c o u s t i ca n e c h o i cc o a t i n g i m p e d a n c em e t h o d ；i n p u t ( t r a n s m i s s i o n ) i m p e d a n c e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：釜垒鱼 日期：卯薛- 9 月 1 ，日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1前言 隐身性能是衡量现代潜艇性能的重要标志。由于声波在海洋中的远程传 播，潜艇隐身实际上凸现为声隐身，它不仅关系到潜艇的战斗力、攻击力而 且与潜艇的生命力息息相关。潜艇以其隐蔽性、灵活性、突击性等无可替代 的优势，成为各国海军优先发展的重点，除了提高快速性、大潜深以及武备、 动力、电子等系统的性能以外，现代潜艇发展的一个显著特征，就是不断强 化声隐身目标。 二战以来，声呐系统向低频、大功率的方向发展，同时电子技术和信号 处理技术也迅猛发展，声呐探测水下目标的作用距离越来越远，其识别和跟 踪能力也大大增强。随着水声探测设备作用距离和定向精度的迅速提高，潜 艇隐蔽性得到前所未有的挑战。 从声学上讲，声学覆盖层具有减小目标强度和降低潜艇辐射噪声的双层 功能。它以其优良的吸声和降噪性能，成为各国海军潜艇水下隐身突破发展 的对象。艇体涂敷声学覆盖层已经成为继机械设备弹性安装、推进系统低噪 声优化设计和水动力外型低噪声优化设计以后潜艇声隐身的又一项标志性技 术。西方军事专家曾经预言，声学覆盖层将列入二十一世纪潜艇的常规装备， 是潜艇成为海洋声学“黑洞”的杀手锏。由此可见，声学覆盖层的研究具有 很大开发潜力和扩展空间。声学覆盖层吸声性能的研究是声学覆盖层发展的 重要方面，对潜艇声隐身有着重要的意义。 1 2 潜艇声学覆盖层应用概况 二次世界大战中，德国海军为了躲避盟国海军声呐的探索，在一艘潜艇 外舷敷设了表面光滑和多孔的橡胶涂层，成为世界上最早把消声材料实用化 的国家。二战后，美国和前苏联等国投入大量人力物力，对潜艇隐身的多项 关键技术进行了系统性的研究，发展了一系列声隐身新技术。前苏联从1 9 6 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 年开始，逐步把声学覆盖层用于潜艇设计建造当中，至今已经发展了5 代。 据不完全统计，前苏联的t 级、v i 级攻击潜艇，c i i 级、d 级和p 级巡航导弹 核潜艇，d i i i 级和“台风”级弹道导弹潜艇等2 1 个级别的潜艇中相继有1 3 个级别的潜艇涂敷消声材料。图1 1 为苏联“台风级”级潜艇建造图片。 图1 1 苏联“台风级”级潜艇 苏联解体后，饿罗斯在前苏联基础上对潜艇涂敷消声材料不断发展，目 前，俄罗斯“基洛”级6 3 6 、8 7 7 常规动力潜艇因其出色的隐身性能受到各国 海军的关注，其艇体也涂有高性能消声材料。最近，俄罗斯红宝石设计局正 在设计建造“阿穆尔”级1 6 5 0 型常规潜艇被誉为2 1 世纪海上隐形新“杀手”， 其艇体表面敷设有4 0 r a m 厚的“闪电”新型声学覆盖层，其噪声降到最小，仅 为“基洛”级的1 3 。 英国皇家海军为降低潜艇水下噪声，在声学覆盖层研制中不遗余力，英 国麦克莱兰橡胶公司生产的弹性塑料声学覆盖层应用于“敏捷”级核潜艇、 “支持者”级常规潜艇、“特拉法尔加”级核潜艇、“先锋”级核潜艇。据报 导，1 9 8 7 年英国涂有声学覆盖层的“壮丽”级核潜艇在北冰洋与美军海军两 艘“鲟鱼”级攻击核潜艇进行模拟攻击，在整个演习过程中，“壮丽”潜艇一 次也没有被美国潜艇的主动声纳探测到，足以说明其声学覆盖层对付主动声 纳的作用。 美国海军潜艇涂敷声学覆盖层装备虽然比苏、英稍晚，但一点也不逊色， 曾在“洛杉矶”和“圣胡安”潜艇敷设声学覆盖层，还将“鲟鱼”和“汉戈” 哈尔滨工程大学硕士学位论文 导弹核潜艇装备上声学覆盖层，2 0 0 5 年2 月下水服役的“吉米卡特”号“海 狼”级动力核潜艇攻击潜艇艇体表面也敷设有高性能的消声材料。美国正在 建造即将服役的“韦吉尼亚”级核潜艇，其水下噪声水平与“海狼”级核 潜艇相当，艇体也涂有消声材料，是目前最安静的核潜艇。图1 2 为美国“洛 杉矶”级攻击潜艇所贴的声学覆盖层。 图i 2 美国“洛杉矶”级攻击潜艇 德国海军潜艇一直以来不断提高水下隐身性能，2 0 0 2 年7 月下水服役的 新一代2 1 2 a 级“u 3 1 ”号燃料电池驱动常规潜艇，水下安静性世界一流。它 不仅与其安静性机械，螺旋桨设计有关，艇体敷设声学覆盖层对潜艇隐身性 能的作用同样不可小视。澳大利亚对潜艇声学覆盖层的研究进展同样引人注 目，其研究的聚合物声学覆盖层的主要性能适用于澳大利亚的海洋环境，这 些世界上主要的海军强国都对潜艇艇体敷设消声材料的技术进行大量的研究 并用于各自的潜艇隐身。 我国在声学覆盖层技术研究和应用方面起步较晚，与世界海军强国相比 还有较大的差距。开发吸声和隔声性能兼备的低频宽带多功能声学覆盖层已 经成为发展适应未来海战和具有战略威慑的隐身潜艇的迫切需要。 消声材料的设计与研究一般有理论计算和试验测量两种方法。a l b e r i c h 型吸声覆盖层的理论研究多数是针对垂直入射情况，仅取包含一个孔的单元 用波导理论进行分析和研究。h e n n i o n “3 、e a s w a r a n 。1 等人利用周期介质中声 哈尔滨工程大学硕士学位论文 传播理论，用有限元法进行分析研究。但是他们对边界条件的处理有所不同， h e n n i o n 的方法对声入射方向没有限制，而e s s w s r a n 的方法只能研究垂直入 射方向。王曼。1 利用有限元法对谐振腔式水声吸声覆盖层的吸声机理进行计 算与研究，分析材料背衬条件、空腔尺寸、形状和分布密度对结构谐振特性 的影响。对单层壳体和双层壳体潜艇敷设声学覆盖层模型，研究其对入射声 的反射特性以及振动噪声辐射的去耦特性随结构和材料参数的变化规律。但 是，消声材料一般为粘弹性非均匀结构，受温度、压力以及结构等因素的影 响，性能差异很大，很难从理论上真实反映它的声学性能，所以目前消声材 料的性能研究主要是通过测试进行评估的。 1 3 声学材料的声性能测试技术综述 客观、有效地测试声学覆盖层的声学参数，是声学覆盖层研制的重要组 成部分，也是声学覆盖层实艇应用设计和总体隐身性能评估的基本依据。声 学覆盖层在研制过程中，其声学性能的测试分为声管小样品测试、变压水筒 大样品测试和实艇测试三个阶段。水声管测试在声学覆盖层研制的初期可以 提供有效的声学性能参数，用于声学覆盖层的进一步优化设计，但是它只能 测量声波垂直入射时声学覆盖层的吸声参数，不能测量声学覆盖层在使用条 件下实际遇到的声波非垂直入射时的吸声性能。另外一方面，声管试样尺寸 小，测量结果不能反映整体吸声效果，在消声水池中可以进行大尺寸样品试 验，但是消声水池不能模拟海洋的压力变化，声学覆盖层受环境压力的影响 很大，因而试验结果难以反映声学覆盖层在真实环境下的降噪效果。变压水 筒可以模拟海洋的声场和压力环境，解决声学覆盖层在声波非垂直入射时的 声学性能测试以及模拟敷瓦艇体结构的降噪效果测试。声学覆盖层声性能实 艇测试，不仅费用大、精确定位难、数据采集和处理复杂，而且背景噪声较 大，在消声材料的研制过程中，也不可能对每一种选材、结构都进行实艇测 量，因而不适用于声学覆盖层的研制试验和样品检测。目前国内声学覆盖层 声学性能的测试以及装艇声学覆盖层产品的检测，都是在声管中进行的。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 1水声管中声学材料测试技术 声管中小样品声学材料声学性能的测试方法主要使用的有驻波法、脉冲 法和双水听器传递函数法。声管驻波法是空气声学吸声材料性能测试中极有 效的方法，并且是最早使用和发展最完善的方法，水声声管驻波法测量就是 参照空气驻波法变通而来的，但是由于水声声管中无法在加压情况下移动传 感器，限制了驻波法在水声声管中的推广。脉冲法则是适用于高频测量的一 种测量方法，它只能在高频范围内对材料的声学性能进行研究。双传感器传 递函数法以其简便、快捷的测试优点，成为测试声学材料性能的常用方法 4 、 5 、6 、7 。s e y b e r t 测试宽带声波垂直入射声学材料的吸声性能，通过分析 两个传感器测试声压频谱，把两个传感器测试声压的自谱和互谱密度比作为 传递函数，计算材料的反射系数及声阻抗。c h u n g 和b l a s e r 叫等人从理论和试 验进一步研究双传感器传递函数法测量材料反射系数、表面声阻抗、传递损 失。他们还利用传递函数法，确定管中平面波均匀流声波密度，认为管中声 功率随着m a c h 数的增加沿管长方向增加。理论上讲采用双传感器传递函数法 就可测量材料的吸声、隔声等声学性能，但是在低频段测试精度较低。 t a k e s h i “”通过多点测试，采用最d , - 乘法，计算材料的反射系数。采用双传 感器传递函数法测量材料的声学性能，虽然比较容易实现，但是对两个传感 器的要求较高，即相位要一致，否则会产生较大误差。c h u “”采用一个传感器 测量，利用管内驻波场的稳定性，把两点测量结果运用传递函数法计算材料 的吸声以及阻抗，有效地消除传感器相位幅度不匹配引起的误差，并分析管 中声波衰减对测试的影响。采用传递函数法虽然测试的速度比传统的驻波法 快，但是很容易忽略声管材料引起的声波衰减。c h u “2 1 根据k i r c h h o f f 声波衰 减系数的表达式，给出考虑声波衰减后传递函数法吸声材料声学性能的表达 式。通过计算，c h u 认为在直径6 c m ，传感器间距l o c m ，3 o k h z 频率下，反 射系数为0 9 情况下有l 的误差，就可能引起吸声系数8 5 的误差，可见 管中声波衰减也是影响吸声系数测量的一个重要因素。s e y b e r “”认为双传感 器传递函数法，由于采用波的分离理论，在宽带测量中，在一系列声特征波 哈尔滨工程大学硕士学位论文 数上，会产生失效现象。 上述双传感器传递函数法都是采用不同位置声压的自谱互谱密度来确定 传递函数的。k r u g e r “”利用计算机辅助技术对测点声压进行f f t 变换来确定 传递函数测量声学材料的吸声性能。赵松龄“5 1 认为宽频带噪声信号，经f f t 变换可测量材料复反射系数，但要保证测量声压相位的一致性，只有反复交 换传感器测量，可以消除系统误差，但是测量点处于极小值时，传递函数有 很大的幅度，放大了随机测量误差。他引入以功率谱为基础的g 函数，来取 代通常采用的传递函数，给出一种改进的方法测量反射系数，降低随机误差。 俞悟周“”认为采用双传声器传递函数法，很难解决频率限制问题，提出伪随 机三点测量法，测量声学材料吸声系数，很好地解决了双传声器传递函数法 存在的缺陷，测试精度也比较高。 另外，声管中的脉冲法是一个以前经常使用的声管测量的方法，它的测 量精度高，但是需要单个脉冲测量，测量速度慢，宽频带测量工作量较大。 但是随着计算机技术的发展，这个问题已经能够解决，l t o l l i n “7 1 利用s i n e 函数，f f t 变换的性质，把宽频信号填充到脉冲函数，解决了脉冲信号的宽 频发射问题。 1 3 2 水声管测试误差分析技术 声管测量的三种方法都可以方便测出材料的声学性能，但是测试精度有 所不同。单频测量时脉冲法与驻波法的测试精度高，但是在实验测量中，对 声管及仪器的要求也比较高，测试远没有使用传递函数法那么方便快速，传 递函数法使用时要求传感器相位与幅度的一致性，两个传感器之间的距离对 测试频率也有选择性。 p a r r o t “”研究驻波法测量材料声阻抗时，发现声压最小位置和反射系数 的随机偏差近似为0 0 0 9 6 c m 和0 0 0 1 c m ，而阻抗的测量偏差比反射系数对声 压最小位置测量的随机和系统误差更为敏感。r a p p 。”采用多麦克风传感器测 量材料声学性能时发现，测量相位的不确定性引起较大的测量误差，特别是 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在0 和1 8 0 度相位附近。s e y b e r t 。”对传递函数法随机信号测量谱估计误差进 行分析认为，声压谱密度的系统误差是传感器位置和分析频率带宽的函数， 选择小的分析带宽或减小麦克风与测试样品之间的距离可以减小测量的系统 误差，随机误差可以通过保持声管中声源和声压的一致性来减小，这就要求 减小传感器之间的距离，但在低频测量时，当地一0 时( k 为水中声波波数， l 为传感器距离) ，测试会产生较大误差，s e y b e r t 建议两传声器间距满足 0 托石。b o d e n ”系统地研究传递函数法的各种测量误差认为，$ e y b e r t 减小传感器之间的距离来减小系统误差的方法，不是最佳的好方法，因为小 的间距会增加两传感器之间的灵敏度误差，b o d e n 认为对于非高反射端，只 要保持低的频率间距，无论是减小管长还是使声源阻抗接近于l ，都能得到较 小的系统误差。对于高反射端( frl 0 9 9 ) ，要求0 1 石舡0 8 7 r ，可使测 量消声材料反射系数误差小于1 ，相位误差小于0 6 。c h a m p o u x 。2 3 对自由 场双传感器传递函数法测量材料声阻抗的误差进行数值估算，认为传感器之 间的相位匹配是引起误差的关键因素，特别是低频高反射材料。a b o m 0 3 3 认为 传递函数法测量时，传感器间距在舡= 石n m 2 ) 2 附近有较小的灵敏度误差 ( m 为管截面流平均m a t h 数) ，为了避免大的测量误差，传感器间距应满足 0 1 万( 1 一) s 地0 8 万( 1 一m 2 ) 。s r i d h a r a t “3 对四负载法管中声源的阻抗测量误 差进行分析。l i 畸3 研究麦克风测量声强、声阻抗时，对麦克风罩的影响进行 分析，两麦克风限制频率的不同产生的误差与均方声压成正比，测量通道的 相位也必须进行准确的测量。k a t z 。”为了减少传递函数测量及传声器位置误 差，采用了三传声器传递函数法，通过试验测试研究发现，两传感器之间距 离有0 0 6 c m 误差、第一个传感器到样品之间的距离有0 1 l c m 的误差，就可 引起材料的反射系数误差为3 ，阻抗的测试误差为1 2 。肖今新。“2 ”对水 声声管双水听器传递函数法测试技术及测量误差进行研究，认为采用b o d e n 理论能很好的减小测量误差，目前国内# 2 0 8 声管在低频测试段，大都采用双 水听器传递函数法，两水听器之间的距离为0 1 m ，根据b o d e n 理论测试频率 在1 o h z 4 0 h z 范围内。目前国内设计的中频管采用了五点测量，也是以 哈尔滨工程大学硕士学位论文 h a n sb o d e n 理论为基础的，它根据双水听器传递函数法提出的水听器间距和 水听器到样品的距离要求，不等间距布置多个水听器，并两两组合，针对不 同的测量频段，实现最佳的双水听器配置，提高测量精度，同时在0 5 8 k h z 范围内实现了宽频带传递函数法测量，由于中频管有五个测试点，也可以使 用最小二乘法。另外，l e e 1 认为，当两个水听器间距l 在半波长附近时，误 差较大，在1 4 波长附近时误差较小，为了减少反射系数幅度误差，要求两 水听器间距接近1 4 波长，一个传声器位置应在驻波最大或最小声压处，为 了减少反射系数相位误差，需要很好的选择两传声器的位置。 1 4 水下结构声辐射研究综述 将声管中的测量结果换算到实艇结构上，涉及实艇结构的辐射阻抗，水 下任意弹性结构在各种作用下产生强迫振动，并向周围或者内部声介质中辐 射声波，声波又以负载形式反作用在弹性结构上，改变结构的振动甚至可能 改变激励外力，形成激励一结构一声场耦合的力学系统。流体中的结构声辐 射阻抗分析是一个十分复杂的问题，结构受激振动在壳压缩流体介质中产生 声场，同时声场又对结构产生反作用。因此需要求解结构振动和声场的耦合 振动方程。由于水下结构过于复杂，其声辐射研究一般从简单的平板模型向 圆柱壳、整个航行体逐渐发展，激励力也从点简谐激励力逐渐发展到线力， 面力等。 h e c k l ”“最早研究了点力激励下无限大平板的声辐射及阻抗，j u n g e r 。” 和f a h y 。”比较全面的归纳了无限大平板的声辐射特性，这种声辐射可以理解 成为空间力源声辐射与无限大板声透射的合成结果，当声介质为重质流体时， 声辐射具有偶极子特征的空间分布，在线力激励下，无限大平板仍具有偶极 子特征”“。水下板壳结构一般都采用加强肋骨提高其强度，加强肋骨改变了 壳板结构的动力特性，同时也改变了声辐射特性。其声弹性问题需要考虑平 板、肋骨还有声介质三者的作用。l i n 考虑了单肋加强的无限大平板，简谐 点激励力沿法向作用在肋骨上，肋骨关于平板对称，并作横向振动。l i n 。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的结果表明：远场辐射声压为无限大平板的远场辐射声压受到由肋骨参数确 定的修正因子的加权，辐射声功率随着肋骨质量和刚度的增加而下降。 g a r r e l i c k 和l i n 1 研究了肋骨数量对无限大平板声辐射的影响。m a i d a n i k 0 7 1 和f e i t 。”分别采用各向异性弹性薄板的振动方程，研究加肋板平板的声辐射 及声辐射阻抗。求解加肋平板得声辐射，其过程与各向同性的弹性薄板完全 的一致，只是辐射声压决定于纵向和横向两个吻合频率。在高频段，在加强 肋骨间距与声波波长接近，加肋平板不能等效为各向异平板，而应该考虑每 根肋骨与平板的作用。m a c e 。“”在这方面作了大量工作，他研究了单向双周 期加肋和双向单周期加肋无限大平板的声辐射，这两种结构接近于实际的船 舶结构。m a c e 又在原来的基础上，研究了双向周期点支撑弹性平板的振动和 声辐射。在此基础上，e a t w e l l 和b u t l e r “”研究了有限数量肋骨加强的无限 大平板的声辐射阻抗。在矩形弹性板方面，d a v i e s ”采用模态叠加法研究了 无限大钢性声障板上并且一面有流体负载的简支矩形板的声辐射和矩形板的 声辐射阻抗，l o m a s 和h a y e k 1 进一步研究了同样的声辐射阻抗问题。在矩形 板声弹性研究中，模态辐射阻抗是一个重要的物理量，其实部表示结构辐射 的效率，虚部表示结构振动的附加质量，已知了模态辐射阻抗，则矩形板的 耦合振动和声辐射特性即基本给定，文献 4 7 、4 8 研究了矩形板的声辐射阻 抗。针对与我国潜艇的双层加肋的潜艇结构，吴文伟“”等人建立了无限长加 肋和实肋板连接的双层圆柱壳受机械点力作用的模型。刘涛1 和陈美霞“”研 究了有限加肋和实肋板连接的双层圆柱壳的声辐射。商德江“”利用有限元和 边界元法研究了水下单、双层加肋圆柱壳体受激振动和声辐射问题。 在实际的工程中，弹性平板的耦合振动也是人们所感兴趣的问题。如果 己知单位力激励下，弹性平板的耦合振动响应，亦即平板的导纳，则在给定 外力的情况下，能够容易计算平板的响应，也可以利用来将实验测量的消声 材料的声学性能换算上去。n a y a k 。”、c r i g h t o n “”分别研究了力或者力矩激 励下具有单面负载的无限大平板导纳的精确解和近似解。r o t h w e l l ”采用了 围道积分方法反演f o u r i e r 变换，给出了考虑流体负载的无限大平板传递导 哈尔滨工程大学硕士学位论文 纳的公式，公式包含了自由波、衰减波和泄漏波极点的贡献。 1 5 本文研究内容和研究方法 综上所述，国内外对声管中小样品测试方法进行了大量的研究，并且对 水听器的位置、水听器之间的距离还有测量时频率等因素产生的误差进行分 析，目l i i 国内声管布置的各项要求已经达到要求，相关声管测试技术已经成 熟。但是，声管测量也有其局限性，首先样品尺寸有限，其结果不能很好的 反应吸声结构的整体吸声效果。其次，对于传统的双水听器传递函数法，背 衬的选择很关键。测试要求设计背衬阻抗为无穷大或者是无穷小，但是现在 一般在宽频测量时使用一个背衬，而且即使是使用了理想的刚性背衬或者是 柔性背衬测量声学覆盖层的反声系数，结果与实际使用条件下的反声系数有 较大的差别。另外在很爹隋况下，消声材料应用在水下几百米处，测试上需 要掌握消声材料在模拟压力条件下的声学性能。常压下样品后面为空气，空 气的特征阻抗大约是水的特征阻抗的1 3 5 0 0 ，一般的消声材料的特征阻抗与 水的特征阻抗比较接近，可以认为常压下，消声材料后面的空气为绝对软背 衬。加压情况下，引入压力封头，人为地破坏测试样品背后的背衬条件，特 别是采用水加压的方式，由于消声材料的特征阻抗与水的特征阻抗比较接近， 已经无法满足消声材料测试条件的要求，消声材料测试背衬的选择已经成为 影响测试精度及数据可靠性的关键因素。 文献中，对双水听器测量误差的分析较多，但对于如何合理设计背衬， 如何消除背衬对于测量结果的影响的研究资料还是比较少，所以还没有一个 很好地解决方法来解决这个问题，为了使消声材料的评估更加的准确合理， 可以考虑声学覆盖层的声性能测量和评估时采用声阻抗的概念，由输入声阻 抗和传递声阻抗定量评价声学覆盖层的吸声和隔声性能，这样不仅可以在整 个潜艇声隐身研究频段建立统一的测量概念，而且可以将声管测量结果换算 到实艇结构上，使声学覆盖层声学性能的评价更加科学合理。 研究内容主要包括： l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 ) 声学覆盖层输入阻抗和传递阻抗测量方法研究和测量实验研究 2 ) 声学覆盖层的反射系数和隔声系数计算方法研究 3 ) 阻抗法预报实验论证研究 4 ) 潜艇壳体模型表面输入阻抗研究，并与声学覆盖层阻抗测试结果相结 合，对该复合结构声反射进行预报 1 6 本章小结 本章主要介绍了世界各国潜艇声学覆盖层的现状，对消声材料声管测试、 测试的误差分析和水下结构声辐射的研究进行了综述，同时分析了我国目前 声管测量的技术水平和存在的主要问题，最后确定了本文的主要思想和研究 内容。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i j 目i i i i | i i j i i i i i _ n l l l l li i i i i i l 第2 章声学覆盖层声阻抗测试方法 2 1前言 声管测量中，存在着一个争论问题，即声学覆盖层样品的声管测试结果 不反映它的实际使用情况，由于实际使用情况多种多样，千变万化，在实验 中无法一一实现，该问题一直没有得到解决，为此迫切希望在声学覆盖层的 研究频段建立统一的测量概念，引入一个物理量，定量评价覆盖层的声学性 能。 在研究空间声场时，定义声场中某位置的声压与该位置的质点振速的比 值为该位置的声阻抗率，根据这个定义，可求得平面前进声波声阻抗率 乙= p o c 。，它是媒质固有的常数，在声学中有特殊地位，考虑到它具有声阻 抗率的量纲，所以称p o c o 为媒质的特性阻抗( 又称特征阻抗) 。声学覆盖层的 特征阻抗只与材料的密度和材料中声传播速度有关，与位置、尺寸和边界条 件等无关，因此，可以说它是声学覆盖层最本质的一个特性。但是一方面考 虑到直接测量和推导声学覆盖层的密度和声速是很困难的，特别是要在其使 用的频率范围、压力范围和温度范围内测量更加困难。另一方面，从水声覆 盖层测试和使用的角度来讲，在声波垂直入射情况下，水声材料甚至于水声 结构，用等效的纵波来表征特征阻抗，会使材料( 或结构) 的声测量与等效 特性阻抗联系起来，方便于测量、计算。 这个方法是测量声学覆盖层的阻抗参数( 包括覆盖层正反两面的输入阻 抗和传递阻抗) 。在硬背衬下测量得到的阻抗参数与覆盖层在实际使用时背后 的负载情况是没有任何联系的，只体现材料本身的阻抗特性。当然评估声学 覆盖层的声学性能，仅仅知道材料的阻抗特性是不够的，需要导出另一个重 要参数覆盖层的法向面阻抗，它是一个与材料阻抗特性和声学覆盖层的 负载情况都相关的阻抗量，是用来评估这个声学覆盖层的声学性能好坏的重 要依据。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 本章主要是建立了声阻抗测量方法，考虑由输入声阻抗和传递声阻抗定 量评价声学覆盖层的声学性能，并利用材料的声阻抗参数建立了声学覆盖层 声反射预报方法。通过声阻抗这个概念概念，不仅在整个水下航行体声隐身 研究频段建立统一的测量概念，而且最终可以将声管测量结果换算到实艇结 构上，使覆盖层声学性能的评价更加科学合理。 2 2 声阻抗参数测试方法 2 。2 1 声阻抗参数基本定义 声波垂直入射时可以把水声材料或者水声结构作为一个声学单元，如图 2 1 所示，一个一维声学系统包含一个声学单元，一个输入端，声压和振速为 p l 、v l ，一个输出端，声压和振速为见、v 2 ，输入端和输出端介质的声压与 振速的关系为； p l = z i i v l + z 1 2 v 2 ( 2 1 ) p 2 = z 2 iv 4 - z 2 2 v 2 ( 2 2 ) 其中：n 、见为声压，单位为 n 聊，v 1 、v 为质点振动速度， 单位为m s 。1 以上两式又可以写成： p v l p 件臣蛳) 弦。， 式中：z 1 。、2 2 ：为输a i ! h 抗，它们与输入端的声压和振速相关，定义如下： 毛。：剁，弓：纠 h l ：ov 2 i v t = 0 毛。是声学单元正面的输入阻抗，测试时要求该声学单元的输入端为受激 励面，输出端固定。为声学单元反砸的输入阻抗，测试时要求该声学单元 的输出端为受激励面，输入端固定。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 z ：、z ：。为传递阻抗，它们与输出端的声压和输入端的振速相关，定义如 下： 龟2 乱喃2 钆 定义式中，马，为声学单元正面的传递阻抗，测试时要求输入端为受激励 面，输出端固定。互，为声学单元反面的传递阻抗，测试时要求输出端为受激 励面，输入端固定。 将毛。、z 2 ：、z 2 ，和z 。：四个阻抗量统称为声学材料( 声学结构) 的声阻抗 参数，它们可以完整的描述材料的阻抗特性。这些阻抗值是通过固定声学单 元的输入端或者是输出端后被测量得到的，如果被测量的声学单元结构对称， 根据互易性原理和对称性原理还可以得到： 气25z 2 1 毛12 2 2 2 2 2 2 阻抗参数测试原理 根据定义，在声管中测量水声材料( 水声结构) 的输入阻抗和传递阻抗 时，一方面需要测定输入端声压与振速的比值，另一方面需要测量需要测定 输出端声压与输入端振速的比值，测试需要提供硬背衬条件，以实现水声材 料的输出端振速为零，即n = 0 ，硬背衬设计将在下一节详细介绍。 声阻抗测试布置图见图2 2 ，假设试样后面为一个理想硬背衬，试样看作 一个声学单元，声管主管与试样的界面处为输入端，输入端的声压和振速分 别为n 和v 1 ，背衬与试样的界面处为输出端，输出端的声压和振速分别为p ： 和v 2 。 建立如图2 2 所示的坐标系，设定试样表面为0 点，主管中在，和z + d 位 置布置了水听器a 1 和水昕器a 2 ，用来测量和计算输入端声压，水听器测量 声压分别为儿。、见2 ，输出端位置布置水听器a 3 ，测量声压为见，n 。= p ：， 另外水听器a l 和a 2 位置的振速分别为、k ：，由于背衬为理想硬背衬， 屹3 = 0 。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 、2 、3 一水听器a l 、a 2 、a 3 ；4 一发射换能器； 5 一声管主管部分；6 一实验样品；7 一背衬；8 一声管次管位罱 图2 2 声阻抗测试布置图 声管内发射换能器发射入射波为平面波：a e j “e 一，入射到试样表面发 生声反射，反射波为：b e j “, e j “，不计e j “，则声管内声压： p ( x 、= 一p 皿+ b e 一血 ( 2 4 ) 由，卿：一挈得，声管内振速为： v ( x ) ：二生沪+ j l 8 一向 ( 2 5 ) p 舒c 。p 乒m 式中：成吒为声管中介质的特征阻抗 所以，测量位置z 处的声压和振速可写成： 见l = a e 州+ b e 一州 ( 2 6 ) ”杀+ 老e 删 ， 测量位置，+ d 处的声压和振速为： p 。2 = a e 业“却+ 臼宫一业( 。+ 种 ( 2 8 ) z = 丢扩( f + 由+ 去e 廿( 十却 伢 p 乒。p 。 其中：岛。、儿：为声管内水听器a l 、a 2 的测量声压，k 。、屹：为两水听器位 哈尔滨工程大学硕士学位论文 置介质的振速。 将( 2 6 ) ，( 2 8 ) 式联合求解，可得入射声波和反射声波的声压幅值a 和b ： 经变换 a = b = 4 = 等等e - j k de j 蹦一 肚写毒乒 根据( 2 4 ) 和( 2 5 ) 式可知，输入端的声压和振速分别为 p l = a + b 爿b v l = 一+ p 乒。p 位c 。 ( 2 1 0 a ) ( 2 1 0 b ) ( 2 1 1 a ) ( 2 - 1 l b ) ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 根据2 2 _ l 中定义试样正面输入阻抗毛，i v 2 o ： ，将( 2 _ 1 2 ) ，( 2 1 3 ) 代入定义式，可得： 刁l b = 二a 五+ 石b 成乞( 2 - 1 4 ) 刁t h2 二五百成乞 将( 2 1 l a ) ( 2 一l l b ) 的a ，b 值代入( 2 - 1 4 ) 式，整理后得： iv2=l岛乞面sink而(1+而d)-瓦(p2丽po,)sinklzii ( 2 1 5 ) 岛乞磊丽i f 瓦万丽 2 1 5 ) 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 同理，根据z ：，定义式可以得到： z z - b 。成二鬲p a 3 百 ( 2 1 6 ) 同样代入a ，b 值，整理后可得： z 2 止矿蒜嵩鬈篙知( 2 - 1 ，t i 删2 忑丽历矗茹荔荔万 其中：p a ，为输出端的声压 定义传递函数：q = p a 2 见。，h 2 = p q ，岛。 则方程( 2 1 5 ) ( 2 - 1 7 ) 可化成： 钆。咆气尝筹蔑器 沼 毛b 刮成气忑葡历若赫 2 _ 18 ) z 2 1 v ：= 0 = 芸焉警蠹 ( 2 1 1 9 ) 一0 2 忑币而高赫 旺o ” 反面输入阻抗和传递阻抗的测试过程与正面相似，只是试样反面为受激 励面，同理测试得到z 2 2 1 。，z 1 2 l 。 声管测量时，方程( 2 一18 ) ( 2 - 1 9 ) 中成吒为水介质特征阻抗，z 为声管 中水听器a l 到测试样品的距离，d 为水听器a 2 到水听器a l 之间的距离， k = 2 z r f c 。, ，f 为测试频段，以上参数均为已知，测试过程中，只需测量h 、 皿，就可以利用方程( 2 - 1 8 ) 和( 2 - 1 9 ) 计算覆盖层样品的输入声阻抗、传 递声阻抗值。 2 3 刚性背衬设计 根据2 2 1 节中对于输入声阻抗、传递声阻抗的定义，要求测试应建立硬 背衬条件，理想的硬背衬表面输入阻抗无穷大，从理论上讲，背衬材料厚度 在四分之一波长处可以达到背衬阻抗无穷大，但只能测量单个频率。宽频测 试范围内，理想硬背衬其实是不存在的，只能经过适当的设计，使其在一定 的频率范围内，背衬表面声阻抗达到水特征阻抗的1 0 倍以上，就认为该背衬 哈尔滨工程大学硕士学位论文 是硬背衬。本节根据阻抗传递法，设计加压情况下声管测试硬背衬并进行测 量与计算。 水声管在加压情况下，样品及后面的背衬、密封介质、封头等形成多层 结构，如图2 3 所示。 0 图2 3 多层介质中阻抗传递理论模型示意图 假设声管中第i 层为背衬，厚度为d ，背衬特征阻抗p ，c ，在x 处的声 压及介质振动速度为p i rv f - l ，在下x + d 处的声压及介质振动速度为b 、v j ， 不考虑声波传播中的衰减，介质中声波传播的声压和介质振速为： 只一l = a e j 6 , + b e 一。“ ( 2 - 2 0 ) v 。：一生扩+ 旦p 一向 ( 2 2 1 ) p | c ip f 。 a = a e 且+ 种+ b e 一一+ “ ( 2 2 2 ) v ：一丝一p m “+ d ) + 里_ e 一* ( x + d ( 2 2 3 ) pp?p暑? 将( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 式和( 2 2 2 ) ( 2 2 3