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。     

含圆柱形空腔吸声覆盖层的二维理论

发展了一种基于线性粘弹性Kelvin-Voigt模型的二维解析理论,分析声波垂直入射情况下含有周期分布圆柱形空腔的吸声覆盖层的反声和吸声特性。将覆盖层单元近似为粘弹性圆柱管,导出轴对称波的特征方程。再利用前后界面的边界条件得到这些轴对称波的共振频率和覆盖层的反射系数公式。根据理论模型计算了刚性背衬下某种材料吸声覆盖层的低频吸声性能。计算结果表明:(1)材料损耗因子越大吸声系数越大,但吸声峰值频率基本上不变,(2)覆盖层越厚吸声峰值频率越低, (3)穿孔率越小吸声峰频率越高,吸声系数峰值越大。     

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     

水下多层均匀材料的声特性

本文研究水和空气中由不同厚度的两层弹性板及消声橡胶共同组成的分层介质在斜入射时的声特性,并采用数值方法求解多层结构声场的线性方程组。得到反射,透射系数,当板的厚度远小于波长时,采用弹性薄壳振动模型和弹性波模型进行计算,它们的结果基本相同,但是薄壳振动模型更便于计算和理论分析;对系统反射系数和透射系数的计算结果表明,系统增加消声橡胶层后,极大地改变后射系数和透射系数的频率响应;频率升高,反射系数减小     

双层周期加肋有限长圆柱壳声散射精细特征研究

研究了双层周期性加肋有限长圆柱壳在水中的声散射特性. 壳体振动用薄壳理论的Donnell 方程描述,环肋振动用相互独立的薄板纯弯曲振动和平面应力状态下的振动方程描述,忽略弦间流体对环肋轴向力的作用. 数值计算给出远场收发合置情况下的周向目标强度和角度-频率谱图,并据此进行机理分析. 计算结果表明远场散射声场中除壳体弹性贡献外,弦间流体以及环肋与内外壳的相互作用对散射声场的贡献也是很重要的,并且在角度-频率谱中出现了舷间流体引起的流体附加波以及周期环肋引起的Bragg散射等回波精细特征,其中流体附加波是双层加肋圆柱壳声散射最重要的散射精细特征,是以往单层圆柱壳声散射所不具有的现象. 最后通过实验对理论推导进行了验证,实验与理论基本符合. 关键词： 声散射 圆柱壳 环肋 流体附加波     

黏弹性吸声材料复弹性模量优化研究

针对黏弹性材料吸声效率问题,利用分层介质声传播理论和数值算法优化了不同物理条件下材料的复弹性模量。采用参数等效的方法分析了含气泡黏弹性材料的声学特性,并给出了此种材料优化后的弹性模量曲线。根据物理模型计算了一定边界条件下材料复弹性模量等吸声系数曲线,得到了几种背衬条件下黏弹性材料吸声系数大于0.8的弹性模量和损耗因子范围。研究表明调节黏弹性材料的复弹性模量可以有效提高材料的吸声性能,吸声系数大于0.8时其弹性模量和损耗因子范围在不同背衬条件下差异较大,发现一定厚度的钢背衬会降低调控复弹性模量的难度,对含气泡黏弹性材料的计算也可得到类似结果。      

充水管道声分隔片消声性能研究I.理论分析

本文对在充水管道中加入声分隔片的消声结构的消声性能进行了理论研究,用模式匹配法计算了有限长度声分隔片的传递损失和功率反射系数.研究结果表明,声分隔片的消声效果优于通常所采用在管壁加吸声衬层的结构,并且其功率反射系数很小.     

降低加肋双层圆柱壳辐射噪声线谱的结构声学设计

为降低双层圆柱壳辐射噪声线谱,从控制内壳振动响应和衰减壳间振动传递率进行结构声学设计。采用机械阻抗理论分析了环肋圆柱壳模态响应控制机理;由环肋振动方程推导分析了环肋径向机械阻抗特性;基于阻抗失配、波形转换原理提出一种阻抗加强环肋,分析了振动波阻抑特性;利用阻尼减振技术,综合考虑肋板的刚度、阻尼特性,设计了金属橡胶层叠肋板;结合数值计算实例,分析了设计双层壳模型的声辐射性能。结果表明:设计的双层加肋圆柱壳结构能有效降低辐射噪声线谱,在分析频段内辐射声压线谱平均降低约6.6 dB。研究结果对研制低噪声水下航行器具有良好的工程价值和应用前景。      

求解水中加肋板声辐射特性的虚拟声源法*

发展一种利用虚拟声源离散声场的方法求解加肋板在水中的声振耦合问题。由波叠加原理和单元体积速度匹配的原则,根据离散的结构单元满足的动力方程和结构与介质的交界相容性条件,确定虚拟声源强度,计算结构的声辐射功率。本文以简支矩形加肋板为例,在不获得结构表面振速和声压的情况下,计算了结构在水中的声辐射功率,并与解析方法计算的结果进行了比较,表明了该方法具有较好的计算精度。     

基于等效参数反演的敷设声学覆盖层的水下圆柱壳体声散射研究

应用了一种等效方法计算敷设声学覆盖层无限长圆柱壳体水下声散射特性.等效方法的核心是忽略复杂声学覆盖层内部的声学结构,将其作为具有等效材料参数的均匀阻尼层进行建模,该均匀阻尼层具有和原覆盖层相同的复反射系数.进而,应用COMSOL Multiphysics软件建立敷设均匀阻尼层圆柱壳体的有限元模型并求解其声散射特性.等效方法的关键是等效材料参数的获取.采用充水阻抗管实验和有限元数值实验两种方法获取声学覆盖层贴敷在与壳体具有相同厚度、相同材料背衬条件下的复反射系数,在此基础上,基于遗传算法反演材料的等效参数.研究表明,等效参数具有频变特性,且尽管等效杨氏模量和等效泊松比在频率范围内存在较大波动,但是等效前后复反射系数仍保持一致.为了验证等效方法求解壳体声散射特性的准确性,同时建立了敷设声学覆盖层壳体的完整有限元模型,将覆盖层内部声学结构进行精细建模,并求其声散射特性.结果表明,两种方法求得的形态函数符合得较好,在整个频率范围内平均误差大约为1 d B.     

充水管道声分隔片消声性能研究Ⅰ.理论分析

本文对在充水管道中加入声分隔片的消声结构的消声性能进行了理论研究,用模式匹配法计算了有限和蔗声分隔片的传递损失和功率反射系数。研究结果表明,声分隔片的消声效果优于通常所采用在管壁加吸声衬怪的结构,并且其功率反射系数很小。     

两侧有固体层负载时板中Lamb波的传播

本文研究了薄板二面有固体导负载时板中Ｌａｍｂ波的传播，从弹性波理论出发并结合应的边界条件，导出板中Ｌａｍｂ波的色散方程，数值计算表示，不管作为自由状态时板中Ｌａｍｂ波相速（板厚取定时）是大于或小于外层固体的声表面波波速，板中对称及反对称模式的Ｌａｍｂ波相速都随着外层固体层厚度增加而变化并且渐近于外层固体的声表面波波速，数值计算又表明，对很薄的板，板中对称及反对称模式的相速均随负载板的厚度呈线性变化     

内嵌不同形状散射子的局域共振型黏弹性覆盖层低频吸声性能研究

最近研究表明,将声子晶体中的局域共振现象引入到水下吸声材料的设计中,可以观察到由局域共振引起的低频声吸收现象.为了进一步揭示局域共振低频吸声机理并获得更优的水下低频声吸收性能,研究了内嵌不同形状散射子的黏弹性声学覆盖层.利用晶格和散射子在空间排布的对称性,传统有限元方法得到简化,从而节约了计算时间和存储空间,并通过将简化有限元法计算得到的结果与传统有限元法计算的结果进行对比,验证了简化有限元方法的正确性.结合位移云纹图,考察了特定频率点上振动模态与相应的局域共振吸声峰之间的关系,揭示了内嵌圆柱形散射子的黏弹性覆盖层的吸声机理.进一步讨论了相同体积下不同形状的圆柱形散射子对黏弹性覆盖层吸声性能的影响,给出了提升覆盖层低频吸声性能的优化思路.通过讨论不同芯体材质对内嵌圆柱形散射子的黏弹性覆盖层吸声性能的影响,找到了改变第一共振峰位置的方法,从而可以通过调整第一共振峰来实现特定频率范围内的宽带吸声.     

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。      

周期性加隔板有限长圆柱壳声散射

研究内部真空周期性加隔板圆柱壳在水中的声散射特性.壳体振动用薄壳理论的Donnell方程描述,隔板振动用相互独立的薄板纯弯曲振动和平面应力状态下的振动方程描述.考虑轴向、切向、径向三个方向的力和弯矩共同作用导出了散射声场的解析表达式.数值计算给出远场收发合置情况下的角度-频率谱图,并据此进行机理分析.通过与内部周期性加环肋圆柱壳声散射的角度-频率谱图比较发现,除周期加肋产生的Bragg散射波与弯曲Bloch-Floquet波外,加隔板的情况还存在明显的隔板共振亮线,并且发生隔板共振与壳体弹性波、Bragg散射波、弯曲Bloch-Floquet波耦合的现象.通过实验对理论进行了验证,在实验的频率范围内,Bragg散射亮线与理论符合得很好,部分Bloch-Floquet波散射亮线和隔板共振散射亮线也与理论符合.     

水中双层弹性球壳的回声特性

研究水中双层同心弹性球壳的声散射．利用严格弹性理论和分离变量法导出了Rnyleigh简正级数解．计算并比较了单层和双层弹性球壳的反向散射形态函数．为了分析回波结构也计算了窄脉冲回波序列．结果表明,外壳很薄内壳稍厚的双层弹性球壳的回波特性主要依赖于内壳。在低Ka时双层壳体的回波可以近似用内部充水的外壳和内部真空的内壳的回波叠加而成．     

超声与固体中含气泡层的相互作用

本文利用固体层状媒质声反射模型,给出了固体中含气泡层声反射和透射系数的表达式,并由此导出沿固体中含气泡薄层对称和反对称模式界面波的特征方程式。本文还介绍了含气泡固体有效弹性模量的估算方法,文中给出的数值计算具体说明了气泡体积浓度和气泡层厚度对声反射系数、声透射系数以及反对称模式界面波传播速度的影响,本文的研究为根据声反射系数和界面波的传播速度的测量反演固体间气泡层的力学性能提供了理论依据。 关键词：     

有液层负载时薄板中类Lamb波的传播

本文研究薄板一面有液层负载时板中类Ｌａｍｂ波的传播，从弹性波传播理论出发，导得了类Ｌａｍｂ波的色散方程。由于几何不对称，因此不可能严格区分出对称与反对称模式，而是耦合在一起。数值计算结果表明，板中类Ｌａｍｂ波相速度随液层厚度增加呈周期变化。当ｋｔｄ＜＜１时类反对称模式的相速度变化近似与液层厚度成正比，这与特征阻抗法结果相同。初步实验结果验证了上述理论。     

多重散射方法研究轴对称空腔覆盖层的声学特性

发展了一种多重散射方法研究声学覆盖层的半数值半解析模型,分析了影响轴对称空腔结构声学性能的主要能量耗散机制。在球坐标条件下推导出轴对称空腔结构的位移和应力场基函数,通过对空腔表面基函数的数值积分,得到散射波和入射波之间的传输矩阵方程,结合分层介质声传播理论计算了周期性空腔结构覆盖层的反射、透射和吸声性能。研究结果表明;空腔共振是低频能量耗散的主要形式,边界条件对材料空腔结构的谐振特性影响很大,利用双空腔耦合共振可以拓宽材料的低频吸声频带;背衬对材料的高频吸声影响较小,材料的高频能量损耗取决于空腔的散射和波型转换特性。      

含玻璃微球的黏弹性复合材料覆盖层的水下吸声性能分析

水下吸声覆盖层对潜艇的隐身具有重要的意义, 因此得到了广泛的关注. 本文对含有玻璃微球的黏弹性复合材料覆盖层的水下吸声性能进行了理论分析. 采用等效参数法计算了玻璃微球的体积含量对复合材料的力学和声学性能的影响. 应用声波在多层介质中传播的一维模型, 计算了不同玻璃微球体积含量的单层复合材料覆盖层的吸声性能.结果表明, 增加玻璃微球的体积含量可以提高覆盖层的低频吸声性能, 但是其高频吸声性能降低.采用遗传算法对玻璃微球在覆盖层厚度方向上的体积含量分布进行优化. 优化的多层结构可以在一定的频带内改善覆盖层的表面与水的声阻抗匹配, 在保证覆盖层的高频吸声系数大于某一限值(0.7)的前提下, 提高其低频吸声性能.另外, 多层优化结构覆盖层不含宏观的空腔结构, 不影响覆盖层的耐压性能.其结构简单, 对制备工艺的要求不高.因此, 本文形成的理论方法适用于水下吸声覆盖层的设计. 关键词： 水下吸声 黏弹性复合材料 玻璃微球 遗传算法