水中阻尼复合箱体结构的振动声辐射特性研究

基于结构有限元法和声学边界元法,建立弹性层-粘弹性层-外部声场耦合声振数值计算模型,对敷设阻尼材料的壳体结构在水中的振动声辐射性能作了系统的研究。研究结果表明:敷设粘弹性阻尼层使结构振动响应和声辐射水平明显降低, 其减振降噪的效果与阻尼层的几何尺寸、物理参数和外激励频率有关;同未敷设阻尼层的弹性结构相比,敷设粘弹性材料的方箱结构在水中的振动响应,受流体可压缩性的影响不大,同时,不同流体边界条件(自由液面和刚性壁面)的影响也相对减弱。     

阻尼材料敷设方式对双层壳体声辐射性能的影响

研究了内、外壳体敷设粘弹性阻尼材料的有限长加肋双层圆柱壳的振动和声辐射性能,采用经典Flugge微分算子描述壳体的运动,运用Helmholtz波动方程和壳体表面的边界条件来求解位于内、外层壳之间的环形流场,并利用傅氏变换, 可以求出声压的表达式,粘弹性阻尼层的运动用三维Navier方程描述,将阻尼沿厚度方向的位移用泰勒展开表示,利用不同的位移和应力的连续性边界条件分别建立了无阻尼以及三种阻尼材料敷设方式的振动方程,并用数值计算讨论了光壳和三种阻尼材料敷设方式对三种壳间连接形的双层壳体振动和声辐射的影响,结果表明敷设阻尼材料能降低壳体的辐射噪声,并且内壳敷设阻尼比外壳敷设阻尼的减振降噪效果好,内外壳均敷设阻尼材料的减振降噪效果最好。     

黏弹性材料的动态力学特性及其对覆盖层吸声性能的影响

本文利用标准化动态力学测量手段获得了某种高分子聚合物的动态杨氏模量,并根据时温等效原理对动态杨氏模量与声学测量在频段上的差异加以分析和转换,得到了500—7500 Hz频率范围内该黏弹性材料杨氏模量随频率变化的特性.基于所测得动态杨氏模量,采用有限元方法分析了均匀黏弹材料的吸声性能,并将仿真结果与样品声管实验数据进行对比,验证了测试所得参数的准确性.进一步仿真分析了含有局域共振结构的声学覆盖层吸声性能,并讨论了黏弹性材料的动态特性对其吸声性能的影响,提出了改进水声覆盖层低频宽带吸声特性的建议.     

水下环形凹槽圆柱体散射声场空间指向性调控

本文提出一种具有深度梯度的环形凹槽结构,可用于调控水中有限长刚性圆柱体散射声场空间指向性.基于声学相位阵列理论分析了环形凹槽圆柱声散射空间指向性改变的机理,研究表明:凹槽深度方向相位延迟和凹槽间Bragg散射的相互作用使得平面声波垂直于圆柱方向入射其正横方向散射声波发生偏转.采用有限元方法讨论了凹槽结构参数如占空比、梯度等对圆柱散射声场空间分布特征的影响规律.多个不同深度梯度环形凹槽单元组合圆柱体散射声场数值计算和实验结果显示:具有环形凹槽结构圆柱体正横方向散射声波均匀偏转到预定的空间范围内,使得圆柱体声散射场空间指向性均衡化,改变了圆柱整体的散射特征,这为水下目标声隐身设计和声波定向传播提供了新的方法.     

水下三弹性柱壳耦合声散射特性研究

为研究3个并排无限长弹性圆柱壳受垂直于柱轴方向的平面声波作用的声散射特性,采用Fourier级数展开法建立了圆柱壳声散射数学物理模型,考虑了三圆柱壳弹性振动声辐射和刚性声散射,建立了3个壳体辐射声场和刚性散射声场的耦合作用关系,比对了等效散射强度的刚性散射分量与弹性散射分量,并分析了三壳体等效散射强度特性。计算结果表明:当ka₂>40,在频率f=3000 Hz以上频段,弹性分量对等效散射强度变化趋势的贡献可以忽略。当ka₂>30,在频率f=2400 Hz以上频段,弹性散射分量对等效散射强度影响不超过3 dB;三壳与单壳的等效散射强度在0°入射角方位相当,其它方位三壳体等效散射强度明显大于单壳体。本文的理论公式可推广到任意数量阻抗柱的声透射和声反射问题。      

一种含横向圆柱形空腔的声学覆盖层的去耦机理分析

在水下结构表面敷设去耦覆盖层是降低其声辐射的有效途径. 为了深入分析一种含横向无限长空腔的覆盖层的去耦机理, 本文将其等效为均匀介质, 建立了敷设这种覆盖层的单向基体板在线激励下的声辐射模型, 验证了计算模型的有效性, 并利用计算模型对含横向空腔覆盖层的去耦机理进行了分析. 研究结果表明: 基体板-覆盖层接触面的能量流以纵波能量为主, 而横波能量很小, 因而计算覆盖层的去耦特性时可以忽略横波的作用; 和均匀覆盖层相比, 横向空腔型覆盖层在中高频段极大地增强了基体板的力阻抗, 从而更有效地抑制了基体板的振速; 此外, 和均匀覆盖层相比, 横向空腔型覆盖层和水的阻抗失配更大, 使其在中高频具有良好的振动传递损失特性. 因此, 总体而言, 含横向空腔的覆盖层相比均匀覆盖层具有更好的中高频去耦性能.     

钢板-空气背衬上含空腔粘弹性材料层的声反射特性

本文研究声波从水中入射到粘弹性材料层-钢板-空气上的反射特性，运用分层介质中的波动理论研究粘弹性层均匀情况的声特性，运用有限元方法研究粘弹性层含空气腔结构情况的声特性。结果表明，改变粘弹性材料消声特性需要综合调整材料的弹性参数；粘弹性层内的空腔结构对声特性产生很大影响，改变其谐振特性和反射系数的收敛特性。文中以含圆锥腔、圆台等复合腔的结构粘弹性层为例，计算了其反射系数的频响特性、谐振模态，并分析了结构的影响。     

内部体积源作用下的圆柱壳内外声场特性

圆柱壳内各型体积源辐射噪声特性研究是声场建模和声场预报的前提.为了研究具有指向性的大尺度体积源特性对水下航行器结构内外声场的影响,本文结合薄壳理论、等效源和柱腔Green函数构造了体积源激励下的壳体振动耦合方程,研究了体积源表面声散射作用和指向性强弱对圆柱壳内外声场的影响.数值计算结果表明,体积源构造的准确性与其等效源位置有关,等效源配置在体积源几何中心与其结构表面之间0.4—0.6时,可以提高声场计算结果的准确性;大尺度体积源表面的声散射作用会导致壳体内部声场结构发生改变,内声场声腔共振峰发生偏移,并且在部分频段引起较强的声透射现象;此外,体积源指向性变化对壳体内外声场强弱影响较小,其显著作用表现在改变了外辐射声场的远场指向性.该研究结果对噪声预报和控制有一定的参考价值.     

外部加环肋有限长圆柱壳体声散射

为了深入理解双层加肋圆柱壳体的声散射机理,专门研究了两层壳体之间环肋的声散射。仅考虑模型的刚性散射,采用Kirchhoff近似推导了单个环肋的反向散射声场的解析解,并推广到等间距的环肋散射,结合圆柱壳刚性散射得到外部加周期性环肋的圆柱壳体的散射声场近似解。同时,利用图形声学方法(GRACO)对模型的目标强度进行数值计算。理论与实验的结果表明,刚性散射在反向散射声场中起主要作用,周期性环肋引起的Bragg散射对散射声场有重要贡献,同时遮挡效应在实际情况下有较大作用。      

基于主动声学超材料的圆柱声隐身斗篷设计研究

基于多层复合材料结构的二维声隐身斗篷设计思想, 利用主动隔膜声学空腔有效密度可以任意控制这一特性, 设计了主动声学超材料下的无限长圆柱声隐身斗篷. 给出了主动隔膜声学空腔单元的声电元件类比模拟电路图和具体的有效密度控制方法. 进行了主动声学超材料声隐身斗篷的结构建模, 并对平面入射波入射下此圆柱隐身斗篷周围声压分布场进行仿真计算. 结果表明, 平面波在一定频率范围内可以毫无阻碍地透过圆柱斗篷, 似乎不存在这种障碍物, 达到声隐身效果. 同时, 计算了主动声材料斗篷下总散射截面随频率变化曲线, 研究了此斗篷隐身效果随频率的变化特性. 本文从主动控制角度探讨实验实现隐身斗篷的技术问题, 有望给声隐身斗篷实验设计提供一条新的技术途径.     

近似声斗篷的多层介质覆盖水中弹性球壳的声散射

对水中弹性球壳的低频覆盖层消声效果和消声机理进行研究。声斗篷(Acoustic cloak)是各向异性的超常材料,根据有效介质近似理论(Effective MediumApproximationTheory),采用各向同性多层介质近似各向异性材料的声斗篷,推导出覆盖多层介质水中弹性球壳散射声场的解析表达式,计算了弹性球壳覆盖多层介质前后的散射形态函数、谐振模态以及声场分布,分析了覆盖前后球壳的声散射特性和声传播机理。研究表明,覆盖层内的声波在多层介质之间的声传播方向发生改变,声场形成弯曲变形,声能流绕过目标,这不仅极大的降低了低频散射强度,而且使到达弹性体表面的声场强度非常小,散射频响中除了0阶子波产生的第一个谐振峰外,无法激发弹性球壳的其它谐振模态,有效的抑制弹性球壳的谐振散射。      

Sound scattering from underwater elastic spherical shell covered with multilayered medium approximated acoustic cloak

The anechoic performance and mechanism of underwater elastic spherical shell covered with coating are studied at low frequencies.The acoustic cloak is anisotropic material,which can be designed with homogeneous isotropic materials on the basis of effective medium approximation theory.The analytic expression of scattering acoustic field from the shell covered with multilayered medium is formulated and the scattering form function,resonance mode,acoustic field distribution are computed,the scattering characteristics and mechanism of transmission are analyzed.The results show that the direction of sound transmission inside the multilayered medium is changed,the acoustic field is deflected gradually,and the acoustic energy flux is guided around the target,which reduces the scattering intensity at low frequencies,the acoustic intensity of target＇s surface is very weak.Excepting the first resonance peak in spectrum produced by the zero order partial wave,the other resonance modes of elastic spherical shell are not excitated and the multilayered medium can suppress the resonance of the spherical shell effectively.     

含空腔的功能梯度声学覆盖层水下吸声特性

针对传统的声学覆盖层吸声频带窄的问题,基于功能梯度材料的特点提出了一种含空腔结构的水下功能梯度声学覆盖层结构,引入梯度有限元法建立了功能梯度型声学覆盖层的水下声学计算模型,研究了功能梯度声学覆盖层结构的水下吸声特性。与传统的功能梯度结构声学建模方法相比,在保证计算精度和计算效率的基础上,文中所建立的功能梯度结构声学计算模型可适用于更复杂的功能梯度声学结构声学性能评估。研究结果表明,功能梯度声学覆盖层能够有效改善中高频段的吸声性能,获得较好的宽频吸声效果。此外,空腔形状采用锥型空腔结构或者组合型空腔结构可以有效地拓宽功能梯度声学覆盖层的吸声频带。      

含有周期球腔的黏弹性覆盖层消声性能分析

利用散射矩阵法分析了单个球状空腔在黏弹性橡胶中的Mie散射特性以及振动模式.以此为基础，利用多重散射法分析了不同背衬条件下，含有单层周期球状空腔的橡胶覆盖层(厚度为8mm)的消声性能.结果表明，单个球腔的径向共振对覆盖层的低频消声性能有重要贡献，覆盖薄层在共振区具有良好的消声性能.最后，设计了双层消声覆盖层(厚度为20mm)，有效拓展了消声带宽. 关键词： Mie散射 多重散射法 消声材料 声子晶体     

Anechoic coatings obtained from two- and three-dimensional monopole resonance diffraction gratings

Underwater sound reflections can be reduced in magnitude by a rubber coating including three-dimensional (3-D) cavities forming a doubly periodic diffraction grating. A monopole resonance for sphere-like cavities enhances absorption in the surrounding rubber solid. A corresponding resonance for an infinite cylinder is studied in the present paper. Appearing at a considerably lower frequency than for a sphere with the same radius, it suggests the possibility of much thinner anechoic coatings including cylindrical cavities, with axes in a lateral direction, forming a diffraction grating with a single period. This is effectively a 2-D case, because of invariance in the axial direction. Subsequent coating design computations, using the layer-multiple-scattering method and including cavities of different sizes, show improved reflection reduction with coatings only about one third as thick. Still accounting for multiple scattering among the cavities and capturing the essential physics, the monopole approximation is applied to advance the analytic study of the reflection reduction. An energy decomposition relation is derived and used to quantify the absorption of the incident sound energy by cavities of different sizes. Coatings based on filled inclusions and other resonance effects are briefly considered. Again, the 2-D alternative with cylinders of mixed sizes gives thinner coatings.     

Theoretical and Numerical Studies on in vacuo Structural Admittance of an Infinite,Coated Cylindrical Shell

Acoustical Physics - Studying the interaction of sound with a coated cylindrical shell immersed in water is essential for improving existing underwater target detection and classification...     

Structure-borne noise reduction for an infinite, elastic cylindrical shell

A theoretical model was developed to evaluate the reduction of structure-borne noise generated by an axially symmetric ring force which is applied on the interior of the cylindrical shell. The vibrating cylindrical shell is coated with a microvoided elastomer that is acoustically soft material designed for the reduction of the generated noise. The analytical model is a two-layer shell structure comprised of a cylindrical shell and an outer layer (coating) that is perfectly bonded to the cylindrical shell. The outer and inner surfaces of the coated shell are in contact with water and air, respectively. The analysis for this problem is based on the theory of elasticity, acoustic wave equations, and pertinent boundary conditions. Effects of various parameters such as coating thickness and material properties on the noise reductions are presented.     

水下吸声覆盖层声管测试的背衬研究

在吸声覆盖层水声声管测试的实验研究中，覆盖层背衬的选择对测量结果有重大影响。在我们二维理论研究的基础上，建立了吸声覆盖层声学特性的传递函数模型，分析比较了不同背衬对吸声覆盖层声学性能的影响。结果表明，不同背衬对吸声覆盖层吸声性能的影响具有明显不同的特性。背衬为双层壳体时，水层对吸声覆盖层的吸声系数曲线有明显的调制现象。背衬为单层壳体或双层壳体时，从整体上讲，吸声系数更趋近于刚性背衬而非软背衬的情况。在实验室小样品声管测试中，以较厚的钢柱作为背衬的测试数据来衡量吸声覆盖层性能更为合适，且易于实现。