空腔尖劈结构吸声性能的实验研究

孙 明 李炜伟 包 岩 姚熊亮

1大连船舶重工集团有限公司船舶研究所，辽宁大连 116001

2哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001

空腔尖劈结构吸声性能的实验研究

孙 明1李炜伟1包 岩1姚熊亮2

1大连船舶重工集团有限公司船舶研究所，辽宁大连 116001

2哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001

对尖劈结构的吸声性能进行了实验测试，进而研究了含空腔尖劈吸声结构的吸声性能。根据变截面波导理论建立的吸声系数方程，计算了尖劈结构的吸声系数，讨论了尖劈结构吸声性能随频率、静水压力及空腔结构的变化规律，并将计算值与实验值进行了对比。研究结果表明：随着静水压力的增大，尖劈结构吸声系数曲线的形状基本不变，但其数值有所下降；同种材料不同空腔类型尖劈结构的吸声性能差别较大，在低频段尤为明显，而对于同种腔型尖劈结构，其吸声性能则主要由空腔尺寸决定；对于含空腔尖劈吸声结构，增大空腔尺寸可以使尖劈空腔共振加强而提高其低频吸声效果，但空腔尺寸过大反而会影响尖劈结构的整体吸声效果，这对水下尖劈吸声结构的设计及其在实艇减振降噪中的应用具有一定的参考意义。

空腔尖劈；实验测试；静水压力；空腔结构；吸声性能

1 引 言

在水下结构表面敷设水声材料是应用最广泛也是非常有效的一种提高水下航行器隐身性能的方法［1］。空腔尖劈吸声结构具有阻抗逐渐过渡的性质，在较低频率下具有优良的吸声性能，将其敷设于艇体声呐平台区的后壁板以及将声呐平台区和上层建筑艏部分开的水平平台，可以有效降低声呐平台区自噪声，具有较强的工程应用价值。

对尖劈吸声结构声场的理论研究有相当长的历史［2-3］，然而由于其截面的不规则性和吸声性能影响因素的复杂性等原因，用严格的波动理论很难给出精确解，而只能做近似计算，因此至今还没有建立严格的声场理论。计算尖劈结构吸声系数常用的方法是在其横截面上把尖劈材料和传声媒质的密度、压缩模量等声学参数按面积做某种加权平均得到等效参数，然后按分层媒质声传播理论计算吸声系数。本文通过实验得到了含空腔尖劈结构的吸声系数，讨论了尖劈结构吸声性能随频率、静水压力、空腔结构的变化而出现的变化规律，并将实验值与理论值进行了对比，所得结论对水下尖劈吸声结构设计及其在实艇减振降噪中的应用具有重要的参考意义。

2 基本理论

基于变截面波导理论［4-5］，本文对尖劈吸声结构进行分层处理，如图1所示。假设圆锥尖劈为弹性媒质，内含空腔，空腔内充空气，这里不考虑切变应力，平面声波平行于尖劈入射到尖劈顶面和侧面，将尖劈等分为 n 个环形台面，S0，S1，S2，…，Sn分别表示尖劈底面、环面和顶端的面积。

入射到尖劈顶端和侧面的声波总能量可表示为：

式中，Ii为声强。设IrjSj为尖劈第j个环形面上的声波反射能量，则总的反射能量和吸收能量分别为：

定义第 j个环形面的声强反射系数为：rj＝ Irj／Ii，则尖劈结构的吸声系数可表示为：

尖劈吸声结构的内截面（空腔）和围壁（吸声材料）的截面积沿对称轴x轴变化，则尖劈吸声结构的特性阻抗率 ρc／S（x）是 x的函数。假定其中传播的声波波阵面按截面的规律变化，则对应的声场应满足变截面形式的波动方程，这样含空腔尖劈吸声结构顶端和各环形面的声强反射系数rj可用变截面波导的声场理论来计算：

第j个截面总的输入阻抗ZAi可以由变截面波导理论得出：

由反射系数与输入阻抗的关系式求得声强反射系数rj，最后即可得到空腔尖劈结构吸声系数α的表达式为：

式中，ZAj是第j变截面波导顶端输入声阻抗。

其中ρwcw为入射声波所在介质的特性阻抗。

计算尖劈结构的吸声系数时，由于尖劈外部结构及内部空腔的不均匀性，各截面半径及截面积表达式不能进行统一，因此对尖劈吸声结构进行分段处理，每一分段的计算参数都可以用统一的表达式来描述，各分段分别应用变截面波导理论计算截面的吸声系数。

3 尖劈结构吸声性能实验测试

评价吸声结构吸声性能的实验方法主要有自由场法和声管测试方法，这两种方法相对而言都比较成熟，只是在低频测量时还存在些许问题。本文利用水声无源材料声脉冲管法测试系统对尖劈吸声结构试样的法向声吸收特性进行测量。

3.1 声脉冲管法测试系统的基本原理

水声材料声脉冲管法测试系统主要用于水声材料试样在声软末端或声硬末端情况下复反射系数的测量，通过复反射系数的测量结果即可计算试样的吸声系数、输入阻抗、纵波声速和衰减、弹性模量等。声脉冲管测试装置分为模拟测试装置和数字测试装置两种。由于数字测试装置具有优秀的信号采集与处理能力，目前数字测试装置应用得越来越广泛。

声脉冲管法数字测试装置主要由声管、换能器和电子测量设备组成，电子测量设备包括函数发生器、功率放大器、收发转换器、带通滤波器、信号采集器和计算机系统，如图3所示。

函数发生器产生脉冲正弦信号，由带通滤波器滤掉低频噪声信号和频率高于测量频率2倍的信号，通过位于声管一端的换能器将此脉冲调制的正弦波向声管中发射，经声管另一端的试样反射，再由同一换能器接收反射声波信号，系统的信噪比应该不小于20 Hz。收发转换器能在脉冲信号发射时关闭接收通道，发射结束后打开接收通道。计算机系统安装有测量软件，通过总线控制数字仪器，完成信号的采集与处理、测量结果的保存与打印等。

通过对比声软末端（或声硬末端）试样反射波与柔性（或刚性）标准反射体反射波声压幅值和相位测量出试样复反射系数的模，进而计算得出试样的吸声系数等声学参数。

3.2 测试实验条件

参考标准：GB－T 5266－2006

测试条件：

声管末端类型：声软末端

室温：22℃

水温：28℃

湿度：35%

测试装置：水声无源材料声脉冲管法测试系统

3.3 测试结果及分析

实验测试两个尖劈试样的吸声系数，测试频段为1 500～8 000 Hz，两个试样总长度相同，逐渐过渡部分和圆柱部分长度也都相同，不同的是两个试样内部含有不同形状的空腔，同时制作尖劈的材料配比也不相同。

图4和图5分别给出了上述两个尖劈试样在常压下的吸声系数测试结果与本文理论计算结果的比较曲线。

由图4，图5可以看出，在大体变化趋势上，本文理论计算结果与实验测试结果吻合较好，只是在数值上存在一定的误差。由此说明，在常压下本文采用分层介质模型理论计算的尖劈结构吸声系数与实验所测得的结果在总体变化趋势上基本一致，这也证明了常压下本文计算吸声系数理论方法的正确性。

4 尖劈结构吸声性能影响因素分析

4.1 不同静压下尖劈结构吸声性能分析

实际的尖劈吸声结构均在一定的水深中使用，由于受到几兆帕的静水压力，尖劈的空腔结构无疑会发生变化，从而导致其吸声性能也随之改变。尖劈吸声结构的后端粘贴在钢板上（看作刚性背衬），前端和侧端承受静水压力与垂直入射的简谐波。

图6所示为给出了水深取0 m、300 m、450 m（对应的静水压力分别为 0 MPa、3 MPa、4.5 MPa）情况下3.3节中尖劈试样1的吸声系数实验值和仿真计算值。

对比图6可见，在常压下实验值与仿真值基本吻合，但在高静压下实验值与仿真值吻合度较差。为进一步分析高静压下尖劈结构的吸声性能，再选取4组材料与空腔型式均不同的尖劈吸声结构试样， 分别测试它们在 0 MPa，3 MPa，4.5 MPa（对应0 m，300 m，450 m水深）静压下的吸声系数，测试频段仍为1 500～8 000 Hz，测试结果如图7～图10所示。

由图7～图10可以看出，随着水深的增大，尖劈结构吸声系数曲线的形状基本不变，但静水压力越大，吸声系数下降也越大，即尖劈结构吸声系数随静水压力的增大有所下降，这主要是因为在静水压力的作用下尖劈吸声结构产生了变形，空腔的有效容积变小了。即在静水压力的作用下，尖劈结构的吸声性能有所下降。

综合分析图6～图10，可以看出，尖劈结构的吸声性能随静水压力的增大有所下降。另外，由于测试实验本身存在一定的误差，实验测试曲线在个别位置出现凹凸，不如仿真计算曲线光顺。实验测试曲线在不同静水压力下的吸声系数下降值较仿真计算曲线大，这可能是因为在测试时尖劈试样的动态力学参数发生了变化。具体来说高静压的试验环境使本试验的尖劈材料的弹性模量发生了变化，压力越大材料弹性模量数值下降越大，而这一点在仿真计算时并没有考虑。

归结起来，影响尖劈结构吸声性能的不仅仅是结构变形，随着水深的增大材料动态力学参数的改变可能是影响尖劈吸声性能的重要原因，这部分研究应该是今后工作的重点。

4.2 不同空腔结构对尖劈吸声性能的影响

空腔形状特别是空腔总体积对尖劈结构吸声性能影响较大，其中对低频吸声效果的影响尤为明显。图11给出了同种材料不同空腔类型尖劈结构吸声系数仿真曲线。

为进一步研究空腔尺寸对尖劈结构吸声性能的影响规律，开展以下实验，以圆台型空腔尖劈吸声结构为例，选取两个实验试样进行对比分析，两试样原料组成及配比相同，总长度及外形一致，只是腔型尺寸不同，如图12所示，吸声测试频段均为1 500～8 000 Hz。

试样 1：L1＝80 mm，L2＝40 mm，L3＝40 mm，a＝6 mm，b＝5 mm，r1＝6 mm，r＝12 mm

试样 2：L1＝80 mm，L2＝40 mm，L3＝40 mm，a＝5 mm，b＝4 mm，r1＝4mm，r＝12 mm

图13～图16给出了上述两尖劈试样吸声系数实验值及仿真值的对比结果。

由图13～图16可以看出，在常压下，空腔尖劈试样1与试样2相比，低频下吸声系数有所提高，但高频下吸声系数有所下降。这是因为尖劈吸声结构的吸声机理是声波透射到尖劈内部而使声能被耗散以及声波作用下内部空腔所产生的共振吸收，对中高频噪声以耗散吸声为主，对低频噪声则以共振吸收为主。试样1与试样2相比，空腔尺寸增大，低频下共振吸收有所加强，因此吸声系数升高。但是空腔尺寸增大加剧了尖劈整体结构与水的阻抗失配，引起透射声波减少，从而使得尖劈结构在中高频下的吸声系数有所下降。

通过上述讨论，我们得出结论：在低频下，同种材料同种腔型的尖劈结构的吸声性能主要由空腔尺寸决定，增大空腔尺寸，可以明显提升尖劈结构低频下的吸声性能。

下面，我们再以两个尖劈试样为例来分析当空腔尺寸过大时，尖劈结构的低频吸声性能。试样1与试样2均为圆台型空腔尖劈，原料组成及配比相同，总长度及外形一致，只是腔型尺寸明显不同，试样1为普通空腔，试样2则是超大型空腔，如图17所示，两试样吸声系数测试频段均为500～3 500 Hz低频段。

分别作出常压和高静压下两尖劈试样的吸声系数实测值对比曲线如图18和图19所示。

由图18、图19可以看出，在常压和高静压下，试样2在1 200 Hz以下范围内均测不到数据，而试样1在整个测试频段内测试数据完整，这是声波在水和尖劈交界面上发生了严重反射的缘故。同时试样2相对于试样1而言，除局部频段吸声系数有所提高外，整体吸声系数下降了，这是因为与试样1相比，试样2虽然明显增大了腔型尺寸，加强了低频下腔体共振，但其整体等效阻抗与水的阻抗严重失配，导致声波传输到水和尖劈交界面时，反射现象加剧，无法更好地透射到尖劈阻尼层内部。总之，过大的腔型尺寸导致尖劈试样2整体等效阻抗与水的阻抗严重失配，虽然加剧了共振吸收，但是在500～3 500 Hz低频段，尖劈试样2整体的吸声性能还是下降了。

通过上述对比分析，我们得出结论：对于含空腔尖劈吸声结构，增大空腔尺寸可以使尖劈空腔共振加强，提高其低频吸声效果，但是空腔尺寸不能过大。对尖劈吸声结构整体而言，过大的空腔尺寸会导致尖劈结构整体等效阻抗与水的阻抗严重失配，使声波传输到尖劈表面时反射增加，影响尖劈结构的整体吸声效果。因此在设计尖劈结构的空腔时，既要使空腔结构的共振加强，又不能使尖劈整体等效阻抗与水的阻抗严重失配。

5 结 论

本文通过实验测试了含空腔尖劈结构的吸声系数，讨论了尖劈结构吸声性能随频率、静水压力及空腔结构的变化规律，并将实验值与仿真值进行了对比，主要得到以下结论：

1）静水压力下，随着水深的增大，尖劈结构吸声系数曲线的形状基本不变，但静水压力越大，吸声系数下降也越大，即尖劈结构吸声系数随静水压力的增大有所下降。

2）影响尖劈结构吸声性能的不仅仅是结构变形，随着水深的增大材料动态力学参数的改变可能是影响尖劈吸声性能的重要原因。

3）同种材料不同空腔类型尖劈结构的吸声性能差别较大，在低频段尤为明显，而对于同种腔型尖劈结构，其吸声性能则主要由空腔尺寸决定。

4）对于含空腔尖劈吸声结构，增大空腔尺寸可以使尖劈空腔共振加强，从而提高其低频吸声效果，但空腔尺寸过大反而会影响尖劈结构的整体吸声效果，这对水下尖劈吸声结构的设计及其在实艇减振降噪中的应用具有一定的参考意义。

［1］张宏军，邱伯华，石磊，等.消声瓦技术的现状与发展趋势［J］.舰船科学技术，2001，23（4）： 6－14.

［2］GIDEON M.Response of ribbed panels to reverberant acoustic fields［J］.The Journal of the Acoustical Society of America， 1962， 34（6）： 809－826.

［3］TRENY C，GAMIER B.Porous anechoic systems from the physical concept to the technology solution ［C］.UDT，1995：191－195.

［4］王仁乾，马黎黎，缪旭弘.带空腔尖劈吸声器吸声性能的研究［J］.声学技术，1999，18（4）：146－157.

［5］缪旭弘，顾磊，高兴华，等.基于分层媒质模型的声学性能仿真研究［J］.计算机仿真，2003，20（10）：74－80.

Experimental Research on Sound-Absorption Performance of the Wedge Structure with Cavity

Sun Ming1Li Wei-wei1Bao Yan1Yao Xiong－liang2
1 Ship Research Institute， Dalian Shipbuilding Industry Co.，Ltd.， Dalian 116001， China 2 College of Shipbuilding Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China

The sound－absorption performance of wedge structure as well as that with cavity was tested by experiment.According to the sound－absorption equations obtained from the non－uniform waveguide theory， the sound－absorption coefficient of wedge structure was calculated and the variation of performance with frequency， hydrostatic pressure and cavity structure was discussed.The calculated results were then compared with the experimental results.It shows that with the increase of water depth， the shape of sound－absorption coefficient curve does not change significantly under hydrostatic pressure，while the larger the hydrostatic pressure is， the greater the wedge sound－absorption coefficient drops down.Soundabsorption performance of the wedge made by the same material with different types of cavity varies significantly，especially in the low frequency range.As for the wedge with same type of cavity，its soundabsorption performance is mainly determined by the size of cavity.Thus， the low frequency sound－absorption performance of the wedge structure with cavity can be greatly improved with the increase of cavity size， but the overall sound－absorption effect will be weakened if the cavity size is excessively large.These provide reference for the design of underwater wedge structure and the application of the wedge structure to the vibration and noise reduction of ship structure.

wedge with cavity； testing experiment； hydrostatic pressure； cavity structure； sound－absorption performance

U661.43

A

1673－3185（2010）05－27－07

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.05.006

2009－09-24

国防重点预研项目

孙 明（1984－），男，硕士。研究方向：船舶与海洋工程结构动力学。E-mail：xiaolizhi1215＠sina.com