（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）尖劈吸声结构吸声性能理论与实验研究.pdf

哈尔滨工程大学硕十学何论文 于两要 尖劈具有阻抗逐渐过渡的性质，同其他吸声结构相比在低频下具有优良 的吸声性能，通过添加空腔、填料等可以增加其吸声频带宽度。在消声水池、 大型消声室及水面舰艇上尖劈吸声结构得到广泛应用。本文旨在研究声波垂 直入射情况下，适用于水下航行体声纳平台区的带有空腔的尖劈的吸声性能。 第一，尖劈内部含有空腔，构成了含有空腔的阻抗逐渐过渡的非均匀吸 声结构。应用变截面波导理论对尖劈结构进行分层处理，建立了吸声系数的 计算方程并编制了相应的m a t l a b 计算程序。 第二，计算了带有空腔的尖劈吸声结构的吸声系数并与传统的平板型吸 声结构的吸声性能做对比分析。分析结果表明，带有空腔的尖劈吸声性能良 好，不仅吸声频带宽而且低频吸声性能优异。 第三，研究尖劈吸声性能的影响因素，- 分别分析了尖劈长度、材料动态 力学参数、内部空腔及静水压力对其吸声性能的影响。通过大量的计算、分 析得到了有意义的结论，为工程实践应用提供了有价值的参考。 第四，应用最优化理论，自编程序对尖劈吸声性能进行优化，分别从材 料动态力学参数和内部空腔两个方面进行优化。材料参数优化分别进行单变 量、多变量优化。空腔优化是在已知空腔形状和总长度的前提下进行的，对 决定空腔变化的参数进行优化。通过计算、分析给出了材料动态力学参数优 化频响曲线和决定空腔形状变化的参数的优化结果。 最后，通过实验研究尖劈的吸声性能，分别进行材料的动态力学参数和 吸声系数测试实验。利用不同温度下某一频段内材料动态力学参数测试结果， 利用时温等效原理，经过数据处理得到了某一温度下宽频范围内的材料参数 值，并把参数值引入所编制的尖劈吸声系数计算程序中，把计算结果与实测 结果进行了比较分析，结果表明本文所采用的计算方法是可行的。 关键词：尖劈；变截面波导；吸声性能；最优化设计；实验研究 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w e d g e s o u n d a b s o r p t i o n s t r u c t u r eh a se x c e l l e n ts o u n da b s o r p t i o n p e r f o r m a n c ei nl o wf r e q u e n c yc o m p a r e dt o o t h e rs o u n da b s o r p t i o ns t r u c t u r e s b e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i c so fg r a d u a li m p e d a n c e ，a n di t sf r e q u e n c yr a n g eo f s o u n da b s o r p t i o nc a nb ew i d e n e db ya d d i n gac a v i t yo rf i l l i n g s w e d g ei sw i d e l y u s e di na n e c h o i cp o o l s ，l a r g ea n e c h o i cc h a m b e r sa n ds u r f a c es h i p s t h et h e s i s i n t e n d st or e s e a r c ht h es o u n da b s o r p t i o np e r f o r m a n c eo fw e d g ec o n t a i n i n ga c a v i t yw h i c hi sa p p l i c a b l e f o rs o n a rf l a ta r e ao ft h es u b m a r i n es u f f e r e df r o m v e r t i c a li n c i d e n c ea c o u s t i cw a v e f i r s t l y , w e d g e c o n t a i n sac a v i t ya n df a s h i o n st h eh e t e r o g e n e o u ss o u n d a b s o r p t i o ns t r u c m r ew h o s ei m p e d a n c ec h a n g e sg r a d u a l l y b a s e do nf i o n u n i f o r m w a v eg u i d et h e o r y , t h ew e d g es 仃u c t u r ei sd i v i d e di n t os e q u e n c eo fl a y e r s ；t h e e q u a t i o n o fs o u n da b s o r p t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h ec o r r e s p o n d i n gm a t l a b c o m p u t i n gp r o g r a m a r ee s t a b l i s h e d s e c o n d l y , t h et h e s i sc a l c u l a t e st h es o u n da b s o r p t i o nc o e f f i c i e n to fw e d g e t h a t c o n t a i n sac a v i t y a n d 、c o m p a r e si tw i t ht h ea c o u s t i cs o u n dp e r f o r m a n c eo f t h e t r a d i t i o n a l p l a t e s t m c t u r e t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es o u n da b s o r p t i o n p e r f o r m a n c eo fw e d g et h a tc o n t a i n sac a v i t yi sb e t t e rb e c a u s eo fb r o a ds o u n d a b s o r p t i o nf r e q u e n c yr a n g ea n de x c e l l e n ts o u n da b s o r p t i o np e r f o r m a n c ei nl o w f r e q u e n c y t h i r d l y , t h et h e s i s r e s e a r c h e st h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so fw e d g e ss o u n d a b s o r p t i o np e r f o r m a n c e t h el e n g t ho fw e d g e ，m a t e r i a ld y n a m i cm e c h a n i c a l p a r a m e t e r s ，t h ec a v i t y i nw e d g ea n dh y d r o s t a t i c p r e s s u r e a r ec o n s i d e r e d s i g n i f i c a n tc o n c l u s i o n sa r eg o tb yal o t o fc a l c u l a t i o n sa n dp r o v i d ev a l u a b l e r e f e r e n c ef o re n g i n e e r i n gp r a c t i c e f o u r t h l y , t h et h e s i so p t i m i z e st h ew e d g e ss o u n da b s o r p t i o np e r f o r m a n c e w i t ht h eo p t i m i z a t i o nt h e o r yt h r o u g ha l t e r i n gt h em a t 嘶a ld y n a m i cm e c h a n i c a l 哈尔滨： 稃人学硕+ 学位论文 p a r a m e t e r sa n dt h ec a v i t y t h es i n g l e - v a r i a b l ea n dm u l t i v a r i a b l eo p t i m i z a t i o n sa r e a p p l i e d t ot h em a t e r i a ld y n a m i cm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s s e p a r a t e l y a n dt h e o p t i m i z e df r e q u e n c yr e s p o n s ec u r v e sa r eo b t a i n e d t h ec a v i t yo p t i m i z a t i o nd e s i g n i sd i s c u s s e do nt h ea s s u m p t i o nt h a tt h es h a p ea n dt h el e n g t ho ft h ec a v i t ya r e k n o w ni na d v a n c e ，t h eo p t i m i z a t i o nr e s u l to ft h ep a r a m e t e rt h a td e c i d e st h e v a r i e t yo ft h ec a v i t yi so b t a i n e d l a s t l y , t h et h e s i ss t u d i e st h es o u n da b s o r p t i o np e r f o r m a n c eo fw e d g et h r o u g h e x p e r i m e n t ；t h ed y n a m i cm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so f m a t e r i a la n ds o u n da b s o r p t i o n c o e f f i c i e n ta r es e p a r a t e l yt e s t e d t h et h e s i so b t a i n sm a t e r i a lp a r a m e t e r si nab r o a d r a n g eu n d e rac e r t a i nt e m p e r a t u r eb yu s i n ge x p e r i m e n t a l r e s u l to fm a t e r i a l d y n a m i cm e c h a n i c a lp a r a m e t e r si naf i e q u e n c yb a n du n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s t h er e s u l t so fs o u n da b s o r p t i o nc o e f f i c i e n to fw e d g ec a l c u l a t e di nt h et h e s i sa r e c o m p a r e dw i t ha c t u a lm e a s u r e dd a t a ，a n dt h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h em e t h o d a d o p t e di nt h i st h e s i si sf e a s i b l e k e y w o r d s ：w e d g e ；n o n u n i f o r m w a v eg u i d e ；s o u n da b s o r p t i o np e r f o r m a n c e ； o p t i m i z a t i o nd e s i g n ；e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 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 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，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) ： 日期：年月日 哈尔滨t 柞大学硕十学何论文 第l 章绪论 1 1 论文研究的目的及意义 潜艇是水下航行体的典型代表，自其问世开始就成为世界上最重要的水 下作战平台，具备良好的隐蔽性和很强的突袭能力，并由此决定了其在海战 中的突袭优势及威慑作用，良好的隐身性是保证其生存能力和战斗力的关键 所在。 潜艇无以伦比的战斗力源于它极好的隐蔽性能，主要通过改变潜艇的声、 光、热、电、磁等特征，使敌方探测设备难以发现和识别。随着现代化技术 在潜艇中的应用，潜艇的隐身技术飞速发展，但随着反潜技术的不断进步， 已经形成了卫星、空中、水面和水下的反潜综合侦查系统，潜艇的隐蔽性受 到极大的挑战。通常，非物理场的现实检测差不多与艇长尺度同量级，而且 现代潜艇的潜深在不断增加，a i p ( a i ri n d e p e n d e n tp r o p u l s i o n ) 技术的应用 使得潜航时间倍增。声波是目前在海洋中唯能够远距离传播的最有效的能 量形式，因而对于潜艇而言，声隐身技术在各项隐身技术中仍然占据主导地 位。潜艇的声隐身技术是指使敌方的声纳探测不到本潜艇位置或使敌方声纳 的探测距离缩短或是提高本艇先敌发现、先敌攻击目标的各种技术措施0 潜艇的噪声源主要分为三部分：机械噪声、水动力噪声和螺旋桨噪声， 中低速时机械噪声是主要噪声源，中高速时水动力噪声和螺旋桨噪声是主要 噪声源。目前潜艇上采取的主要降噪措施有：低噪声推进技术、智能与主动 控制技术、声隐身材料技术和多层减振技术等。潜艇的水噪声主要分为辐射 噪声和自噪声，辐射噪声是由潜艇上机械运转和潜艇运动产生并辐射到水中 的噪声，它是被动声探测装置的“信息源”，用以评价本艇招致声纳探测和水 中武器攻击的危险性。潜艇自噪声是潜艇自身动力装置、设备和艇体运动形 成的水中噪声，是潜艇上安装的各种声纳及水声设备的干扰源之一。在潜艇 的不同位置其自噪声是不同的，其中声纳基阵平台处的自噪声最重要，过大 会影响本艇声纳的作用发挥，极大影响潜艇战斗力和生存能力。 哈尔滨 ：程大学硕士学位沦文 声纳具有对水中目标检测、定位、识别和跟踪、运动分析等功能，是现 代潜艇检测水中目标的重要手段，其性能的好坏将直接影响到潜艇的性能。 声纳性能的发挥不仅受基阵及导流罩功能的影响，而且与声纳平台区自噪声 密切相关，自噪声的大小直接影响到被动声纳的作用距离、目标识别精度， 降低自噪声是提高声纳信噪比的一条重要途径，因此声纳平台区减振及吸声、 隔声、隔振是潜艇减振降噪的一项重要内容。在声纳平台区敷设声学材料可 以有效地改善我艇声纳的工作环境，及早的发现敌舰艇及各种声制导武器， 提高先敌发现、先敌攻击的能力。有研究表明，声纳平台区自噪声降低3 分 贝；本艇声纳探测距离可增加约3 0 。声纳平台区敷设的声学材料主要作用 有：吸收声腔内的噪声混响，有效降低声腔内声反射的强度，改善声纳工作 环境；隔离、减少声纳平台外部振动噪声向声腔内的传递；抑制声纳平台结 构的振动并减少声辐射。吸声材料对声波进行衰减、吸收主要采用如下几种 方式：，。 ( 1 ) 增加声波在吸声材料内将声能转化为热能的效率：使用高阻尼弹性 体；使用内部浸透粘弹性流体的材料；在内部引进谐振腔，增加纵波向剪切 波的转化。 ( 2 ) 在材料内部增加声波的散射：在内部引进空腔和钢硬的散射体。 ( 3 ) 采用阻抗过渡型消声覆盖层：使用多层材料；采用阻抗渐变的材料。 就声学结构而言，其材料和结构对其吸声性能起主要作用。水下吸声材 料各有特点，但是一般都采用橡胶类和聚胺酯类等高阻尼材料，有时还提到 硅类材料。在结构形式上主要采用空腔过渡型、多层渐变型、多种材料复合 型等。对于良好水声吸声材料有两项最基本的技术要求：材料的声阻抗与传 播介质的声阻抗要匹配，使声波在介质中无反射地进入吸声结构；材料本身 内耗要大，使声波在吸声结构中很快衰减。橡胶类的高分子材料无疑是一种 很好的水声吸声材料，这是因为橡胶的声阻抗和水的特性阻抗非常接近，声 波很容易从水进入到橡胶中。橡胶的弹性模量只是金属的几十万分之一，它 的某些力学性质与稠密的粘滞性液体类似，橡胶的粘滞系数甚至要比稠密的 2 哈尔滨工程大学硕十学佗论文 i ii i 粘滞性液体大许多，因此也存在着声波的粘滞吸收。此外，橡胶材料的吸声 还可通过分子的驰豫吸收来完成。橡胶类的高分子材料由于本身的特性，能 够将声波的能量转化为热能，从而达到衰减声波的目的。 为达到良好的降噪效果，通常采用材料改进和声学结构相结合的方式， 即利用材料本身的声学特性，再配合合理的声学结构设计，通过声学结构造 成声波在结构中的波形转换、散射和反射达到衰减声波的目的。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 水声材料研究方面 在水声工程中，高分子粘弹性材料经常用作水声吸声材料，高分子材料 的声学特性与许多因素有关，如温度、声波入射频率、基体高分子材料的化 学结构、化学交联体系以及填料等n ，。此外作为水声材料使用时，还必须考虑 材料的工程特性，包括材料的透水性、耐压性、与金属的粘接强度、与水的 声匹配性等因素。通常内耗大、阻尼特性好的高分子材料适宜作水声吸收材 料，如丁基橡胶、聚氨酯橡胶等。 均匀材料通常难以同时满足阻抗匹配、声衰减性能好这两仓条件，所以 在用均匀材料制备吸声材料时，必须采用声学结构，即通过在材料中设置经 过特殊设计的空腔或添加气泡性填料等方式来提高吸声性能。含有气泡或空 腔的吸声材料的主要特点是：常压下吸声系数较大，对特定频率范围的声波 吸收效果好。但它吸声频带窄而且对水压敏感，随着水压增加，这类吸声材 料的吸声频率向高频方向移动口，。为解决高分子材料和结构在水下耐压和低频 吸声问题，需要一些特殊的结构，如将添加有填料的氯化丁基橡胶加入空心 球壳内伽，构成带有壳体的吸声单元，再以聚氨酯材料包覆。随着水压的增加， 壳体会被聚氨酯包覆得更加紧密，使单元与聚氨酯失去相互位移的空间，从 而解决材料耐压吸声问题。高分子涂层溶解梯度吸声结构主要用于降低、吸 收水下航行体产生的噪声，王源升等完成了几个系列水溶性高分子涂层，用 于水下航行体达到了良好的吸声降噪效果，梯度结构的存在是水溶性涂层水 哈尔滨工程大学硕十学位论文 声衰减的关键，声波在梯度层中被多次反射吸收，从而实现声波的有效衰减。 在橡胶体中加入微小球形空腔t s ，材料的低频吸声机理是基于球体散射， 声波在材料中传播过程中发生了波形转换，增加了剪切形变的损耗。k r y n k i n 等，对橡胶以及球状重质填料所构成的声学结构进行计算机模拟，研究填料连 续以及离散状态下材料的性能，尝试了通过优化材料性能参数得到设定性能， 特别是有效的宽频吸声性能。h i n d e r sc 设计了一种添加微粉的消声涂层用于 宽频水声信号的衰减，该涂层的特性阻抗与波阻抗相匹配，材料中添加的刚 性微粒促使入射的弹性波发生多重散射，以增大声波衰减。 美国宾夕法尼亚州立大学开发了一种主动式吸声涂层埘，该涂层由弹性 体、压电复合材料激励器和高分子压电传感器组成，高分子压电传感器检测、 分离出入射声波，并将信号通过电路放大产生_ 系列适当的驱动电压，驱动 激励器在很宽的频率范围内产生一个与入射扰动相匹配的动态阻抗，使涂层 不发生声反射也不发生声透射。c o r s a r o 用含有不同种类和含量的填料通用 硅胶树脂制备了一系列声学性能不同的橡胶复合材料捌，并测定了这些材料的 声速、密度、衰减常数，找到了填料的种类和含量与材料声学性能之间的关 系式，可以根据关系式设计具有特定性能要求的材料。l a c o u r 发明了_ 种吸 毒材料和消声涂层，由未极化的压电高分子材料制成，材料中有无定形相 和结晶相，结晶相至少占8 2 ，无定形相通过添加碳粉或本征导电高分子使 其具有导电性，这种材料可以将声能转化为电能耗散掉，具有质量轻、易成 型等优点。s e v i k 研制了一种具有特殊结构的水声消声、去耦材料“”，基材是 高内耗橡胶类粘弹性材料，其中无规则分布着许多通道，通道在水接触表面 设有开口，当浸入水中时通道中充满水。基体材料中有一部分材料会具有不 同的阻抗会产生阻抗失配以增强充满水的通道周围基体材料的剪切变形，入 射到基材表面上的声波在基材内部造成周期性形变，并把这种运动传递给通 道中的水，将声能转化为热能。 随着声纳技术的发展，探测声纳的工作频率越来越低，促进了人们对吸 声材料低频宽带吸声性能的研究，同时也促进了水声材料测量技术的发展。 4 哈尔滨t 秤大学硕十学何论文 1 2 2 实验测试方面 阻抗管测量空气中材料声学性能已经有1 0 0 多年的历史。b e r a n e k 于1 9 8 8 年所著声学测量中介绍了6 种测量方法m ，。其中两种方法得到广泛认同 并成为国际标准：驻波比法与传递函数法，这两种方法目前仍然广泛应用。 驻波比法测量空气中的吸声系数是一种经典的测量方法。中科院声学所 建造了4 0 r a m x 4 0 r a m x 5 0 0 0 m m 的驻波管用来测量吸声尖劈及其他较大吸声 件的吸声系数。上海交通大学为测量水声材料吸声系数而建造的注水驻波管 长度达8 米。 在频谱分析理论及f f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，快速傅立叶变换) 算 法逐渐成熟之后，1 9 7 7 年，a f s y e b e r t 与d f r o s s 首次提出了双传声器白 噪声激励技术n s ，。j y c h u n g 与d a b a s l e r 在。1 9 8 0 年发展了双传声器理论“ ”1 ，共同提出利用阻抗管双传声器传递函数法测量空气中材料吸声系数及声强 的方法，传递函数法使吸声系数的测量从单频测量跨越到宽频测量，大大节 省了测量时间，传递函数法中传声器位置是固定的。1 9 8 6 年，h n a s b d o 如与 m a t s a b o m 系统地分析了双传声器法测量材料声学特性的误差，并提出了一系 列减少误差的措施。1 9 9 5 年，同济大学王毅刚等改进了基于双传声器的传递 函数法“q ，提出了基于三传声器的传递函数法，解决了双传声器间距不能等 于半波长整数倍的问题。，1 9 9 9 年，西北工业大学陈克安等研究了双传声法测 量空气中斜入射吸声系数时受各种测量因素的影响n ”。 水声材料吸声系数测量方法是从空气中吸声系数测量方法发展而来的， 因此原理基本相同，但由于水下材料特有的声学特性以及水中测量局限性， 水声材料吸声系数测量又有不同之处。 自由场法是一种应用比较成熟的准现场测量方法，国内杭州应用声学研 究所李水及缪荣兴等对自由场法进行了深入的理论及实验研究，提出了自由 场宽带压缩脉冲叠加法。：1 9 8 1 年，d h t r i v e t t 提出了自由场测量的p o r n y 方法来减小边缘衍射对测量的影响。1 9 9 7 年，张清泉及朱蓓丽对p o r n y 方法 进行了探讨和改进。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 阻抗管驻波比法是水声材料吸声系数测量应用非常普遍的一种方法。 1 9 9 2 年，上海交通大学朱蓓丽与中国舰船研究中心肖今新进行了阻抗管双水 听器传递函数法低频测试并给出了误差分析n 帕。2 0 0 2 年，t o d ds c h u l t z 等给 出了双传声器法测量材料声学特性的不确定度理论分析“”。2 0 0 2 年，p r e s t o n ， s w i l s o n 系统阐述了注水阻抗管的声传播理论并分析了注水阻抗管与空气 中阻抗管的声性能差异n ”。 对于目前的吸声测量方法，其数据处理很少是实时的，应用于现场测量 与生产线测量等情况还有一定的技术难度。 1 2 3 理论、数值研究方面 国内外对水声材料的声场理论研究已有相当长的历史，主要针对实心材 质吸声材料进行了研究，而对于带空腔的声学材料的理论研究近几年来也在 开展，但至今没有建立令人信服的理论。在对水声吸声结构的研究中，主要 从两个方面入手：一方面是吸声结构的材料属性和结构形式已知情况下，研 究声波在吸声结构中的传播、衰减、吸收问题，研究其性能与各因素间的关 系，在此基础之上来确定吸声结构的声学效果；另一方面是结构在水下的振 动和声辐射特征，可以归结为水下结构振动与声辐射的计算问题。 - 何祚镛等人根据非均匀波导理论研究了水下非均匀复合层结构的吸声问 题n 耵，声波垂直入射，将材料看作多个薄层，将空腔的影响看作面积的变化，在 每个薄层中将面积变化规律近似为线性规律或指数规律或双曲线规律等，根 据截面上压力连续、质点振速连续的各层问边界条件，求得传递矩阵，最终 求得吸声系数。 朱蓓丽等研究了带圆柱通道橡胶体的声特性n ”，认为橡胶材料主要通过 波形变换达到吸声作用，通过用传递函数法求总反射系数，研究复合过渡型 橡胶吸声机理。 上海交通大学硕士研究生邵颖应用有限元方法研究了含有非均匀介质层 的复合薄层结构的低频声反射特性，结构基材为橡胶，橡胶中周期分布有 6 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 多孔性介质和重核，构成非均匀吸声结构。计算结果表明，这种非均匀吸声 结构的低频吸声性能良好。 在理论、数值计算方面，研究尖劈吸声结构的声场理论也已有相当长的 历史，然而至今还没有建立严格的声场理论，由于其界面的不规则性，用严 格的波动理论很难给出精确解，只能作近似计算。对于带有空腔的尖劈的声场 理论就更加复杂了。关于尖劈吸声结构声场的近似计算，通常方法是在横截面 上把尖劈材料与周围媒质的特性阻抗等声学参量按面积计权作某种平均后得 出等效吸收层的相应量心“矧，然后根据渐变层理论来处理。由于吸声材料( 如 橡胶) 与周围媒质( 如水) 相比较，其特性阻抗等声学参量是很相接近的， 在吸声材料中它们是幅角为小值的复量，因此等效吸收层中相应量的实部近 似保持不变，而虚部则与尖劈截面积成正比。 中科院声学所尚尔昌、朱维庆等人讨论了密度与声速渐变吸收层反射问 题，给出了w k b ，近似下反射率的表达式，计算并且在脉冲声管中测试了 松木吸声尖劈的吸声系数。 朱维庆研究了用于声纳平台区降噪用的共振式吸声材料性能与几何结构 和橡胶动力学性能的关系乜”，找到了简单的表达式，并结合实验进行了校核。 赵松令对劈形吸声结构的性能作了半理论半经验的分析嗌，以变分法为 基础导出了平均有效密度和压缩模量的计算公式，分析了声阻抗率的近似公 式。 王仁乾、马黎黎、缪旭弘研究了带空腔尖劈吸声器吸声性能问题嘲，利 用尖劈共振腔声学性能优势互补来提高吸声效果。首先将其作为一个变截面 管，然后近似为多个环型平台结构，认为各平台对应于变截面波导的相应位 置，计算入射波在这些平台上的反射，把各个回波加起来就是总的回波，但 是文中并没有考虑材料的参数、空腔形状对尖劈吸声性能的影响，也没有考 虑材料参数随频率的变化关系以及静水压力对吸声性能的影响。 马玉璞对s a w 型阻尼吸声尖劈进行了研究 z 7 ，研究了舰艇用新型阻尼吸 声尖劈的配方，并对s a w 型尖劈用橡胶材料的性能进行了分析，测试了2 0 0 h z 7 哈尔滨：l ：程人学硕十学位论文 和4 0 0 h z 两个频率下的材料动态力学参数并且对尖劈常压下的吸声性能进行 了实验研究。 国外对水下吸声材料的研究也是分重视，特别是对具有声学结构的吸声 材料的吸声机理进行了深入的研究。s a c h 研究了结构中含有按一定规律整齐 排列的非均匀相夹杂物的复合吸声涂层的声反射嘲，提出了具有周期性二维 空间变化的声学材料表面声反射的基本理论。 h l a d k y - h e n n i o n 等人用有限元方法建立了单周期被动吸声结构对声波 的散射模型汹 川，又将该方法用于具有双周期被动吸声结构，用a l b e r i c h 消 声涂层模型计算的数值结果和实验结果对比证明了有限元方法的正确性。 e a s w a r a n 等用有限元法分析了谐振型吸声涂层对垂直入射平面波的声 反射特性恤，采用波导理论与阻抗匹配条件建立了数学模型，并将有限元结 果和其他有关文献中的结果进行了比较。 h i n d e r s 建立了添加微粉的复合涂层的声反射系数与微粉尺寸、涂层厚 度之间的函数关系嵋，。 1 3 本论文的研究方法和内容 本文在国内外学者研究的基础上，分别应用理论近似计算和实验的方法 研究尖劈吸声结构的吸声性能，尖劈结构中分布有空腔，构成了非均匀的阻 抗过渡型吸声结构。本文的计算是在m a t l a b 环境下编程进行，进行了大量的 计算，分别研究了尖劈材料的力学参数、内部空腔结构及静水压力对尖劈吸 声性能的影响并对材料力学参数、空腔进行了优化设计，最后通过实验来研 究带有空腔的尖劈的吸声性能。 论文第一章介绍了论文的背景、论文研究的理论意义及实际应用价值。 在阅读整理大量国内外研究文献的基础上，总结了声学材料的研究发展状况、 声学材料性能测试的国内外研究现状、声学结构吸声性能理论、仿真计算研 究概况，本章最后对本文的主要研究内容进行了简介。 论文第二章介绍了尖劈吸声性能研究的理论基础，主要包括平面声波垂 8 哈尔滨一i 程大学硕士宁位论文 直入射到吸声结构声传播、吸收的基本理论，变截面波动方程及其解，尖劈 吸声结构的吸声特性与吸声机理。 论文第三章采用变截面波导理论，利用m a t l a b 编程计算了尖劈吸声结构 的吸声特性。具体包括尖劈长度对其吸声性能的影响，内部共振空腔形状、 尺寸的不同对其吸声性能的影响，材料的动态力学参数及静水压力的变化对 其吸声性能的影响。 论文第四章初步研究了含有空腔的尖劈的吸声性能的优化。应用最优化 理论，以m a t l a b 7 0 最优化工具箱为计算工具，分别对尖劈材料的动态力学 参数及内部空腔进行优化，得到了材料参数优化频响曲线和决定空腔变化的 参数的优化值。 论文第五章主要是通过实验来研究尖劈吸声结构的性能。分别介绍了材 料动态力学参数、尖劈吸声系数的测试方法及原理。通过动态力学参数实验 数据的分析处理得到了宽频带范围内的参数值，实验测试了含有空腔的尖劈 样品的吸声系数并与本文计算结果做对比分析：验证本文所采用计算方法的 有效性。 论文最后对全文进行了总结，总结得到的有价值结论并对下一步的工作进 行了展望。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第2 章尖劈吸声性能研究理论基础 为了便于对复杂声学结构中声传播、吸收特性进行分析，本章将对垂直 入射声波在粘弹体中传播的基本理论以及声学材料的基本参数给予介绍，并 就尖劈吸声性能计算、分析的基本理论进行简要介绍。其中一些声学参数( 如 吸声系数、反射系数、特性阻抗、声特性阻抗率等) 及相关基本理论将在以 后章节中直接予以应用，不再加以说明。 2 1 声波垂直入射时的基本理论m 川 声波在材料中传播主要由其传播速度和声波的损耗表征。声波在高分子 材料中传播有两种形式的波，一种是纵波，又叫压缩波；另外一种是横波， 又叫剪切波，由固体力学波动理论可知，纵波声速为 q 刮揣 材料的弹性常数间存在如下关系 k ：垒，g ：土 3 ( 1 2 0 - )2 ( 1 + 盯) 所以纵波声速可以表述为 医i 面万 c t2 万一 式中：e 杨氏模量 k 体积压缩模量 g 剪切模量 密度 盯泊松比 一般的固体材料泊松比较小，可以略去其二次项， ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 由此纵波声速变为 厍 ( 2 _ 4 ) - j 万 “_ 4 ) 然而高分子声学材料虽然形态上与固体材料无异，但其泊松比一般都近似为 l o 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 0 5 ，材料的体积压缩模量远大于剪切模量，声波在其中传播与液体中的声传 播极为相似，其纵波声速可以表述为 q2 = 居而而卜 = c t ( 1 + i r t ) ( 2 5 ) 式中q 为实纵波声速，表述了声波在材料中实际传播速度；仍为纵波损耗因 子，表述了声波在材料中的衰减或吸收；r h 为体积压缩模量损耗因子 仉= 等 陆6 ， 仉2 i l z 咱) 声波在高分子材料中传播时横波声速为乏 j 乞2 = 居师丽卜卜7 ， 式中乞为实切变波波速，仉为剪切波损耗因子，为剪切模量损耗因子 萨1 2 可 考虑平面波垂直入射时，材料不激发切变波，只激发纵波。 声波在粘弹性材料中传播时其声速是复数，所以传播的波数乏也是复数 其中：竺 c j i ：孚一豇：竺 c c 眩 弘万 ，为相位常数；口：竺 c 缈一 一z c 2 z 兄 ( 2 - 8 ) 为衰减常数，表示材料中每单位长度上平面波波幅衰减的奈培( n p ) 数，或 者用衰减的分贝数( d b ) 来表示( 1 n p = 8 6 8 6 d b ) ，材料的衰减常数越大，材 料中传播的声能衰减也会越大。 2 2 声学材料相关参数介绍2 声学材料的主要作用包括吸声、隔声两个方面。因此，工程上衡量声学 哈尔滨1 二稃人学硕j ：学1 = 7 ：论文 材料的声学性能亦主要从这两个方面出发，吸声性能用吸声系数、反射系数 及声阻抗率来评定；隔声性能则用隔声量、声压透射系数来评定。下面就对 声学材料性能参数进行简单介绍口“。 2 2 1 吸声系数反射系数声阻抗率 吸声材料的主要性能指标有吸声系数、吸声谐振频率以及吸声频带宽度， 其中最重要的性能指标是吸声系数。 当声波入射到材料表面时，入射声能的一部分被材料表面反射回去，另 一部分进入材料内部被大幅度吸收衰减，还有一部分透过材料进入材料的另 一侧，当大部分声能进入材料( 指被吸收和透射) ，反射能量较小时表明材料 的吸声性能良好，吸声性能的优劣一般用吸声系数来描述。 进入材料的声能与入射到材料表面的声能的比值称为材料的吸声系数， 一般用口来表示 口：生生：1 一曼( 2 9 ) e te i 式中：口吸声系数 e ! 入射声能 置反射声能 可见吸声系数变化范围是在0 , - - 1 之间，吸声系数越大表明材料吸声性能 越好，一般认为材料的吸声系数大于0 2 时可以称为吸声材料。 同一种材料，对不同频率的声波，吸声系数往往是不同的。通常所说的 材料的吸声系数往往是指在1 2 5 、2 5 0 、5 0 0 、1 0 0 0 、2 0 0 0 和4 0 0 0 h z 6 个倍 频程中心频率下的吸声系数，有时也用上述六个频率下的吸声系数的算术平 均值来表示材料的吸声性能。 吸声的谐振频率( 或最大吸声频率) 是吸声材料吸声系数最大值对应的 频率。 吸声材料吸声的频带宽度是指吸声系数超过额定值时的频率范围，它取 决于吸声材料的频率特性。 1 2 哈尔溟工程人。了：硕十学何i ：仑文 材料的吸声系数一般都是通过实验获得的。常用的吸声系数测量方法有 阻抗管法和混响室法，。阻抗管法主要是通过对管中沿轴向传播的单频率平 面声波在吸声材料表面反射而形成的驻波进行测量，从而确定吸声系数。混 响室法是通过测定混响室的混响时间来确定材料的吸声系数。 当声波入射到材料表面时，反射声波声压幅值与入射声波声压幅值的比 值称为声压反射系数，一般用尺来表示 尺：盟( 2 1 0 ) p i 式中：r 声压反射系数 办入射声波声压幅值 b - 反射声波声压幅值 吸声系数口与声压反射系数尺有如下关系 口= 1 一r 2( 2 - 1 1 ) 声阻抗率的定义式为 z ：丛型 ( 2 一1 2 ) “( x ) 式中：z 媒质的声阻抗率 p ( z ) 媒质中x 处的声压 豺o ) 媒质中x 处的质点速度 当声波入射到材料表面时，材料表面的声阻抗率z 与声压反射因数尺有 如下关系式 z = 篇1r ( 2 - 1 3 ) +4 ” 式中：成为入射波所在介质的特性阻抗，如果材料为水声材料，则p m c m 为 水的特性阻抗。 2 2 2 隔声量声压透射系数 当声波入射到材料表面时，入射声能的一部分被材料表面反射回去，一 部分进入材料继续传播。进入材料内的声能，一部分由于材料的阻尼、粘滞 哈尔滨t 稃人学硕士学位论文 等特性而被消耗吸收，另一部分穿过材料进入另一侧的空间中继续传播。 入射到材料表面的声能与透射到材料另一侧的声能的1 0 倍对数的差就 为隔声量，用咒来表示 t l = 1 0 1 9 e i - 1 0 1 9 巨= 1 0 1 9 ( e i e , ) ( 2 1 4 ) 式中：t l 隔声量，单位d b e 入射声能 e 透射声能 同一种材料，对不同频率的声波，隔声量往往也不同。同吸声系数一样， 工程中常用材料在1 2 5 、2 5 0 、5 0 0 、1 0 0 0 、2 0 0 0 和4 0 0 0 h z 6 个倍频程中心 频率下的隔声量来表示材料的隔声性能，有时也用这6 个隔声量的算术平均 值来表示材料的隔声性能。 目前最常用的测量材料隔声量的方法是混响室法，。它是将面积约为1 0 平方米的样品放在两个相邻混响室隔墙的中间，然后通过测量两个混响室的 声压级来确定材料的隔声量。 当声波入射到材料表面时，透射声波声压幅值与入射声波声压幅值的比 值称为声压透射系数，用t 。来表示 t 。= 丝 ( 2 1 5 ) p i 。 式中：t 。声压透射系数 仍入射声波声压幅值 刃透射声波声压幅值 隔声量勉与声压透射系数t 。有如下关系式 t l = - 2 0 1 9 t v ( 2 1 6 ) 2 3 变截面波动方程及其解 带有空腔的尖劈结构中声传播特性与变截面管中的声传播问题类似，本 文应用变截面波导理论对带有空腔的尖劈吸声结构的吸声系数随频率的变化 关系进行计算。 1 4 哈尔滨t 程人学硕七学位论文 考虑到带有空腔的尖劈结构的材料为弹性介质，不考虑空腔内空气的切 变应力，平面声波垂直于尖劈结构入射，假定其中传播的声波波阵面按截面 的变化规律传播，则对应的声场满足变截面形式的波动方程，声传播规律遵 循特殊形式的波动方程，表达式如下 窘+ r 掣，芸= 吉窘( 2 - 1 7 ， 这里选用坐标z ，如果上述波动方程的形式解p = p ( x ) e m ，则( 2 - 1 7 ) 式可 写成对于变量x 的常微分方程 掣+ 一s d p ( x ) 彬地) ：0 (218)dx 2 sd x 、7 式中：k = c o c ，s i _ 堕掣。由于堕里是z 的函数，所以式( 2 1 8 ) y 撼 。a x 廖 数常微分方程，其解可表示为变系数的指数函数的组合，即 尸( x ) = 4 ( x ) 【骂e 。“+ 砬e 加】 ( 2 - 1 9 ) 其中，a ( x ) 与仃为待定量，参数b l ，b 2 由边界条件确定，将式( 2 1 9 ) 代入式 ( 2 1 8 ) ，可得如下关系式 彳”于) 一( 善) 彳( z ) + ( k 2 - 0 - 2 ) 彳( x ) 】+( z ) + ( 詈) 彳( x 如= ( 2 - 2 0 0 2 j 0 2 a 0 ) 彳”( x ) 一( 鲁) 彳( z ) + ) 彳( x ) 】+ ( z ) + ( 导) 彳( x 如= ) o 6 式中；么i ( 力：垦掣，彳( 力：百d 2 a ( x ) 。 旺x 若使式( 2 - 2 0 ) 恒成立，其实部和虚部应分别等于零，得到如下两个方程 ， 2 a 1 ( x ) + ( ) 彳( x ) 亨0 ( 2 - 2 1 ) 彳飞x ) + ( 告) 彳i ( 力+ ( 露2 一万2 ) 彳( 力= 0 ( 2 - 2 2 ) 对于截面s ( 力= 胛2 ( z ) ( 实心圆锥) 或s ( x ) = n - r 1 2 ( x ) - r 2 2 ( x ) 】= 胛2 ) ( 或带空腔的圆锥) ，厂( 力是圆面半径或环形面的等效半径，则s s = 2 r r ， 由式( 2 21 ) 和( 2 - 2 2 ) 可得 彳( x ) 童1 r ( x ) ( 2 2 3 ) ，”( x ) ，( x ) = k 2 一盯2 ( 2 2 4 ) 所以只要知道尖劈结构的截面半径随x 的变化函数，( z ) ，由式( 2 2 3 ) 、( 2 2 4 ) 1 5 哈尔滨：l ：程大学硕士孑：位论文 就可确定么( x ) 与仃。由于在上面推导过程当中没有对截面积随x 的变化规律 作任何限定，因此这一解原则上对带有任意形状空腔的尖劈结构均适用。由 质点振速和声压关系，可得振速， 础)=篙嘶+j郴a(x-aj)l(pc 瑚 ( 2 - 2 5 ) 庀 以i xj 式中：彳( x ) = 2 。甜一噜) “，五( z ) = p 一如+ ( 鲁) p 加。 则在z 点截面处的输入声阻抗 f 泓一( 骂2 j 叮x 驯南c 筹+ 叮啬r ( 2 - 2 6 ) 且 令， e - 胁一( 警e j g ( z ) = 一 ( 。2 7 ) p 叫寄弦_ ： 若已知管的终端声负载z a ；( ，) 和截面积s ( ，) ，则有 州) =