含周期性空腔结构吸声机理的研究

为了研究水下含周期性空腔结构的吸声机理,建立并验证了含轴对称空腔周期性结构吸声特性计算的简化有限元仿真方法,用简化的有限元模型结合遗传算法对水下环境含周期性圆柱空腔结构的吸声性能进行了优化设计.从能量耗散、变形和模态的角度分析了含周期性空腔结构的吸声机理.空腔结构谐振包括表层的弯曲振动和空腔附近的径向变形,且径向运动也...     

一种含柱形空腔结构橡胶层的吸声机理及优化

采用有限元法,分析了含单层柱形空腔橡胶层(厚度20 mm)的吸声性能,表明其吸声峰频率比相同尺寸的球形空腔低,这与单个柱形和球形空腔的单极共振频率相对应,通过谐波散射分析证实了空腔单极共振引起的能量耗散增强了声波的吸收。采用能量耗散功率及位移场分布,对柱形空腔结构的吸声机理进行了深入分析.其次,在钢背衬条件下分析了横波损耗因子对橡胶层吸声特性的影响,并采用遗传算法对含不同尺寸柱形空腔橡胶层在1.5—10 kHz频段上的吸声特性进行了优化,获得了较好的宽频吸声效果.     

去耦覆盖层降噪性能评价指标的理论探讨

去耦覆盖层是降低水下结构声辐射的一个重要措施。为了给工程上去耦覆盖层降噪性能评价指标的选择提供理论参考,建立了点激励力作用下敷设去耦覆盖层的四端简支撑矩形板水下振动和声辐射理论模型,定义了可能表征去耦覆盖层降噪性能的五项评价指标。研究结果表明:只有振动传递损失相对独立于基板的长度、宽度和点激励力位置,而且能较好地描述去耦覆盖层隔离基板振动向水层传递的性能;而湿面均方振速插入损失较振动传递损失则能更好地反映辐射声功率插入损失,尤其在低频。作为评价指标,振动传递损失和湿面均方振速插入损失分别有各自的优点和缺点。     

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。     

三维空腔辐射场计算的一种简化数值方法

给出三维空腔辐射场计算的一种简化数值方法。在一些物理假定条件下,把问题简化为解反照边界条件的 Boltzmann方程。对方法作了详细描述,讨论了迭代过程的收敛性,最后给出了数值例子。     

一种声传播机理演示与分析

给出一种可有效演示纵波传播的物理过程及不同媒质中声速不同的演示实验,并从理论上对该演示进行了分析。     

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.     

复杂结构声辐射模态的计算

结构辐射阻矩阵的特征向量就是其声辐射模态,复杂结构的辐射阻矩阵获取困难阻碍了声辐射模态理论的进一步应用。为此提出一种基于等效源方法的复杂结构辐射阻矩阵计算方法,由此形成了一套完整的计算复杂结构声辐射模态方法。最后通过仿真算例对影响结构辐射阻矩阵计算精度的因素进行了分析,给出了复杂结构辐射阻矩阵构造的一般原则。理论推导和数值仿真算例表明所提出的复杂结构声辐射模态计算方法是有效的。该方法简化了复杂结构声辐射模态的计算,计算效率较高。     

一种分析周期加筋板声辐射的高效方法

为了研究周期加筋板的声辐射特性,建立了一种计算水中周期加筋板在简谐点力作用下的远场辐射声压的高效方法。该方法借助于傅里叶变换法只要先将耦合系统的声振方程,加强筋的弯曲和扭转运动方程,声学波动方程和耦合边界条件转换到波数域中,联合求解得到一组关于平板横向位移的无限大耦合代数方程组,再将该方程组截断成有限大小由数值方法求出波数域中的位移响应,便可结合稳相法得到远场辐射声压。与现有方法给出的结果对比发现二者完全吻合,验证了本文方法的有效性;通过数值方法研究了激励力位置、板厚,加强筋间距和宽度对周期加筋板声辐射特性的影响,得到了具有实际意义的结论。     

一种含圆柱形谐振散射体的黏弹材料低频吸声机理研究

利用层多重散射法分析了一种含圆柱形谐振散射体黏弹 材料吸声层在钢背衬条件下的低频吸声特性. 该吸声层由包覆软材料的圆柱空腔周期嵌入橡胶材料中构成, 其中, 散射体轴线与吸声层平行. 结果表明, 20 mm厚吸声层在1000–3000 Hz具有良好的吸声性能. 通过综合分析单个散射体的吸收截面、单层周期散射体的声吸收、 结构内部位移场以及耗散功率密度分布, 揭示了该吸声层的低频吸声机理. 关键词： 水声吸声 吸收截面 耗散功率密度     

Analysis of underwater decoupling properties of a locally resonant acoustic metamaterial coating

This paper presents a semi-analytical solution for the vibration and sound radiation of a semi-infinite plate covered by a decoupling layer consisting of locally resonant acoustic metamaterial. Formulations are derived based on a combination use of effective medium theory and the theory of elasticity for the decoupling material. Theoretical results show good agreements between the method developed in this paper and the conventional finite element method(FEM), but the method of this paper is more efficient than FEM. Numerical results also show that system with acoustic metamaterial decoupling layer exhibits significant noise reduction performance at the local resonance frequency of the acoustic metamaterial, and such performance can be ascribed to the vibration suppression of the base plate. It is demonstrated that the effective density of acoustic metamaterial decoupling layer has a great influence on the mechanical impedance of the system. Furthermore, the resonance frequency of locally resonant structure can be effectively predicted by a simple model, and it can be significantly affected by the material properties of the locally resonant structure.     

Nonperturbative solutions to cylindrical resonant cavities with dissipative medium and imperfectly conducting walls

Cylindrical waveguides without end surfaces can serve as two-dimensional resonant cavities. In such cavities the electromagnetic oscillations corresponding to an eigenfrequency can always be taken as TM or TE modes even when the walls have a finite conductivity and the medium is absorptive. This paper obtains analytic solutions to the field equations when the cylinder has a circular cross section. Some nonperturbative conclusions are drawn from the eigenvalue equation. Approximate analytic results for the resonant frequencies are obtained when the absorption of the medium is small and the walls are good conductors. Stability of the eigen modes is discussed. Similar results for the coaxial line are presented.     

Anomalous sound propagation due to the horizontal variation of seabed acoustic properties

Sound speed profile and the bottom acoustic property are two of the most important factors, which influence the sound propagation in shallow water. The activities of the internal waves make the temperature of the sea-water varying with the time and space, and then affect the sound propagation in the sea. In 1991 Zhou and his colleagues postu-lated that unusually high transmission losses (TL) over a limited frequency range found in annual measurements taken in the Yellow Sea was due to the in…     

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.     

蒙特-卡罗法计算黑体空腔有效发射率

介绍了蒙特-卡罗法计算黑体空腔发射率的基本思想和主要算法。首先阐述了计算黑体空腔有效发射率的理论基础,然后分别从正向光线追迹和逆向光线追迹的角度对蒙特-卡罗法的具体算法予以说明,提出逆向追迹思想能方便地计算空腔的定向有效发射率,经过运算可以得到腔积分半球有效发射率和平均垂直有效发射率。最后对比了采用蒙特-卡罗法和其它方法的计算结果,分析表明：蒙特-卡罗法在计算黑体空腔有效发射率上是准确的,劣势在于计算速度慢。     

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。     

多腔虚阴极振荡器研究

 提出了一种具有预调制腔、主谐振腔和提取腔组成的多腔轴向提取虚阴极振荡器结构。腔体特性分析表明其在工作频段可以获得更高的提取效率。粒子模拟显示该结构在电压700 kV,电流23 kA的条件下,可输出功率大于1.7 GW,频率4.0 GHz,功率效率大于10％的微波。初步的实验研究获得了辐射功率约700 MW,频率约4.1 GHz的微波输出。对实验结果的进一步分析表明,通过适当加大器件虚阴极振荡工作区微波管直径的方法可以有效改善器件的谐振性能,从而获得更好的工作性能。     

球冠型换能器声辐射指向性分析

为了研究球冠型换能器的声辐射特性,在分离变量法求解球面坐标系下波动方程的基础上,采用基于球谐基傅里叶变换及边界条件的求解模型,给出了球冠型换能器声辐射的远场声压计算表达式和远场指向性表达式;仿真计算了球冠换能器的远场指向性随球冠极角、球半径及振动频率变化的特性,球冠所在球障板的直径和介质中声波的波长比决定着球冠声辐射指向性,在低频或波长大于球障板直径时,球冠声辐射呈无指向性,随着频率的增高即波长的减小或者球障板直径的增大,球冠声辐射的指向性越明显,波束开角越趋向于球冠的开角,而且波束开角内出现波浪状起伏越明显;试制了高频球冠型换能器基阵,测试了换能器基阵300 kHz的指向性,测试结果与理论计算相符合,验证了理论计算表达式的正确性,可为设计球冠型换能器及基阵提供理论指导。