（水声工程专业论文）水声吸声覆盖层理论与实验研究.pdf

哈尔滨工程大学博士学位论文 换能器发射的声信号频带展宽，从而实现了宽带测量，并可以去掉样品边缘 衍射声场的干扰，降低测试频率。在消声水池内对两种具有一定内部结构的 空腔吸声覆盖层大样进行了实验测试，测试结果与有限元分析结果之间取得 了较好的一致性。 本文对潜艇吸声覆盖层的数值分析得出了一些有意义的结论，有助于对 吸声机理的进一步了解；所形成的有限元分析程序具有较强的适应性，可以 较方便地对不同结构、不同材料的吸声覆盖层进行性能预报，对于吸声覆盖 层设计具有较强的理论指导意义和工程实际意义。 关键词：潜艇；隐身技术；水声吸声覆盖层；有限元；吸声材料 水声吸声覆盖层理论与实验研究 a b s t r a c t u n d e r w a t e ra n e c h o i cc o a t i n gi sc r u c i a lt os u b m a r i n es t e a l t ht e c h n o l o g ya n d i sam 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 s p a p e r , t h em e c h a n i s mo f r e s o n a n ts o u n da b s o r b e ri ss t u d i e dt h e o r e t i c a l l y d y n a m i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fs o u n d - a b s o r b i n gm a t e r i a l sa r em e a s u r e d b y u s eo fd m t a ( d y n a m i c m e c h a n i c a lt h e r m a la n a l y z e r ) t h ep e r f o r m a n c e so ft w ol a r g e - s c a l eu n d e r w a t e r a n e c h o i cc o a t i n gs a m p l e sw i t hc a v i t i e si n s i d ea r em e a s u r e di na na n e c h o i cw a t e r t a n kb yu s eo fw i d e - b a n dc o m p r e s s e d s i g n a l t h es 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 cc o a t i n gi sa s s u m e dt ob ep l a n a r m a l t i 1 a y e r e ds y s t e mi nf i a et h e o r e t i c a la n a l y s i s ap e r f o r m e d r u b b e rs h e e tw i t h d o u b l yp e r i o d i c v o i d ss a n d w i c h e db e t w e e nam e t a lb a s ea n dac o v el a y e r c o n s t i t u t et h et h e o r e t i c a lm o d e l t h em e t a lb a s em a yb eas i n g l es t e e ls h e e ta si n t h ec a s eo fas i n g l e - h u l ls u b m a r i n eo rt w os t e e ls h e e t sw i t l law a t e rl a y e r s a n d w i c h e db e t w e e n 也e ma si nt 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 ef i n i t ee l e m e n t a p p r o a c h i su s e dh e r et os t u d yi t sp e r f o r m a n c e au n i tc e l l o ft h ed o u b l yp e r i o d i cs t r u c t u r ei n c l u d i n gap a r to ft h ec l o s ef l u i dd o m a i n ，i s m o d e l e d u s i n gf i n i t ee l e m e n t sa n d am e s hi sg e n e r a t e d i n c l u d i n ge l a s t i c ，f l u i d ，a n d i n t e r f a c ee l e m e n t s t h i sc e l li sl i m i t e db ys i xp l a n e s ，t w oo ft h e mb e i n gi t s b o u n d a r i e sw i t ht h et w os e m i i n f i n i t ef l u i dd o m a i n s ( t h e yb o t he x i s tf o raf l u i d l o a d e ds t r u c t u r ea n do n l yo n ee x i s t sf o ras t r u c t u r ew i t ha i rc l o s u r e ) a n dt h e r e m a i n i n gf o u rb e i n gr e l a t e dt ot h ep e r i o d i c i t y o nt h ef i r s tt w ob o u n d a r i e s ，t h e f i n i t ee l e m e n tn o d a l e x p a n s i o n o ft h e p r e s s u r e f i e l di sm a t c h e dw i t ht w o p l a n e w a v ee x p a n s i o n so ft h es a m ef i e l d ，i n c l u d i n gp r o p a g a t i n ga n de v a n e s c e n t c o n t r i b u t i o n s b e t w e e nt h en o d a lv a l u e so ft h ed i s p l a c e m e n ta n dp r e s s t t r ef i e l d s f o rt h eo t h e rb o u n d a r i e s ，b l o c h - f l o q u e tt y p er e l a t i o n sa r ee n f o r c e d ，w h i c ha r e r e l a t e dt ot h ep e r i o d i c i t ya n da r ei n c o r p o r a t e da s s p e c i f i cd e g r e e so ff r e e d o m c o n d e n s a t i o ni nt h ef i n i t ee l e m e n tf o r m a l i s m t h ec o m p u t e rc o d ei m p l e m e n t i n g t h i sm e t h o di sc o m p o s e d h a r m o n i cp r o p e r t i e sa n da n e c h o i cb e h a v i o ro fr e s o n a n ta n e c h o i cc o a t i n ga r e s t u d i e d v a r i o u sc a v i t ys i z e ，c a v i t ys h a p e ，p e r f o r a t i o nr a t i oa n dm a t e r i a lp a r a m e t e r c o n c e r n sa r ea n a l y z e d 哈尔滨工程大学博士学位论文 t h em e a s u r e m e n to fm a t e r i a ld y n a m i cm e c h a n i c a l p r o p e r t i e si sm a d eb y u s e o fd m t a t h i si n d i r e c tm e t h o dr e l i e so nt h e t i m e t e m p e r a t u r es u p e r p o s i t i o n p r i n c i p l e a n dt h es u b s e q u e n ts h i f tf a c t o r sr e q u i r e dt oc o n s t r u c tam a s t e rc u r v e o v e rab r o a d f r e q u e n c yr a n g ef r o m m e a s u r e m e n t st a k e na tm u l t i p l et e m p e r a t u r e s t h e p e r f o r m a n c e so ft w ol a r g e - s c a l ea n e c h o i cc o a t i n gs a m p l e sa r em e a s u r e d i na na n e c h o i cw a t e rt a n k t h em e a s u r i n gs i g n a li sc o m p r e s s e db yu s eo f s i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n i q u e st og e tar e l a t i v e l ys h a r pi m p u l s ew i t hf l a ts p e c t r u mo v e ra w i d ef r e q u e n c yb a n d b yu s eo fs u c ham e a s u r i n gs i g n a l ，e d g e d i f f r a c t i o nc a i lb e e f f e c t i v e l ya v o i d e da n dt h ew i d e - b a n dm e a s u r e m e n tc a l lb ef i n i s h e da to n et i m e g o o d a g r e e m e m i sa c h i e v e db e t w e e nm e a s u r e dr e f l e c t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h a to f f e m a n a l y s i s s o m ev e r yi n t e r e s t i n gr e s u l t sa r eo b t a i n e dt h r o u g ht h en u m e r i c a la n a l y s i sb y w h i c ht h em e c h a n i s mo f r e s o n a n ts o u n da b s o r p t i o nm a y b eb e t t e ru n d e r s t o o d n l c f e m t h e o r ya n dt h ec o m p m e r c o d eh a v eg o o da d a p t a b i l i t yt ov a r i o u sf o r m so f c a v i t ys h a p ea n dd i s t r i b u t i o ni nt h es o u n d a b s o r b i n gm a t e r i a la n dc a n b eu s e di n t h e p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o no f n e w - t y p ea n e c h o i cc o a t i n g k e yw o r d s ：s u b m a r i n e ；s t e a l t ht e c h n o l o g y ；u n d e r w a t e ra n e c h o i cc o a t i n g f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ；s o u n d - a b s o r b i n gm a t e r i a l 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) ：基堡 日期：j o 年7 月f 日 第1 章绪论 1 1 概述 第1 章绪论 潜艇作为最具威慑力的水下武器装备之一，隐蔽性是其战斗力的决定性 因素。由于声波在水下传播的有效性，声隐身是潜艇隐身的主要内容。随着 水声探测设备作用距离和定向精度的迅速提高，潜艇隐蔽性受到了前所未有 的挑战。各国海军都在积极发展隐身潜艇，使得吸声覆盖层在潜艇设计中的 重要性日益突出。 潜艇吸声覆盖层的主要作用是减小潜艇对敌主动声纳信号的反射、降低 目标强度。为了产生较小的反射，水声吸声材料或结构均需具备两个条件。 首先，吸声覆盖层表面单位面积的声阻抗要与水介质的波阻抗匹配，使声波 容易进入到材料内；其次，从能量角度来考虑，如果吸声材料对声能没有损 耗的话，那么进到材料里的声在层的末端发生反射后，还是要往回传播并重 新透射回水中，因此吸声材料内必须具有一定的阻尼，以消耗进入其中的声 能。 均匀吸声材料层在低频段必须要有相当大的厚度，因此实际中不大被采 用。水池壁广泛采用吸声尖劈消声，这类阻抗过渡式结构既可减小吸声结构 尺寸、节省材料，又可达到与水的阻抗匹配，提高吸声系数。潜艇由于负载 不能过重，吸声尖劈显然不适用，常利用谐振吸声结构弥补低频吸声的不足。 最早的潜艇吸声覆盖层由德国在二战时期研制，被称为“a l b e r i c h ”，就采用 了橡胶内部有圆柱孔的谐振式结构，取得了一定的消声效果。战后，前苏联、 英、美等国也在借鉴德国技术的基础上，开始发展自己的潜艇吸声覆盖层技 术，经过改进的各种谐振式结构长期以来一直是各国潜艇吸声覆盖层的主流 结构。 1 2 潜艇隐身技术现状与发展趋势 1 2 1 世界各国潜艇吸声覆盖层应用现状 二战以来，美国和前苏联国等投入大量人力物力，在潜艇隐身的多项关 1 哈尔滨工程大学博士学位论文 键技术领域内进行了系统性的研究，发展了一系列声隐身新技术。在1 2 年以 前即实现了常规潜艇的低噪声化，辐射噪声源级降到1 3 5 d b ：约7 年前实现 了核潜艇的安静化，辐射噪声级已接近或低于海洋环境噪声水平，降到了 1 2 0 d b 以下。 谐振腔型以及多层涂料或板式结构的阻抗过渡型是吸声覆盖层的两种主 要类型。前者适合于艇体曲率变化较小的区域使用，而后者则用于曲率变化 较大的部位，如艏尾部，舵板，围壳等，俄罗斯称之为橡胶式护皮。图1 1 为装备了吸声覆盖层的俄罗斯奥斯卡级核潜艇。 图1 1 装备吸声覆盖层的俄罗斯奥斯卡级核潜艇 f i g 1 1ar u s s i a na t t a c kn u c l e a rs u b m a r i n ew i t ha n e c h o i cc o a t i n g 前苏联从6 0 年代后期开始在潜艇上敷设吸声覆盖层，至今已经发展了五 代。其主体材料主要为丁苯橡胶和聚丁二烯橡胶。吸声覆盖层类型已从共振 型发展为非线性结构的宽带型、低频型、专用型和多功能复合型，实现了吸 声覆盖层的系列化和功能化。前苏联( 俄罗斯、乌克兰) 的吸声覆盖层技术 一直处于国际领先水平，建立了吸声覆盖层工程分析与设计方法、专用吸声 覆盖层制备技术( 生产工艺、工装工艺、生产质量控制) 、吸声覆盖层声学性 能的测试评估技术、吸声覆盖层配套材料的体系组成以及功能指标要求和考 核方式、成套的吸声覆盖层实艇安装规范、吸声覆盖层装舰后维护保养及使 用规范、吸声覆盖层修补工艺及技术要求等。 美、欧、日海军在新型潜艇的设计建造时也采用了大量的高新技术，其 重要措施之一就是在潜艇外壳上敷设吸声覆盖层。各国根据自己的实际情况， 吸声覆盖层采用的主体材料不同，美国采用的是丁基橡胶、法国是聚硫橡胶、 英国是聚氨脂胶、日本是氯丁橡胶等。吸声覆盖层的性能也得到不断提高。 第1 苹绪论 图1 2 是英国海军潜艇装备的c o l e b r a n d 吸声覆盖层的声学特性曲线，以预 制型吸声覆盖层为例，在f 3 k h z 时回声衰减不小于1 0 d b 或吸声系数不低于 0 9 ；喷涂型吸声覆盖层虽然低频性能有所下降，但在特定频带内具有很强的 吸声能力，而尚未公开的新型吸声覆盖层的声学性能还优于上述公开发表的 结果。 3 5 a 0 壁嚣 襄 嚣i o 5 0 ( a ) 预制型( b ) 喷涂型 ( a ) p r e f a b r i c a t e d( b ) s p r a y e d 图1 _ 2 英国潜艇装备的c o l e b r a n d 型吸声覆盖层声学性能 f i g 1 2s o u n da b s o r p t i o np e r f o r m a n c eo f “c o l e b r a n d ”a n e c h o i c c o a t i n gu s e do nb r i t i s hs u b m a r i n e s 1 2 2 潜艇吸声覆盖层的未来发展趋势 未来的隐身潜艇对吸声覆盖层的需求要看声纳技术的发展趋势。由于信 号处理技术的迅速发展，声纳的多通道探测与大容量信息处理能力大大提高， 经历了被动人工监听、高频主动探测、被动高频探测、被动分离谱与低频宽 带能量综合探测等发展阶段，目前又向兼有主被动、高低频、分离谱与宽带 信号综合处理的现代声纳发展。美、英、法等国潜艇和水面艇舰的主动声呐 工作频率大致在1 1 l k h z 范围内，其中3 7 k h z 频率范围的主动声纳装艇数 量最多。鱼雷的声制导频率一般在3 0 k h z 左右。目前的主被动综合声纳的工 作频率己开始向几百赫兹的低频延伸，远程探测与目标分析定位声纳的工作 频率甚至低达几十赫兹，所以要求未来的吸声覆盖层在几百赫兹甚至更低的 频率范围内均具有良好的吸声与减振降噪效果。吸声系数不随着潜艇下潜深 度增大而产生明显下降是对吸声覆盖层的又一重要要求。 综观世界各国潜艇的吸声覆盖层技术，从总的发展趋势看，就材料而言， 在合成材料上将有新的发展。如英国目前使用的聚氨脂材料、法国的聚硫橡 哈尔滨工程大学博士学位论文 胶、广泛作为声学材料使用的丁基橡胶等，都是很有前途的材料。新近出现 的有源吸声材料预计也会成为一个未来的发展方向。 胶粘剂是往艇上敷设吸声覆盖层的关键。虽然对粘贴技术已经做了不断 改进，但其脱落问题还是常常困扰着工程技术人员。主要原因是吸声覆盖层 与艇壳之间容易产生空气泡而影响其粘接强度，由于潜艇剧烈振动和下潜上 浮时的交变压力变化引起壳体弯曲也容易使吸声覆盖层脱落。 针对目前潜艇吸声覆盖技术中存在的不足，近期由英国wjt o d 公司和 法国的m e t r a v i br d s 公司联合研制出了聚氨酯的同系料剂”1 。经过适当配制， 便可制成各种声学胶液。聚氨酯是一种聚合物，是通过聚氨酯类反应把羟基 链有限的树脂( 软链段) 和异氰酸酯( 硬链段) 链接而成。若适当选择硬链段和 软链段进行链接，就能制成从软质凝胶类材料到硬质塑料及韧质弹性体等多 种新的材料。这些材料具有不同的物理性质，例如有弹性、高强度、高粘性、 耐磨耗、高阻抗、耐化腐和耐油性等。若加进短链增强树脂、有机矿质填料 或细小的空心粉粒，还可以改变它们的物理和声学性能。这样，就可以制成 符合各种声学性能要求的声学材料，从而有可能替代吸声覆盖层。尽管目前 只在实验室配制成功，但却为潜艇隐身结构的发展开辟了新路。 就消声覆盏层的结构而言，美国海军使用的玻璃纤维制双层薄板结构被 认为是未来发展的一种趋势。其它形式的复合材料与复合声学结构相结合的 吸声覆盖层( 以前苏联的系列吸声覆盖层为代表) ，由于具有优良的吸声和减 振效果，也必然是未来设计的重点。 在吸声覆盖层结构设计多样化的同时，也将日趋专用化。由于潜艇各部 位对目标强度和噪声辐射的贡献不同，一种消声覆盖层难以同时适应艇所有 部位的需要。因此针对艇体特定区域或特定消声频段的专用型吸声覆盖层将 得到广泛应用。 1 3 水声吸声覆盖层技术研究综述 1 3 1 理论研究 e m e y e r 领导的研究小组是最早开始隐身技术研究的。该小组的成员先 在德国、后在美国，进行了半个世纪的研究，其成果对水声技术的发展产生 了极其深远的影响 3 - 9 1 。 对于覆盖有一层均匀的能量损耗材料的壳体和平板所进行的实验与理论 4 第1 章绪论 研究工作奠定了“隐身技术( t h es t e a l t ht e c h n o l o g y ) ”的基础。在共振吸 声现象被认识以前，人们对于无吸收的弹性材料内各种形状的弹性介质、流 体介质、刚硬或空心散射体进行过不少研究“”。多数研究者对压缩波或切 变波入射时的反向散射截面进行了分析，虽然他们中也有几位将散射截面值 的快速振荡归因于某种类型的谐振现象，但都没有对这种谐振现象出现的原 因及性质做进一步的研究 1 0 - 1 2 1 。 对于谐振吸声的认识始于对水中气泡和悬浮物共振吸声的研究”1 ”。后来 才逐渐演变为在橡胶材料中引入空气孑l 或其它介质的填充体 5 , 1 6 - 1 8 】。其中 m e y e r 及其同事对谐振吸声的研究起到了奠基作用。他们花多年时间研究了 水中气泡谐振以及橡胶材料中的球形空腔谐振对声吸收的影响，发现无论是 均匀吸声材料的厚度共振还是水中气泡或材料中的空气孔共振都对吸声性能 有着直接的影响。g a u n a u r d 进行的研究也是这一领域比较早的工作，几十年 来他发表了许多有关谐振吸声的研究文章 1 9 - 2 1 1 。 分层介质系统的声散射研究 吸声覆盖层与其覆盖的舰艇壳体组成了分层介质系统，但与一般的多层 弹性介质的区别是其中的吸声材料层为阻尼材料。多数学者的研究方法都是 采用分层弹性介质系统声传播的转移矩阵理论 2 2 出】，将吸声材料的阻尼考虑 进去，利用复数的模量值表示材料的损耗【2 6 删。在谐和平面波研究的基础上， s t e p a n i s h e n 利用傅立叶变换技术，研究了宽带平面波从分层粘弹性介质系 统的反射和折射【2 9 1 。l a u r i k s 则研究了介质层系统中有多孔材料的情况 3 0 】。 c e r v e n k a 给出固体和流体介质按任意厚度、任意顺序组合的系统的研究，并 考虑了衰减波p ”。g a u n a u r d 等在研究中利用了粘弹性动力学关系来描述吸声 材料【3 2 讲 。国内有分别利用转移矩阵和薄板振动理论对均匀材料层吸声的研 究 3 5 。3 6 。 周期结构声散射研究 a l b e r i c h 型吸声覆盖层是一种周期阵列结构，这类周期结构的声散射是 水声学的一个经典问题。实际上，由多个完全相同的单元规则排列组成的阵 列，不仅可能在某些频段内对入射声产生有效吸收，也可能产生有效的反射。 因此，除用于吸声外，周期结构在水声中还广泛作为隔声、透声结构使用。 比如用于提高低频声源的指向性、屏蔽接收水听器附近噪声源的干扰等。 水声周期结构可以分成单周期和双周期结构两类。单周期结构如柔性管栅系 哈尔滨工程大学博士学位论文 统，在其谐振频段内作为声反射障板使用。双周期结构如a l b e r i c h 型吸声覆 盖层。 为了解内部的物理机制以及帮助指导这类结构的设计，人们对周期结构 建立了多种有效的数学模型。对于管栅系统的研究，b u r k e 、b r i g h a m 、d u m e r y 等人利用了多次散射理论，考虑了圆柱管栅和椭圆柱管栅的情况 3 7 0 9 。v o v k 、 r a d l i n s k i 等人利用波导理论进行了分析l 4 ”2 1o l a k h t a k i a 的方法是利用傅立 叶一贝塞尔展开与转移矩阵理论相结合【4 3 4 4 。上面这些研究工作都是在二维 模型的基础上进行的，即散射体为平行圆柱，入射波矢量在垂直于圆柱轴的 平面内。a c h e n b a c h 利用三维模型，考虑了声波入射方向任意的情况 4 5 。他 也对弹性介质中的二维和三维球形空腔阵列的频散关系进行了研究【4 6 砌】。 关于a l b e r i c h 型吸声覆盖层，g a u a n u r d 在早期利用一维模型对圆柱孔 的情况进行了研究【”】，后来l a n e 对g a u n a u r d 关于谐振吸声机理源于孔壁径 向振动的解释提出了质疑，并通过改变穿孔层材料硬度的实验，提出谐振吸 声主要取决于表面层弯曲振动，穿孔材料层只起到影响表面层边界支撑条件 的次要作用【4 8 】。对此，g a u n a u r d 给出了详细回复【4 9 。他的解释是，表面层和 穿孔层在谐振吸声中的作用大小跟材料相对硬度有关。如果表面层比穿孔层 硬，就主要是孑l 壁的径向振动，就象他所建立的一维模型所反映的情况：如 果相反，表面层软，穿孔层硬，谐振吸声就主要取决于表面层的弯曲，就象 l a n e 的实验中，穿孔层为钢板、表面层为粘弹性材料的情况；如果表面层与 穿孔层的硬度相差不大，那么这两种运动形式兼而有之。 对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 5 叽”j 。虽然针对周期结构的各种解析研 究方法很有效，但都要经过大量复杂的数学推导，使这些方法的应用范围只 局限于少数几何结构形式。h e n n i o n 、e a s w a r a n 等人利用周期介质中声传播 理论，用有限元法进行了分析【5 4 5 ”。h e n n i o n 和e a s w a r a n 对边界条件的处理 方法有所不同，h e n n i o n 的方法对声入射方向没有限制，而e a s w a r a n 的方法 只能研究垂直入射情况。 复合材料的等效介质理论 a l b e r i c h 型吸声覆盖层是利用的大孔的谐振改善吸声。目前在水声中广 泛应用的一类复合吸声材料则是引入小孔，也可能不是空气孔，而是其它材 料填充的声散射体。对于这类复合材料的研究利用等效介质理论，即这种复 合材料虽然从微观上看是非均匀的，但从宏观上，其对声波散射的总体效果 第1 章绪论 可以与某种均匀材料等效。流体或空气中悬浮颗粒或气泡的声散射也是属于 这一类问题。t r u e l l 等研究了弹性或流体介质中弹性、刚性、或流体介质的 单个球形散射体【6 1 6 2 j 。d b a i 利用波导理论研究了流体介质中有周期分布刚 性小球的等效介质声速 6 3 。r u f f a 利用空间有限元法研究了流体中周期分布 气泡的等效声速和介质衰减。o a u n a u r d 利用散射理论分析了各种情况的等 效动态介质参数，如弹性或流体介质，其中分布的散射体由弹性或流体介质 填充、考虑了材料中有损耗的情况以及压力的影响、散射体尺寸分布密度的 影响等等 6 5 - 7 2 1 。g a u n a u r d 的工作忽略了多次散射，仅适用于低的散射体分布 密度。w a t e r m a n 、v a r a r d a n 等人的研究则考虑了多次散射的影响【7 阳j 。 1 3 2 实验技术研究 水声吸声材料的实验技术包括两个方面，即吸声材料动态力学特性参数 测试技术与吸声材料声学性能的实验测试评估技术。 材料动态力学参数测量技术 水声吸声材料为粘弹性聚合物，其特性随着温度、压力、频率等变化明 显。为了有效地使用这些材料，精确测定其复杨氏模量和复剪切模量等材料 力学参数是关键【7 9 】。归纳起来，测定粘弹性材料动态力学参数主要有两类方 法，一类是通过测量材料样品的振动特性推算其力学参数，另一类则通过对 材料声学特性的测量得到其力学参数。声学测量法通过在自由场或声管里测 量材料样品的反射或透射系数计算材料参数 8 0 - 8 6 1 。振动测量主要有质量负载 法【8 7 】、振动梁法 s 8 - 9 1 、动态粘弹谱仪法嗽1 等几种。质量负载法是给待测材 料样品加一质量负载并激励其振动，通过对力和加速度的测量计算出材料的 复杨氏模量。振动梁法的原理是通过测量在给定边界条件下梁的谐振特性， 导出被测材料的弹性模量和损耗因子。这类方法测量的是梁在谐振频率下的 特性，因此只能测量离散分布的频率点上的材料参数。振动梁法有纵波法和 弯曲波法，纵波法只能测量复杨氏模量，弯曲波法则可以测量复杨氏模量和 剪切模量。动态粘弹谱仪( d y n a m i cm e c h a n i c a lt h e r m a la n a l y z e r ) 这种间 接测量方法依据的是高聚物的时一温等效原理，直接测量的量是在低频段、很 窄的频率范围( 一般在0 3 1 0 0 h z ) 内材料杨氏模量随温度的变化。较宽频 率范围内的材料模量则利用高聚物的时一温等效原理和相应的w l f 移动常数， 将测量的模量曲线进行平移叠合而得到【9 3 “j 。 在声学测量与振动测量方法中都有材料参数反演法。比如在大水池中由 哈尔滨工程大学博士学位论文 测量的材料平板试样斜向入射声的反射系数和透射系数可以反演材料参数， 但低频测量时由于样品边缘衍射的干扰会使误差大得难以接受。也有利用做 成球形的待测材料试样，使理论上计算的散射系数与实际测量的散射系数误 差达到最小的办法来计算材料体积模量的做法【9 5 1 。但此法只适用于体积模量 大于剪切模量的情况。而一种基于材料表面振动测量的材料参数反演法，可 以对任意形状的材料样品、在连续的频率范围内同时测得复杨氏模量和复剪 切模量 9 6 。9 8 】。该方法同时利用五台独立的激光干涉仪( 1 a s e r i n t e r f e r o m e t e r ) 测量材料试样的动态响应，并同时进行有限元数值分析， 把测量结果与有限元分析结果进行比较，并将材料的两个模量作为可调整的 参数，则可确定材料参数。w i l l i s 等利用该方法测量了含有微小空腔的材料 的等效模量。 水声吸声材料声学性能测试技术 在水声吸声材料性能的实验测试方面，有声管中的小样品测试和自由场 中的大样品测试两大类方法。声管测量方法经过人们几十年的研究，技术已 经成剿9 9 1 0 0 1 ，并且有关的测量标准也已形成【1 0 1 。1 0 2 】。但这种测量方法有其局 限性，只能测量法向吸声特性是一方面，另一方面的局限就是对于具有一定 内部结构的非均匀材料来说，由于声管测量的样品尺寸有限，测量结果不能 很好地反映吸声结构的整体吸声效果，同时，样品背衬的选择也很关键。而 解决上述问题只有利用大样品在自由场进行测量。材料任意方向声反射特性 的自由场实验测量方法大致可以分成以下几类：( 1 ) 表面声压法l 】。测量材 料表面的复声压，将吸声材料换成全反射面并再次测量表面的复声压，将两 次测得的空间同一点的复声压进行比较。( 2 ) 干涉图法【i 删。根据待测材料表 面附近声场的干涉图样，利用几何声反射理论求得反射系数。( 3 ) 信号分离 法【1 0 5 1 n 。利用脉冲或相关技术将待测材料表面附近测得的声压中的入射波 和反射波分离求反射系数。( 4 ) 双传感器法 1 1 2 - 1 1 3 。在待测材料表面附近放 置两个传感器，通过测量它们之间的传递函数计算反射系数。( 5 ) 声场空间 变换法【n 4 1 1 9 1 。f r i s k 等利用声场的h a n k e l 变换研究了非均匀波从海底的声 反射【1 1 4 1 。t a m u r a 等则提出了一种与近场声全息类似的声场变换技术，在待 测材料表面附近测量两个平行平面上的复声压分布，利用二维空间傅立叶变 换技术将复声压分解，求得各阶平面波的反射系数【1 ”。”j 。h u 和b r o u a r d 利 用这种方法测量了多孔材料的声反射i “7 “8 1 。h e n n i o n 从理论上证明了由平面 波反射、透射系数表征其吸声特性的理论关系对于a l b e r i c h 型吸声覆盖层也 第1 章绪论 是适用的【1 2 0 】。近年来，人们对测试方法不断进行改进以提高自由场大样品的 测试精度，在避免由于样品尺寸有限产生的边缘衍射效应、由测量的瞬态信 号更精确地获取稳态声反射与透射系数方面都做了许多努力5 1 0 9 1 ，1 2 1 m 6 1 。 1 4 我国潜艇隐身技术现状 我国目前的潜艇噪声水平还远远高于俄美等国，无论在潜艇对潜艇、对 水面舰艇、对反潜直升机的作战对抗方面还是在单艇突防，对敌形成战略威 胁方面，都处于十分不利的地位。根据我国的实际情况，针对以美国为首的 强大的西方军事集团对我国所构成的军事威胁，隐身潜艇( 特别是隐形战备 导弹核潜艇) 更是海军在今后相当长的一段时间内应重点发展的“杀手锏”。 未来高技术系统的迅速发展，将会导致非隐身平台与作战系统越来越容易受 到打击和破坏，因而大大地增加对隐身的作战需求，从而将导致在未来的海 军作战行动中对潜艇的依赖性。因为它提供了一种远程、机动、耐久、具有 较大的有效载荷和很强的生存能力的隐蔽性作战平台。在许多的作战环境中， 潜艇是唯一能够生存的作战平台。由此可见我国加紧发展潜艇隐身技术的迫 切性。 我国在潜艇隐身技术方面的研究起步较晚。由于吸声覆盖层的吸声机理 十分复杂，涉及声学、热力学、弹性力学、结构动力学、材料学等诸多学科， 而我们目前开展的研究工作还比较有限，对于吸声覆盖层内部的能量传播与 耗散机制的研究一直没有建立完整的理论体系，对其吸声的内部机理还不很 清楚，在较大程度上是借鉴国外资料进行吸声覆盖层的研制与应用。而各国 潜艇都有其各自的不同特点，在国外潜艇上效果好的吸声覆盖层却未必适用 于我们自己的潜艇，所以要设计隐身性能好的吸声覆盖层，首要的问题还是 应该从根本上了解在结构内部声能发生损耗的物理机制，只有这样才能为吸 声覆盖层的材料与结构设计提供理论基础，避免设计的盲目性。 我国在水声吸声技术方面最早的研究工作出现于6 0 年代。中科院声学所 尚尔昌、朱维庆等人研究了密度与声速渐变吸收层的反射问题，给出了w k b 近似计算公式，计算并在脉冲声管中测试了松木吸声尖劈的吸声系数【”2 0 ”】。 此后十几年几乎未见这方面的研究报道，直到7 0 年代末、8 0 年代初，才有 王荣津等人利用渐变吸收层理论对平板尖劈进行的研究和朱维庆对薄层带孔 橡胶板共振吸声的研究文章发裂1 3 ”1 3 。”。9 0 年代后，出现了一些对谐振腔式 吸声覆盖层的研究。所采用的理论研究方法主要有两种，一是利用变截面波 哈尔滨工程大学博士学位论文 导理论【5 0 翻，二是利用等效均匀分层介质理论【1 3 8 1 3 9 1 。这些方法大都忽略了 切变效应，因此只能对垂直入射情况进行分析。人们普遍认为空腔的吸声机 理主要是靠波形的转换，把压缩波变换成高吸收的切变波而吸收较多声能， 因此忽略切变效应的研究方法可能会产生较大的误差。近几年，谭红波等利 用有限元法所做的分析则可以将材料内的切变效应考虑进去，因此相比以往 的方法有较大改进【6 。其进行有限元离散化采用的是线性插值的四面体单 元，对于曲面空腔的形状逼近不是很好。他分析了一些谐振腔结构，得出了 一些规律，只是计算了几种结构，分析了一些规律，对吸声的研究也还远不 够。在理论研究的同时，实验技术方面对于吸声材料力学参数的测试和吸声 性能的测试也开展了一些研究，但许多技术还很不成熟，需要进行进一步的 深入研究。 1 5 本文的研究内容和研究方法 理论部分，本文利用有限元法对谐振腔式水声吸声覆盖层的吸声机理进 行研究，分析材料后面的背衬条件、空腔的尺寸、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吸声覆盖层模型，研究其对 入射声的反射特性以及对振动噪声辐射的去耦特性随结构和材料参数的变化 规律。 理论分析采用有限元法。假设吸声覆盖层为无限大平面结构，空腔在材 料内为周期性分布。利用b l o c h 的周期结构理论，取一个周期单元进行分析， 对于流体声场也取相应的一个单元。这样处理后，所研究的结构区域变为有 限，而流体仅在垂直于吸声覆盖层平面的方向为半无限，因此再用一个与覆 盖层平面平行的面将流体分隔成有限和半无限两部分。仅对结构的一个周期 单元和对应的流体一个周期单元中所划分出的有限区域进行有限单元网格离 散。在周期单元的边界上满足周期边界条件，而在分隔有限与半无限流体的 假想边界上，将反射声场进行平面波分解，在面上对入射与反射声场总的声 压梯度进行积分，并转化为等效结点载荷作用在所考虑的有限流体上。这样， 就可以建立结构与声场耦合的有限元方程，通过求解方程得到结点声压和位 移，就可以通过求解某几个结点处的复数声压的联立方程组求得各阶平面波 的反射系数。 实验部分，进行吸声材料动态力学参数的实验测定和吸声覆盖层大样吸 声系数的自由场实验测试。 第1 章绪论 利用动态粘弹谱仪( d y n a m i cm e c h a n i e a lt h e r m a la n a l y z e r ) 测量吸声 材料动态力学参数，是一种间接测试方法。其理论依据是高聚物的时一温等效 原理及相应的w l f 方程。在几个不同温度下测量低频段内的材料复数模量， 然后根据时一温等效原理对测得的材料特性参数曲线进行平移叠合，得到所需 的水声频段内的材料动态力学参数。 利用宽带脉冲压缩测量法对吸声覆盖层大样进行自由场实验测试“，测 量声波法向入射的吸声系数。该方法采用信号处理技术对发射换能器的输出 信号进行了压缩，使得发射的声信号脉宽很窄、频谱很宽，从而既实现了宽 带测量从而简化了测试过程，而且便于分离有用信号和材料样品边缘衍射干 扰，达到降低测试频率的目的。同时，通过实验也验证了理论研究方法的有 效性。 1 6 本章小结 本章介绍了世界各国潜艇吸声覆盖技术的现状以及未来发展方向，对吸 声覆盖层的理论研究和实验研究进展进行了综述，分析了我国目前的技术水 平和存在的问题，最后确定了本文的研究内容。 哈尔滨工程大学博士学位论文 第2 章吸声覆盖层有限元分析基本理论 2 1 吸声覆盖层物理模型 吸声覆盖层敷设于潜艇表面，与艇壳组成多层复合结构。本文作者曾经 进行的理论和数值分析表明，吸声覆盖层后面的背衬条件对于其吸声特性有 着举足轻重的影响 3 5 , 5 0 l 。因此，分析一种潜艇吸声覆盖层的性能，仅仅对覆 盖层本身进行研究是远远不够的，必须将覆盖层与艇壳共同组成的系统进行 通盘考虑。 为了对潜艇吸声覆盖层的性能进行理论研究，将吸声覆盖层与艇壳组成 的多层结构简化为平面结构模型。对于单层壳体的潜艇，简化为吸声覆盖层 钢板结构( 图2 1 ( a ) ) 。吸声覆盖层一侧为半无限水空间，模拟艇外大海； 钢板模拟艇壳，钢板一侧为空气，模拟舱室内部。对于双层壳体的潜艇，简 化为吸声覆盖层钢板水层钢板结构( 图2 1 ( b ) ) ，两侧仍分别为 半无限水空间和空气，模拟艇外和舱室内部；两层钢板则分别模拟潜艇的非 耐压壳体和耐压壳体层。根据作者以前的研究，这两层壳体之间的水层对于 吸声覆盖层的特性影响很大，导致反射出现很多尖而高的峥驯。 潜艇敷设吸声覆盖层的最主要目的是减小声反射，人们最关心的性能指 标当然是它的反射系数。a l b e r i c h 型吸声覆盖层利用粘弹性材料的阻尼来消 耗声能，而且通过在材料中打上一些空腔，利用空腔的谐振特性改善低频吸 声。这样一种多层结构反射系数的理论计算比较复杂，需要对问题做进一步 的简化假设。由于空腔在粘弹性材料层内通常是按照某种规律周期排列的， 如果取这种周期排列中的一个单元来分析的话，当整个吸声覆盖层面积很大， 以致于横向尺度远远大于波长时，因为材料中存在损耗，就可以认为从覆盖 层边缘反射的声到达我们所分析的这一个周期单元时，已经过了足够的衰减， 从而可以被忽略，就象吸声覆盖层是无限大一样。所以在理论分析模型中， 再增加一个“无限大”的假设，则潜艇敷设吸声覆盖层的物理模型就简化为 无限大的平面多层结构，其中的粘弹性材料层中含有周期分布的空腔。增加 这个“无限大”近似假设的重要作用在于，有了这一假设条件以后，取一个 周期单元来进行分析，在谐和平面波入射时，所分析的一个周期单元与其相 1 2 第2 章吸声覆盖层有限元分析基本理论 邻单元之间的边界，就可以利用b l o c h f l o q u e t 周期边界条件来处理了5 4 1 。 ( a ) 单壳体潜艇( b ) 双壳体潜艇 (