消声瓦的吸声机理研究

海军工程大学 振动与噪声研究所 武汉 430033

现代战场上的主要矛盾已经从“打击”和“抗打击”逐步向“发现”和“抗发现”转化。消声瓦技术是提高潜艇隐身性能，提高其战斗力和生存能力的最有效措施之一。潜艇的特征是隐蔽、突袭，在现代反潜技术高度发展的今天，没有良好的隐身性能的潜艇其后果是不可设想的。高性能的消声瓦不仅具有优良的吸声性能，而且具备优良的隔声性能和抑振性能[1]，也就是说使用消声瓦不仅能吸收敌方声纳的探测声波，也能最大限度地隔离本艇的辐射声波。高性能的消声瓦还可用于声纳舱的非窗口舱壁,作为吸声障板，消除回波干扰和艇的辐射噪声干扰，提高声纳的探测性能[2,3]。因此对于新型消声瓦的研究，开发拥有自主知识产权的、性能优越的消声瓦是提高我军潜艇战斗力和生存能力的关键[4]。

针对这种强烈的军事需求， 对消声瓦的三个主要吸声机理进行研究，为设计生产新型消声瓦，提高我军潜艇隐身性能提供了理论支持。

1 波散射或反射

消声瓦内部的渐变过渡型空腔有两个作用：一是使得阻抗从水到艇壳有一个渐变，使得声波在水与消声瓦的界面上反射减小，大部分能进入消声瓦内部；另一作用是倾斜的界面使得波在传播过程中不断发生反射或散射，改变了传播方向，这对较高频率的吸声十分有利。

根据散射理论，喇叭空腔对于弹性波来说可看成是弹性散射体。以弹性球状散射体为例来定性分析一下喇叭空腔对散射的贡献。当一列纵波入射到弹性球体上，从波矢ka= 0.2开始，球体处于宽带谐振状态，散射总功率迅速增大，到ka= 0.4左右，散射因子几乎为3，其中95%为剪切波，其散射方向变为入射方向轴的两侧。在ka= 1.2处，只有25%的散射能发生波型转换并变换了传播方向，见图1。

图1 入射波为纵波时球形散射子散射场强

散射场的存在对提高消声瓦吸声性能有两点好处：一是增加了从纵波到剪切波的变换，二是改变了弹性波传播方向，由纵向变为斜向甚至径向，增加了它们在消声瓦内传播距离。按目前消声瓦的结构，假设空腔的当量半径为5 mm，则从5 kHz开始有散射的影响，10～13 kHz左右剪切波散射场最为强烈。空腔的存在改善了第二吸声平台的吸声性能，主要是散射的贡献(在更高的频段，则有反射存在)。

2 波形转换

弹性波在橡胶中传播时主要存在两种形式：纵波和剪切波。纵波碰到掺入的杂质或小尺度空腔形成的各种界面时便会发生波型变换，由纵波变换成剪切波，增加了损耗。同时，在橡胶与水的界面上剪切波很难再从橡胶体内折射到水中去。所以增加橡胶体内剪切波是水声吸声结构的首选方案。

消声瓦内的空腔可看成是变截面的圆柱管，均匀圆柱通道是其基本结构。本研究从均匀圆柱通道开始。均匀圆柱通道结构如图2、3所示。在橡胶体内穿有成正三角形排列的互相平行的圆柱通道。现考察弹性波在具有这种结构的不均匀介质中的传播特点。

图2 均匀圆柱通道结

图3 一个独立的弹性管坐

弹性管振动方程为：

式中：ur——沿r方向的振动位移；

uz——沿z方向的振动位移。

声学边界条件为：内界面(r=a)为自由面，应力为零；外界面(r=b)处由于结构的对称和重复，在正入射情况下可看成是静止的，即径向位移和介质内切应力均为零。

根据这个模型，研究在细管结构体中传播的弹性波的复波数，推出结构内质点位移表达式为：

kL——橡胶材料的纵波波数；

C——待定系数，由初始条件决定。

图4 剪切波位移

分析细管结构体内质点振动位移可以清楚地说明波型变换主要的吸声机理。当水中声波进入消声瓦时，以纵波为主。纵波在橡胶体中沿细管界面传播过程中，不断地转变为剪切波。这样在消声瓦内传播的弹性波中纵波的成份越来越少，剪切波成份越来越多。所以细管在消声瓦结构体内要有一定的长度(即占有一定的比例)才能保证有足够多的纵波变换成剪切波。同时消声瓦材料应该具有较高的剪切损耗因子和适当的模量值。这样既能保证与水的良好匹配，又保证能大量地消耗进入消声瓦内的弹性波的能量，达到良好的吸声效果。

波型转换效率与材料参数、结构参数均有关，并存在一个最佳值范围。一般说来，声波频率越高，波型转换效率也越高。在频率为2 kHz时大约有3%的弹性波能量转变为剪切波能量；当频率为4 kHz时有10%的弹性波能量转变剪切波。所以在消声瓦吸声的中高频段波形变换起的作用较大。

3 空腔谐振

复合过渡型消声瓦是早年谐振腔式消声瓦的变型。对消声瓦声学性能的研究发现，其第一吸声峰的大小和位置主要由变截面圆柱通道的谐振决定。谐振峰的位置随着细管长度的增加向低频移动，随着穿孔系数的变大也向低频移动，在移动同时吸声带宽变窄；喇叭空腔容积变大时吸声峰也向低频移动，但影响较小[5]；另一个影响谐振的是复剪切模量。理论分析指出：圆柱空腔的纵向谐振频率大体上与剪切波的波速成比例，当剪切模量增大时，谐振峰往高频移；剪切损耗因子不会改变谐振频率位置，但较大的损耗因子会大大地改善谐振时的吸声性能(图5)。

因此，在低频可以把消声瓦的空腔结构看成是粘弹性阻抗壁面的谐振器。同时应当强调的是，这种粘弹性阻抗壁面的空腔谐振的吸声机理是利用谐振时橡胶发生大的剪切形变，使其对声波的吸收大大增加。

图5 复剪切模量对谐振性能的影响

4 结论

1) 散射场的存在对提高消声瓦吸声性能有两个好处：一是增加了从纵波到剪切波的变换，二是改变了弹性波传播方向。

2) 细管在消声瓦结构体内要有一定的长度，同时消声瓦材料应该具有较高的剪切损耗因子和适当的模量值。

3) 当剪切模量增大时，谐振峰往高频移；较大的损耗因子会大大地改善谐振时的吸声性能。

由此可见对消声瓦吸声性能的研究， 对于研制出高性能的消声瓦有着重要的理论意义。

[1] V.Easwaran， M.L.Munjal, Analysis of reflection characteristics of a normal incidence plane wave on resonant sound absorbers:A finite element approach[J]. Journal of Acoustical Society of America, 1993 93(3): 1308-1318.

[2] E.Meyeretal, Pulsation oscillations of cavities in rubber[J]. JASA, 1958,30(12):1116-1124.

[3] G.Gaunaurd, One-dimensional model for acoustic absorption in a viscoelastic medium containing short cylindrical cavities[J]. JASA, 1977,62(2):298-307.

[4] A.C..Hennion, J.N.Decarpigny, Note on the validity of using plane-wave type relations to characterize Alberich anechoic coatings[J]. Journal of Acoustical Society of America, 1992,92(5):2878-2882.

[5] 朱蓓丽.等效参数法研究带圆柱通道橡胶体的声学性能[J]. 上海交通大学学报,1997,67(7)：20-25.