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.     

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     

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.     

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.     

吸声材料对水下小平台上矢量传感器声学特性的影响研究

本文围绕粘贴黏弹性吸声材料方法对水下小平台上安装矢量传感器的指向性和测向的影响展开理论分析和实验研究.首先建立了吸声材料和平台结构组成的复合层结构的数学模型,对声波经过复合层结构的声学特性进行了分析,在此基础上利用有限元耦合边界元法对粘贴吸声材料前后的水下小平台上的矢量传感器的声学特性进行研究.通过理论计算和数值分析研究了吸声材料对矢量传感器的各通道的指向性的影响,并计算了覆盖吸声材料前后矢量传感器的测向精度.水池实验验证了分析结果的正确性.     

0-3型压电复合材料覆盖层水下 吸声性能的理论研究

目前压电分流阻尼技术在振动和噪声领域的应用得到了广泛的关注. 本文尝试将压电分流阻尼技术应用于水下吸声领域, 以提高覆盖层的吸声性能. 将压电覆盖层厚度模态的机电方程和声波传播的传递矩阵相结合, 建立一维电声模型. 该模型可以用于分析多层压电和非压电水下吸声覆盖层的吸声性能. 采用该模型分析了0-3型压电复合材料覆盖层的水下吸声性能. 压电复合材料的参数是采用Furukawa的模型计算的. 研究结果表明, 采用合适的分流电阻, 负电容分流电路可以在较宽的频率范围显著提高覆盖层的吸声性能. 其原理可以从阻抗匹配的角度解释, 负电容分流电路可以调整压电覆盖层的表面声阻抗, 使之与水的特性声阻抗相匹配.     

声学覆盖层吸声系数的多通道逆滤波测量

提出了一种利用最小二乘求逆计算的声学覆盖层吸声系数多通道逆滤波测量方法.该方法通过估计电路信道及水声信道的信道响应,利用最小二乘实现多通道逆滤波算法,通过多路逆信号的同步发射在声学覆盖层处实现高分辨率主瓣、低旁瓣和时域窄脉宽的入射波聚焦,从而提高声学覆盖层低频吸声系数的测量精度。仿真验证了该方法在混响抑制和空时聚焦中的效果.在压力水罐中进行了频率为0.8~5 kHz条件下的钢板试样反射系数和透射系数的测量实验,通过与理论计算值对比,验证了该测量方法的有效性。论文提出的方法适用于非自由场环境下声学覆盖层吸声系数的测量,尤其适用于低频条件下吸声系数的测量。      

吸声覆盖层研究进展

从粘弹性材料复杂结构吸声性能计算和粘弹性材料动态力学参数获取两方面对吸声覆盖层研究进行了回顾。计算模型主要有分层介质模型、等效介质模型、空腔谐振模型以及数值计算方法。动态力学参数获取主要有基于振动的直接测量方法、基于声学性能测试的反演方法和近些年发展起来的有限元的反演方法。最后对吸声覆盖层研究的发展趋势进行了展望。     

水下翼型结构流噪声实验研究

为测量流激水下翼型结构的流噪声,提出了一种混响箱测量方法。在重力式水洞中搭建了一套实验测量系统,利用混响箱法测量了水下翼型结构模型的辐射声功率。在此基础上研究了流速及结构参数(厚度、肋、声学覆盖层)对其辐射声功率的影响。结果表明:当流速小于5 m/s时,辐射声功率随流速的6次方增长,符合偶极子的辐射规律;当流速大于5 m/s时,辐射声功率随流速的10土1次方规律增长,不再按偶极子的规律辐射;若对水下翼型结构模型加厚、加环肋及外部敷设黏弹性材料,均可在一定程度上抑制流噪声。此研究方法可对水下复杂结构的辐射声功率测量及结构优化设计提供一定的参考。      

磁流变液构成的类梯度结构振动传递特性

提出了一种磁流变液构成的类梯度结构,并通过理论建模、数值计算和实验研究了该结构的振动传递特性.磁流变液在磁场作用下具有液固转换的特殊理化性质,而液固转换过程就是磁流变液的振动传递阻抗变化过程.因此,基于磁流变液的这一特性,通过控制磁场,构建了类梯度结构.基于弹性波传递的一维波动方程,建立了垂直入射的弹性波在类梯度结构中传递的波动方程.然后,使用连续介质的离散化方法和传递矩阵法进行求解,得到振级落差的表达式,对其进行数值计算,分析类梯度结构的振级落差随弹性波频率和磁场强度的变化趋势.最后,对类梯度结构的振动传递特性进行了实验研究,分析了磁场强度对类梯度结构振动传递特性的影响.研究结果表明,与均匀场作用的磁流变液相比,类梯度结构对弹性波的衰减效果更好,且该结构具备良好的可调控特性.     

A Wide Band Strong Acoustic Absorption in a Locally Network Anechoic Coating

Composite materials with interpenetrating network structures usually exhibit unexpected merit due to the cooperative interaction. Locally resonant phononic crystals （LRPC） exhibit excellent sound attenuation performance based on a periodical arrangement of sound wave scatters. Inspired by the interpenetrating network structure and the LRPC concept, we develop a locally network anechoic coating （LNAC） that can achieve a wide band of underwater strong acoustic absorption. The experimental results show that the LNAC possesses an excellent underwater acoustic absorbing capacity in a wide frequency range. Moreover, in order to investigate the impact of the interpenetrating network structure, we fabricate a faultage structure sample and the network is disconnected by hard polyurethane （PU）. The experimental comparison between the LNAC and the fanltage structure sample shows that the interpenetrating network structure of the LNAC plays an important role in achieving a wide band strong acoustic absorption.     

Optimization of locally resonant acoustic metamaterials on underwater sound absorption characteristics

The study of acoustic metamaterials, also known as locally resonant sonic materials, has recently focused on the topic of underwater sound absorption. The high absorption occurs only within a narrow frequency band around the locally resonant frequency. Nevertheless, this problem can be addressed through a combination of several acoustic metamaterial layers that have different resonant frequencies. In this paper, an optimization scheme, a genetic and a general nonlinear constrained algorithm, is utilized to enhance the low-frequency underwater sound absorption of an acoustic metamaterial slab with several layers. Both the physical and structural parameters of the acoustic metamaterial slab are optimized to enlarge the absorption band. In addition, the sound absorption mechanism of the acoustic metamaterial slab is also analyzed. The result shows that each layer is found to oscillate as a nearly independent unit at its corresponding resonant frequency. The theoretical and experimental results both demonstrate that the optimized metamaterial slab can achieve a broadband (800–2500 Hz) absorption of underwater sound, which is a helpful guidance on the design of anechoic coatings.     

经典局域共振型水声超材料的吸隔声性能研究*

基于水声超材料吸声机理和多层平行介质平面波理论,建立局域共振型水声超材料结构,通过COMSOL进行建模计算,研究该结构的吸声性能机理,此外为了验证钢背衬的隔声性能,在该水声超材料结构基础上添加一层0.005m厚的钢背衬进行仿真对比。研究结果表明,在频段为200Hz-4000Hz时,水声超材料声学性能较好,吸声性能整体较优,且添加钢背衬的水声超材料隔声性能较优,甚至在某频率点达到15dB的隔声差值;此外通过位移场图进一步揭示水声超材料的吸声机理,发现水声超材料结构的位移场和钢背衬都对吸声性能会产生影响,钢背衬通过影响共振吸收来影响吸声性能,而位移场则通过位移幅度大小影响吸声性能。     

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。     

Wide-band underwater acoustic absorption based on locally resonant unit and interpenetrating network structure

The interpenetrating network structure provides an interesting avenue to novel materials. Locally resonant phononic crystal (LRPC) exhibits excellent sound attenuation performance based on the periodical arrangement of sound wave scatters. Combining the LRPC concept and interpenetrating network glassy structure, this paper has developed a new material which can achieve a wide band underwater strong acoustic absorption. Underwater absorption coefficients of different samples were measured by the pulse tube. Measurement results show that the new material possesses excellent underwater acoustic effects in a wide frequency range.Moreover, in order to investigate impacts of locally resonant units,some defects are introduced into the sample. The experimental result and the theoretical calculation both show that locally resonant units being connected to a network structure play an important role in achieving a wide band strong acoustic absorption.     

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.     

水下材料声学性能宽频段测量方法

本文根据脉冲法和传递函数法的测试原理,建立水下声学材料吸声性能宽频段测量方法,在同一水声声管,相同状态下,对橡胶材料吸声性能进行测试分析。分析表明:常压及加压环境下,采用传递函数法和脉冲法测量材料的吸声性能,在重合频段(4 kHz～5.5 kHz)测试结果基本一致,测试偏差小于5%,从而验证了不同测量原理,测试材料水下声学性能的通用性。因此,采用传递函数法和脉冲法,可以实现水下材料声学性能宽频带测试。     

Analysis of absorption performances of anechoic layers with steel plate backing

Rubber layers with air-filled cavities or local resonance scatters can be used as anechoic coatings. A lot of researches have focused on the absorption mechanism of the anechoic coatings. As the anechoic coatings are bonded to the hull of submarine, the vibration of the hull should not be neglected when the analysis of the absorption characters is carried out. Therefore, it is more reasonable to treat the anechoic coating and the backing as a whole when the acoustic performance is analyzed. Considering the effects of the steel plate backing, the sound absorption performances on different models of anechoic coatings are investigated in this paper. The Finite Element Method is used to illustrate the vibrational behaviors of the anechoic coatings under the steel backings by which the displacement contours is obtained for analysis. The theoretical results show that an absorption peak is induced by the resonance of the steel slab and rubber layer. At the frequency of this absorption peak, the steel plate and the coating vibrates longitudinally like a mass-spring system in which the steel slab serves for mass and the coating layer is the spring. To illuminate the effects of the steel slab backing on the acoustic absorption, the thicknesses of the steel slab and the anechoic layer are discussed. Finally, an experiment is performed and the results show a good agreement with the theoretical analysis.