水下吸声机理与吸声材料

随着我国加速实施海洋强国战略,对先进水下吸声材料的需求日益迫切.与空气吸声不同,水下的高静水压力和复杂的海洋环境对水下吸声材料提出了更为苛刻的要求.吸声问题的本质是如何将弹性能高效地转化为热能或其他形式能量.本文综述了主要以聚合物分于内摩擦机制及界面耗能机制为基础的传统水下吸声材料.传统水下吸声材料面临的主要是其在低频及高静水压力下吸声性能差的问题.这是因为:一方面受质量密度定律的限制,有限厚度的水下吸声材料无法有效吸收水中传来的低频声波;另一方面,在高静水压力下,弹性材料如高分于聚合物会变"硬",从而大大降低了声波弹性能的转换效率.随着局域共振理论及超材料概念的提出,发展出了一系列新型水下吸声材料,为解决水下吸声材料遇到的难题提供了新思路.局域共振理论的特点是可以用小尺度结构控制长波声波的传播,从而可以解决低频吸声问题.本文重点综述了局域共振理论,以及由此发展出的声于木堆、声于玻璃等新型水下吸声材料.声于玻璃材料在局域共振理论基础上,通过引入多孔金属骨架结构提高了材料的抗压性能,从而解决了高静水压力下材料吸声性能变差的问题.本文最后对水下吸声材料未来发展方向进行了展望.     

金属导爆索的爆炸水声特性

为了研究金属导爆索的水声特性,进行了水下爆炸压力测试和气泡脉动实验,获得了金属导爆索水下爆炸冲击波传播和衰减特性及气泡脉动特性.研究了金属导爆索水下爆炸的声压级、声持续时间、混响效应和功率谱特性,结果表明:(1)金属导爆索水下爆炸声压级较高,具有很强的声功率;(2)金属导爆索水下爆炸后产生的气泡脉动和随后产生的大量小气...     

SOUND ABSORBING PROPERTY OF POROUS METAL MATERIAL AT HIGH TEMPERATURE AND HIGH SOUND PRESSURE LEVEL

在多孔金属材料的湍流统计理论的基础之上, 考虑温度高声压对多孔材料声学参数的影响, 得到适用于高温高声压条件下多孔金属材料的分析模型. 计算了不同温度和不同声压级条件下声压幅值与金属纤维直径、孔隙率等物理参数的关系. 研究发现其他参数不变, 在高温条件下, 随温度升高多孔金属材料的声压幅值增大; 在高声压条件下, 随着声压的升高多孔金属材料的声压幅值增大. 所得理论结果与已有的实验中的规律符合良好,为多孔金属材料在高温、高声压条件下的减振降噪设计提供了理论基础.     

隧道爆破声波对毗邻养殖水中声场环境的影响

以福建省罗源县正在建设的龟屿隧道爆破工程为例,分析了隧道爆破地震波的传播规律和对毗邻大黄鱼育苗池的水中声场环境的影响.研究结果表明:(1)爆破作业将显著地增加毗邻大黄鱼育苗池的水中声强(比未爆破前的水中声强高约60～80 dB),强度的增加与爆破药量成正比,与爆点的距离成反比,且距离的影响远大于爆破药量的影响;(2)在...     

影响大黄鱼的水中声指标

为了明确有效地评价声波对大黄鱼影响的指标,以水下爆破和滨海山体爆破两种作业方式产生的水中声波数据为基础,进行声波信号的声压峰值和声暴露级分析,并结合现场大黄鱼的行为响应进行研究。结果表明:水下爆破产生的水中声波瞬态声压幅值较高,能量在瞬间累积到最大值并影响大黄鱼的行为和安全;而滨海山体爆破水中声波的声压幅值小,声暴露时间长,能量的连续累积造成了大黄鱼行为的改变。由于两种爆破方式作用下的水中声波在不同的声暴露时间内的声暴露级较接近,且超过150 dB会造成大黄鱼的行为异常,因此认为声暴露级是评价水中声波对大黄鱼影响的一个重要指标。     

基于小波变换的水下连续爆炸声信号特征分析

为了研究水下连续爆炸声信号的特征,利用Mallat算法,采用离散小波变换对水下连续爆炸声信号进行了分层提取分析,讨论了水下连续爆炸声信号在各频带的能量分布状况,采用Welch方法实现了对水下连续爆炸声信号的功率谱特征提取,并采用离散小波变换对声信号进行时频谱特性分析。结果表明,水下连续爆炸声信号具有很强的声功率,声压级可以达到190 dB以上,声持续时间较长,频率范围宽、声信号的能量主要集中在频率48 kHz以下,其中在低频段能量更大,这些特点使其有望成为水声干扰源。     

自主泳动弹性绳的轨迹模拟

研究柔性结构与流体间耦合作用,可以促进软体机器人的发展.通过速度快、精度高的数值模拟方法模拟水下机器人的实时运动轨迹,可以为真实实验提供测试方向与理论牵引,增大实验成功的可能性.本文研究有自主运动趋势的弹性绳在二维流场中的运动轨迹.首先,对弹性绳离散化建模并同时考虑拉压与扭转弹性力,从能量角度建立动力学方程,此模型可以较为真实地反映弹性绳内力对其运动产生的作用.然后基于半拉格朗日法建立流体求解器. 最后,提出简化的基于动量方程的浸入边界法作为耦合算法,通过直接修正网格速度代替浸入边界力法中力源项的作用.使用这种算法求解耦合作用兼具简便性与快速性.对弹性绳模型、流体模型与简化耦合模型依次解算,模拟了正弦形式波动弹性绳在水中的运动轨迹.结果显示,弹性绳在弹性内力与流固相互作用力共同影响下,该种新的浸入边界法可以实现对水下弹性绳运动轨迹的模拟.数值实验显示弹性绳的自主运动参考模型的初相位改变时,其前进方向会发生改变.该仿真模拟算法与平台可以为细长形软体水生机器人的研发提供参考.      

周期性吸声多孔材料微结构优化设计

多孔材料的吸声性能与材料孔隙率以及材料微结构几何构型存在密切相关.本文采用有限元方法研究了材料微观结构与宏观声学性能参数之间的关系,分析了通孔材料微结构的开孔形状、孔隙率以及孔隙尺寸对材料吸声性能的影响,并建立了在特定频率下具有高声吸收性能的通孔材料微结构几何构型的设计理论和方法,得到了具有较高声能吸收率的多孔材料微结构构型.     

Sound absorbing properties of spiral metasurfaces inspired by micro-perforated plates

As a kind of classical low-frequency sound-absorbing material, the microperforated plate (MPP) has been widely used. Here, we inspired by the sound absorption mechanism of the MPP, a spiral metasurface (SM) is designed and the analytical solution of acoustic impedance and sound absorption coefficient are obtained. The relationship between the sound absorption properties of the MPP and the SM with their own structures is systematically studied, and the analytical solutions are used to optimise the structure. It is concluded that the MPP and the SM of the same thickness achieve effective absorption in the frequency range between 390-900 Hz and 1920-4266 Hz, with a total thickness less than 1/6 of the wavelength. Meanwhile, the numerical calculation shows that the MPP and SM can match well with the background medium in the effective rang. Our study provides new insights into the design methods of sound-absorbing materials and is potentially suitable for many acoustic engineering applications.     

USING LAPLACE TRANSFORM TO SOLVE THE VISCOELASTIC WAVE PROBLEMS IN THE SHPB EXPERIMENTS

对分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB) 实验中试件的黏弹性波传播的控制方程组进行Laplace 变换,并结合恰当的初始-边界条件求解,得到变换域的应力、速度、应变等变量的像函数的精确表达式. 采用该方法处理SHPB 实验中涉及黏弹性试件内部应力非均匀性问题,并给出数值反变换解. 作为特例,对于弹性试件分别采用级数展开法和留数定理进行反Laplace 变换,从而给出弹性夹层介质中应力波传播问题的解析解.     

水中冲击波与弹性薄板耦合作用的研究

对水中冲击波与弹性薄板的流固耦合作用进行了研究,建立了实验装置。利用全息干涉法定量测量了水中动态流场,并测出受水中冲击波作用的弹性薄板在不同时刻的变形,得出相应的全息干涉条纹图。同时利用有限元法对水中冲击波与弹性薄板的流固耦合问题进行了数值计算。研究结果表明,用实验方法能够较好地模拟水中冲击波与弹性结构的耦合作用,用有限元法计算水中冲击波传播问题是可行的。     

MECHANICAL AND ACOUSTIC RESPONSE OF AN UNDERWATER STRUCTURE SUBJECTED TO MECHANICAL EXCITATION

In this paper, an underwater structure is modeled as a cylindrical shell with internal bulkheads, and closed by a truncated conical shell, and it consists of metal substrate and sound absorbing coating, whose FGM core is considered. Suppose the inner cavity and outer space of the structure are filled with air and fluid mediums, the mechanical response of the underwater structure is calculated with Galerkin method while the acoustic response is investigated by means of the Helmholtz integral. Some numerical examples are given and the effect of geometrical size and material parameters on mechanical and acoustic response is discussed.     

水平刚性面下方水下爆炸气泡垂向运动的理论研究

为了研究边界面对水下爆炸气泡脉动的影响,根据势流理论建立了水平刚性面下方在浮力作用下作垂向运动的水下爆炸气泡的理论模型,编制计算程序进行求解。对水下爆炸气泡脉动运动的特点、流场的速度和压力的分布、气泡引起的载荷形式进行了分析。结果表明此模型能够反映水下爆炸气泡和周围流体介质的运动规律,并能进行定量的计算。     

水下连续脉冲冲击波的声学特性

为探求金属爆炸索在水下爆炸声源研究领域的应用前景,设计了一种可以连续产生若干个脉冲冲击波的装置,称之为水下连续脉冲冲击波发生装置。利用小波分析对该装置产生的连续脉冲冲击波信号进行分解与重构,考察其频谱特性,并进一步分析了信号的声压级特性。结果表明:该装置产生的信号声压级较高,具有很强的声功率;信号包含频率十分丰富,雷管和金属爆炸索由于装药结构及传爆方式的不同,爆炸所产生的冲击波频谱特性也有所差异。雷管爆炸产生的冲击波主要分布在15.6 kHz以下的频带内,金属爆炸索爆炸产生的脉冲冲击波信号则主要分布在62.5 kHz以下的频带内;脉冲冲击波的个数和声持续时间可由爆炸索的排列方式和长度控制,脉冲冲击波间的时间间隔可调,发生装置稳定易控     

水下爆炸焊接和压实

回顾了水下爆炸在军事海战和经济建设方面的应用,并且探索了水下爆炸在工业方面的发展。结合水下冲击波独特的性能,提出了水下爆炸焊接和水下冲击波压实粉末混合物2种加工方法。焊接试样显微组织中典型的波状界面表明水下冲击波对于脆性和薄片材料具有很好的焊接效果。粉末混合物在水下冲击波加载作用下能形成致密体。利用水下冲击波,在纯铜表面制备出了性能优良的弥散强化涂层。涂层内部弥散颗粒分布均匀,高硬度显示了优良的机械性能。     

Nanofluidic energy absorption system: A review

基于纳米流控行为设计的新一代能量吸收耗散系统（nanofluidic en-ergy absorption system,NEAS）将会比传统吸能材料具有更高的能量吸收密度,而且还可以重复使用,特别是在小体积应用环境下具有显著的优势.本文从实验和计算模拟两方面综述了目前关于NEAS能量吸收耗散行为的最新研究进展,其中实验研究主要包括准静态压缩和动态压缩测试,计算模拟研究主要是采用基于经验势的分子动力学模拟方法.通过准静态压缩实验,可以测量NEAS模型的载荷–位移关系曲线,从而获得NEAS模型的临界渗透压强,了解卸载后系统是否能够恢复到加载前的状态（即是否可以重复使用）,并通过载荷–位移关系曲线下面积估算NEAS模型的吸能密度;通过动态压缩实验可以测量NEAS模型对脉冲载荷的缓冲保护作用,主要体现为降低脉冲载荷幅值和扩展脉冲宽度.计算模型研究可以明确给出NEAS对外载荷的微观响应,从而可以准确了解NEAS的能量吸收耗散机制以及吸能密度的主要影响因素.本研究可以帮助我们全面了解NEAS的研究进展,为NEAS的设计与优化提供重要指导.     

Sound absorption near the boundary dividing two liquids

It is well known that sound absorption in finite media is caused mainly by fluid viscosity and thermal conductivity. Kirchhoff [1] developed a general theory describing the mechanism of such absorption and applied it to the particular case of sound propagating in tubes. Rayleigh [2] used Kirchhoff's theory to study sound absorption by a porous wall with normal incidence of the sound wave. Konstantinov [3] also used Kirchhoff's theory to solve the problem of sound absorption by a rigid, isothermal (with infinite thermal conductivity) and a thermally insulating plane wall with arbitrary angle of sound-wave incidence. A natural extension of these efforts is a study of sound absorption on the boundary dividing two liquids. Aside from its scientific interest, such a problem is of practical significance, for example, in hydroacoustics or in creating methods for visualization of sound in gases and liquids [4]. The present study will attempt to solve this problem. The results can be applied to both liquid and solid (resinlike) materials.Translated from Zhurnal Prikladnoi Mekhaniki i Tekhnicheskoi Fiziki, No. 1, pp. 6–9, January–February, 1984.The author thanks T. P. Zhizhina for much assistance in the study.     

Developments of numerical methods for linear and nonlinear fluid-solid interaction dynamics with applications

本文综述了线性与非线性流固耦合问题数值方法的进展及工程应用. 讨论了四种数值分析方法: (1) 混合有限元-子结构-子区域数值模型, 以求解有限域线性流固耦合问题, 如流体晃动, 声腔-结构耦合, 流体中的压力波, 化工容器的地震响应,坝水耦合等; (2) 混合有限元-边界元数值模型, 以求解涉及无限域的线性流固耦合问题, 如大型浮体承受飞机降落冲击, 船舰的炮击回应等; (3) 混合有限元-有限差分(体积) 数值模型, 以求解不涉及破浪和两相分离的非线性流固耦合问题; (4) 混合有限元-光滑粒子数值模型, 以求解涉及破浪和两相分离的非线性流固耦合问题. 文中推荐分区迭代求解过程, 以便应用现有的固体及流体求解器, 于毎一时间步长分别求解固体及流体的方程, 通过耦合迭代收敛, 向前推进以达问题求解. 文中选用的工程应用例子包含气-液-壳三相耦合, 液化天然气船水晃动, 人体步行冲击引起的声腔-建筑结构耦合, 大型浮体承受飞机降落冲击的瞬态动力回应, 涉及破浪和两相分离的气-翼耦合及结构于水上降落的冲击. 数值分析结果与可用的实验或计算结果作了比较, 以说明所述方法的精度及工程应用价值. 文中列出了基于流固耦合的波能采积装置模型, 以应用线性系统的共振及非线性系统的周期解原理, 有效地采积波能. 本文列出了231 篇参考文献, 以便读者进一步研讨所感兴趣方法.     

Photoelasticity for stress analysis under high hydrostatic pressure

Experimental research relative to pressure effects on the mechanical behavior of materials is frequently handicapped by the difficulties associated with making load and deformation measurements in a hostile environment. The application of photoelasticity in high-pressure experiments provides a means for studying the effect of hydrostatic stress on varying stress fields. The purpose of this paper is to examine the feasibility of using the photoelastic method of stress analysis in a high-pressure environment. The unusual feature of this application is the finite elastic deformations suffered by the photoelastic model under high pressure. As a result, the mechanical and stress-optical properties of the model materials are functions of pressure. Another important feature in this study is the selection of a suitable model material. Since the model must come into contact with the liquid pressure media, chemical and absorption resistance are essential considerations. Although it was found that photoelastic investigations can be carried out at high pressure, limitations are imposed by the presence of the optical vessel and pressurized fluid.     

低能量导爆索水下爆炸冲击波特性实验研究

为了获得低能量导爆索水下爆炸冲击波特性,在水下爆炸试验容器中对复合铝纤维爆炸索进行水下爆炸实验。采用PCB压电型传感器测量水中爆炸冲击波压力脉冲,获得了复合铝纤维爆炸索冲击波压力峰值,计算了其冲击波比能和高压区冲击波比能。研究结果表明:复合铝纤维爆炸索冲击波能量的输出主要集中在特征时间内的高压区,占到冲击波比能的84%。通过复合铝纤维爆炸索水下爆炸冲击波特性的研究,为其下一步的推广应用奠定了基础。