吸聲材料對水下平臺聲學(xué)特性的影響

梁國龍,龐福濱,張光普

(哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院水聲技術(shù)重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150001)

吸聲材料對水下平臺聲學(xué)特性的影響

梁國龍,龐福濱,張光普

(哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院水聲技術(shù)重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150001)

為了減小水下平臺的反射系數(shù),提高其聲學(xué)隱身性能,提出了在平臺表面覆蓋吸聲材料的方法。利用傳遞矩陣法,推導(dǎo)了水下平臺復(fù)合層結(jié)構(gòu)在聲波斜入射條件下的反射、透射系數(shù),計算了覆蓋吸聲材料前后水下平臺的反射系數(shù),并分析了材料的擺放順序、參數(shù)變化時對平臺聲學(xué)特性的影響。研究結(jié)果表明,未覆蓋吸聲材料時,平臺對聲波的反射系數(shù)接近于1;覆蓋吸聲材料后,平臺的等反射系數(shù)曲線隨聲波的入射角度、頻率大致呈雙曲線狀,對高頻聲波的反射明顯減小;平臺對聲波的反射具有頻率選擇性,增加材料的厚度可以使平臺對聲波的吸收頻段往低頻轉(zhuǎn)移;當材料的損耗系數(shù)增加時,平臺的反射系數(shù)降低。實驗結(jié)果驗證了理論計算的正確性。

聲學(xué);吸聲材料;水下平臺;傳遞矩陣;反射系數(shù)

Key words:acoustics;absorption material;underwater platform;transfer matrix;reflection coefficient

0 引言

水下平臺一般為內(nèi)充空氣腔的彈性殼體結(jié)構(gòu),為了保持其隱蔽性能,同時也為了減小平臺自身的本體噪聲,往往在表面覆蓋吸聲材料,一方面可以提高其自身的隱身性能[1],另一方面也可以減小聲波的反射對其測量裝置的影響。目前常用的吸聲材料仍以吸聲橡膠等粘彈性類材料為主[2]。研究覆蓋吸聲材料的水下平臺的聲學(xué)特性,使其在指定的頻率區(qū)域有效地較少聲波的反射,對于水下平臺作業(yè)測量的有效性具有重要的意義。

將吸聲材料覆蓋在水下平臺的表面,即組成了包含吸聲材料及平臺結(jié)構(gòu)的復(fù)合層結(jié)構(gòu)。當水下平臺的外層曲率半徑遠大于聲波波長時,復(fù)合層結(jié)構(gòu)可以近似為平面分層結(jié)構(gòu)。近年來,許多專家和學(xué)者對復(fù)合層結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性做了大量研究。何祚鏞等分析了聲波垂直入射條件下水下均勻和非均勻材料復(fù)合層的聲學(xué)特性,提出了分層采用錐形和指數(shù)函數(shù)擬合計算包含任意非均勻?qū)拥亩鄬訌?fù)合結(jié)構(gòu)反射、吸聲系數(shù)的近似方法[3-4]。Kimura等提出了一種測量聲波斜入射條件下吸聲板吸聲系數(shù)的方法[5]。朱從云等提出了一種多層吸聲材料吸聲系數(shù)的理論解法,并進行了實驗驗證[6]。張海燕等對各向異性媒質(zhì)中聲波的傳遞矩陣進行了技術(shù)改進,得到了較為穩(wěn)定的全局矩陣[7]。Lee等基于傳遞矩陣法,提出了預(yù)測水下復(fù)合層結(jié)構(gòu)的插入損耗和衰減系數(shù)的方法,實驗證明該方法可在低頻段對4層復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)進行預(yù)測[8]。楊德林等將傳遞矩陣引入了分層介質(zhì)中的聲透射問題[9],雖然僅對聲波垂直入射這一情況進行了分析,但該方法同樣適用于聲波斜入射時結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性分析。Hasheminejad等對均勻介質(zhì)的水下圓柱殼的散射特性做了研究[10],并分析了柱殼的內(nèi)層厚度、材質(zhì)等因素對其共振散射系數(shù)的影響,并研究了聲波斜入射條件下厚壁圓柱殼的散射特性[11]。劉永偉等分析了懸浮泥沙顆粒與水介質(zhì)結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù),并進行了實驗驗證[12]。Stepanishen等利用傳遞矩陣和傅里葉變換的方法,分析了寬帶平面波入射至包含粘彈性介質(zhì)的復(fù)合層結(jié)構(gòu)時,反射波和透射波的時域變化特性[13]。楊雪等研究了梯度分層材料的吸聲性能和阻尼性能[14],在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用三維傳遞矩陣數(shù)學(xué)模型計算了多層復(fù)合結(jié)構(gòu)對垂直入射聲波的吸聲系數(shù)[15],并且分析了各層材料厚度、模量、損耗因子及泊松比變化對吸聲性能的影響,結(jié)果表明各因素變化對吸聲性能影響較大。而在聲波斜入射條件下,由多層介質(zhì)組成的平臺結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)與聲波入射角度和頻率的變化關(guān)系,以及吸聲材料的參數(shù)變化對平臺結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能的影響,目前相關(guān)的研究并不多見。

本文以傳遞矩陣法為計算工具,對比分析了聲波不同入射角、不同頻率條件下覆蓋吸聲材料前后水下平臺的反射系數(shù),并分析了吸聲材料的擺放順序及參數(shù)變化對水下平臺聲學(xué)性能的影響。最后通過實驗驗證了計算的正確性。

1 水下平臺的聲學(xué)特性

水下平臺一般為內(nèi)充空氣腔的單層或多層殼體結(jié)構(gòu),可以將其簡化為由n層介質(zhì)組成的復(fù)合層結(jié)構(gòu)。當聲波斜入射至平臺結(jié)構(gòu)時,由于固體中存在切應(yīng)變,在聲波的激勵下同時存在縱波和橫波[16]。而粘彈性吸聲材料雖然為固態(tài),其力學(xué)特性卻和金屬固體明顯不同,可以看作高粘性的液體,故在聲波通過該類材料時只產(chǎn)生縱波[17]。各層介質(zhì)中聲波的傳播如圖1所示。

設(shè)第i層介質(zhì)為彈性固體介質(zhì),則各層介質(zhì)中的透射角由Snell定律給出[18]:

圖1 平臺結(jié)構(gòu)聲波傳播示意圖Fig.1 Propagation of wave in composite structure

式中:bij(i,j=1,2,3,4)為傳遞矩陣中的元素,其值與平臺結(jié)構(gòu)的各介質(zhì)的彈性常數(shù)有關(guān),具體推導(dǎo)過程見文獻[18].如圖1所示,當入射波pi以角度θ0入射至平臺結(jié)構(gòu)時,在結(jié)構(gòu)前界面和后界面分別形成反射波pr和透射波pt.設(shè)入射波、反射波和透射波的表達式為

式中:R、D分別為結(jié)構(gòu)的反射、透射系數(shù)。設(shè)第i層介質(zhì)的厚度為li,則平臺結(jié)構(gòu)的總厚度為

由于平臺處于無限流體介質(zhì)中,在其邊界處的切應(yīng)力為0.在平臺前界面,即z=0時,邊界條件為

式中:c為材料的實波速;η為材料的損耗系數(shù),它是材料形變相對應(yīng)力的相位延遲的正切函數(shù)值,體現(xiàn)了其彈性形變的弛豫過程,其值一般較小,但可以通過不同的吸聲膠料和配合劑的比例來改變其大小[19]。

2 數(shù)值計算

2.1 平臺的反射系數(shù)

水下平臺為鋼質(zhì)殼體,內(nèi)部為空氣腔,可以看作由鋼板、空氣、鋼板組成的3層復(fù)合結(jié)構(gòu),各層介質(zhì)的參數(shù)如表1所示。在聲波斜入射時,鋼板中同時存在縱波和橫波,其波速分別為5848 m/s、3232 m/s.

表1 水下平臺各層介質(zhì)中參數(shù)Tab.1 Properties of each layer of underwater platform

設(shè)水下平臺置于無限的、均勻的水流體介質(zhì)中,水中聲速為1 500 m/s,密度為1 000 kg/m3.根據(jù)表1中所給參數(shù),計算未覆蓋吸聲材料時平臺的反射系數(shù)。圖2給出了聲波頻率為50 Hz～10 kHz時,聲波斜入射條件下水下平臺的反射系數(shù)。從中可以看出,由于殼體內(nèi)部的鋼-空氣腔的界面結(jié)構(gòu)阻礙了聲波的透射,絕大部分聲波被反射,水下平臺的反射系數(shù)接近于1.因此,未覆蓋吸聲材料的水下平臺具有很高的反聲性能,這對于其測量結(jié)果的可靠性是非常不利的。

圖2 水下平臺的反射系數(shù)Fig.2 Reflection coefficient of underwater platform

2.2 覆蓋吸聲材料時平臺的反射系數(shù)

為了降低平臺的反射系數(shù),在其端面覆蓋吸聲材料,組成包含表1中介質(zhì)和吸聲材料的4層復(fù)合結(jié)構(gòu)。材料密度為1 180 kg/m3,厚度為25 mm,損耗系數(shù)為0.5,介質(zhì)中聲速為(932+244j)m/s.圖3給出了吸聲材料面向聲波入射方向時,此計算模型下平臺的反射系數(shù)。

圖3 覆蓋吸聲材料時平臺的反射系數(shù)Fig.3 Reflection coefficient of underwater platform with sound absorbing material

從圖3可以看出,覆蓋吸聲材料后,水下平臺對低頻聲波的反射仍然較強,而對高頻聲波的反射減弱;在相同的聲波頻率下,聲波垂直入射時反射系數(shù)最小,隨著入射角度的增加反射系數(shù)逐漸增加。不難看出,覆蓋吸聲材料后平臺的等反射系數(shù)曲線隨聲波的入射角度、頻率大致呈雙曲線狀,對高頻聲波的反射明顯減小。

在實際應(yīng)用中,當聲源位于未覆蓋吸聲材料的平臺一側(cè)時,相當于吸聲材料排列在復(fù)合層結(jié)構(gòu)的最后一層,圖4給出了這種情形下平臺的反射系數(shù)。此時平臺對聲波的反射系數(shù)接近于1,基本接近于未覆蓋吸聲材料時平臺的反射性能。由此可見,覆蓋吸聲材料的水下平臺的聲學(xué)特性與其材料的排列順序有密切的關(guān)系,吸聲材料只有在面向聲波入射方向時才能有效地減小聲波的反射,在背對聲波入射方向時基本不起作用。

2.3 材料厚度變化對平臺反射性能的影響

當吸聲材料的厚度增加至50 mm時,計算了平臺的反射系數(shù),計算結(jié)果如圖5所示。當聲波垂直入射時,反射系數(shù)最小的區(qū)域集中在4～6 kHz的頻段,隨著入射角度的增加,等反射系數(shù)曲線呈雙曲線狀往高頻方向轉(zhuǎn)移。結(jié)合圖3可以得到這樣的結(jié)論:復(fù)合層結(jié)構(gòu)對聲波的反射具有頻率選擇性,當吸聲材料的厚度較小時,在計算頻段內(nèi)復(fù)合層結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)隨著聲波頻率的增加而減小;隨著材料厚度的增加,結(jié)構(gòu)對聲波的最佳吸收頻段往低頻轉(zhuǎn)移。利用這一規(guī)律,可以通過調(diào)整吸聲材料的厚度,達到減小某一頻段內(nèi)聲波反射的目的。

圖4 材料位于平臺背部時的反射系數(shù)Fig.4 Reflection coefficient of platform with sound absorbing material on its back

圖5 材料厚度對反射系數(shù)的影響Fig.5 Influence of material thickness on reflection coefficient

2.4 損耗系數(shù)對平臺反射性能的影響

為了分析材料的損耗系數(shù)對平臺反射系數(shù)的影響,計算了2.2節(jié)模型中材料的厚度及實聲速不變,損耗系數(shù)不同時平臺的反射系數(shù)。圖6為入射頻率為3 kHz、6 kHz時,聲波斜入射條件下平臺的反射系數(shù)。顯然,當材料的損耗系數(shù)增加時,平臺的反射系數(shù)減小,且入射角越小、聲波頻率越高時,反射系數(shù)的減小作用越明顯。因此,提高材料的損耗系數(shù)可以有效減小聲波垂直入射時的平臺對高頻聲波的反射。

3 實驗結(jié)果及分析

圖6 損耗系數(shù)對反射系數(shù)的影響Fig.6 Influence of loss coefficient on reflection coefficient

為了驗證理論計算的正確性,在消聲水池中進行了聲波斜入射條件下水下平臺反射系數(shù)的測量實驗。水池長25 m,寬15 m,四周布滿消聲尖劈,對2 kHz以上的聲波具有良好的吸聲效果。實驗所用的水下平臺和吸聲材料的模型如圖7所示,其中水下平臺為內(nèi)充空氣腔的鋼質(zhì)有限長圓柱殼,柱長0.5 m,直徑為0.53 m;殼體厚度為5 mm,鋼質(zhì)殼體及內(nèi)部空氣腔的密度、聲速等參數(shù)與表1相同。吸聲材料是由天津振海橡膠公司生產(chǎn)的粘彈性吸聲橡膠,材料的厚度、密度、聲速參數(shù)同2.2節(jié)中一致。在測量吸聲材料對平臺聲學(xué)特性的影響時將材料裁剪為與平臺端面面積相同,并覆蓋在平臺端面上。水聽器剛性地安裝在覆蓋吸聲材料的平臺前端,在實驗中其距平臺的距離保持在60 mm以內(nèi),以排除平臺其他部分的反射對測量結(jié)果的影響。

圖7 水下平臺及吸聲材料模型Fig.7 Models of underwater platform and sound absorbing material

實驗布局如圖8所示。信號源發(fā)出的電信號經(jīng)過功率放大器進行放大,由發(fā)射換能器轉(zhuǎn)換為聲信號后發(fā)出;發(fā)射換能器距水聽器12 m,以保證入射聲波可近似為平面波。水聽器接收的聲場信號經(jīng)過測量放大器的放大和濾波器的濾波處理后存至信號采集器,最終由計算機進行處理。實驗過程中以5°為旋轉(zhuǎn)間隔旋轉(zhuǎn)水下平臺,采集了不同聲波入射角度時水聽器的接收信號;并根據(jù)自由場時的信號進一步計算平臺的反射系數(shù)。分別測量了入射聲波為6 kHz時,覆蓋吸聲材料前后平臺的反射系數(shù)。

圖8 水下平臺實驗布局Fig.8 Layout of experimental platform

圖9給出了覆蓋吸聲材料前后,入射頻率為6 kHz時,聲波斜入射條件下水下平臺的反射系數(shù)。從圖中可以看出,未覆蓋吸聲材料時,平臺的反射系數(shù)接近于1,這是由于水下平臺的鋼-空氣界面阻礙了聲波的透射,導(dǎo)致入射聲波絕大部分被反射;覆蓋吸聲材料后,平臺對聲波的反射性能減小,反射系數(shù)與入射角度有關(guān):聲波垂直入射時反射系數(shù)最小,隨著入射角度的增加,反射系數(shù)逐漸變大。實驗結(jié)果與理論計算基本一致,驗證了計算結(jié)果的正確性。

圖9 覆蓋吸聲材料前后平臺的反射系數(shù)Fig.9 Reflection coefficient of platform with and without sound absorbing material

4 結(jié)論

根據(jù)多層介質(zhì)中聲傳播理論,利用傳遞矩陣法計算了聲波斜入射條件下覆蓋吸聲材料前后的水下平臺聲學(xué)特性,分析了材料的排列順序、參數(shù)變化對平臺反射系數(shù)的影響,得出如下結(jié)論:

1)未覆蓋吸聲材料時,平臺的反射系數(shù)接近于1;覆蓋吸聲材料后,平臺的等反射系數(shù)曲線隨聲波的入射角度、頻率大致呈雙曲線狀,對高頻聲波的反射明顯減小。

2)吸聲材料只有在面向聲波入射方向時才能有效地減小聲波的散射,在背對聲波入射方向時基本不起作用。

3)覆蓋吸聲材料后,平臺對聲波的反射具有頻率選擇性,通過調(diào)整吸聲材料的厚度,可以減小結(jié)構(gòu)對某一頻段內(nèi)聲波的反射。

4)材料損耗系數(shù)的增加可以有效減小聲波垂直入射時平臺對高頻聲波的反射。

水池實驗驗證了理論計算的正確性,研究內(nèi)容對水下平臺聲學(xué)性能的分析、預(yù)報及隱身設(shè)計具有工程指導(dǎo)意義。

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Influences of Sound Absorbing Materials on Acoustic Characteristics of Underwater Platform

LIANG Guo-long,PANG Fu-bin,ZHANG Guang-pu
(Science and Technology on Underwater Acoustic Laboratory,College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University,Harbin 150001,Heilongjiang,China)

In order to decrease the reflection coefficient of underwater platform and promote its stealth performance,a method of covering a sound absorbing material on the platform is proposed.The transfer matrix method is used to calculate the reflection and transmission coefficients of composite structure in underwater platform in the case of oblique incidence of sound waves.The influences of the arranging sequence and parameters of sound absorbing materials on the acoustic characteristics of underwater platform are analyzed.The results show that the reflection coefficient of platform without sound absorbing material is close to 1;the constant reflection coefficient curve of the platform with sound absorbing material is a hyperbolic curve as the functions of incident angle and frequency,and its reflection coefficient obviously descreases at high frequency.This shows the frequency selectivity in the absorbing performance of platform,and the absorption wave band of platform transfers to lower frequencies by increasing the thickness of sound absorbing material.When the loss coefficient of material raises,the reflection coefficient of platform goes down.The experimental results coincides well with the theoretically calculated results.

TB564

A

1000-1093(2014)07-1065-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.07.020

2013-07-05

國家自然科學(xué)基金項目(51279043、61201411、51209059)

梁國龍(1964—),男,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:liangguolong@hrbeu.edu.cn;

龐福濱(1987—),男,博士研究生。E-mail:pangfubin2006@163.com