吸声材料对水下平台声学特性的影响

梁国龙,庞福滨,张光普

(哈尔滨工程大学水声工程学院水声技术重点实验室,黑龙江哈尔滨 150001)

吸声材料对水下平台声学特性的影响

梁国龙,庞福滨,张光普

(哈尔滨工程大学水声工程学院水声技术重点实验室,黑龙江哈尔滨 150001)

为了减小水下平台的反射系数,提高其声学隐身性能,提出了在平台表面覆盖吸声材料的方法。利用传递矩阵法,推导了水下平台复合层结构在声波斜入射条件下的反射、透射系数,计算了覆盖吸声材料前后水下平台的反射系数,并分析了材料的摆放顺序、参数变化时对平台声学特性的影响。研究结果表明,未覆盖吸声材料时,平台对声波的反射系数接近于1;覆盖吸声材料后,平台的等反射系数曲线随声波的入射角度、频率大致呈双曲线状,对高频声波的反射明显减小;平台对声波的反射具有频率选择性,增加材料的厚度可以使平台对声波的吸收频段往低频转移;当材料的损耗系数增加时,平台的反射系数降低。实验结果验证了理论计算的正确性。

声学;吸声材料;水下平台;传递矩阵;反射系数

Key words:acoustics;absorption material;underwater platform;transfer matrix;reflection coefficient

0 引言

水下平台一般为内充空气腔的弹性壳体结构,为了保持其隐蔽性能,同时也为了减小平台自身的本体噪声,往往在表面覆盖吸声材料,一方面可以提高其自身的隐身性能[1],另一方面也可以减小声波的反射对其测量装置的影响。目前常用的吸声材料仍以吸声橡胶等粘弹性类材料为主[2]。研究覆盖吸声材料的水下平台的声学特性,使其在指定的频率区域有效地较少声波的反射,对于水下平台作业测量的有效性具有重要的意义。

将吸声材料覆盖在水下平台的表面,即组成了包含吸声材料及平台结构的复合层结构。当水下平台的外层曲率半径远大于声波波长时,复合层结构可以近似为平面分层结构。近年来,许多专家和学者对复合层结构的声学特性做了大量研究。何祚镛等分析了声波垂直入射条件下水下均匀和非均匀材料复合层的声学特性,提出了分层采用锥形和指数函数拟合计算包含任意非均匀层的多层复合结构反射、吸声系数的近似方法[3-4]。Kimura等提出了一种测量声波斜入射条件下吸声板吸声系数的方法[5]。朱从云等提出了一种多层吸声材料吸声系数的理论解法,并进行了实验验证[6]。张海燕等对各向异性媒质中声波的传递矩阵进行了技术改进,得到了较为稳定的全局矩阵[7]。Lee等基于传递矩阵法,提出了预测水下复合层结构的插入损耗和衰减系数的方法,实验证明该方法可在低频段对4层复合结构的吸声系数进行预测[8]。杨德林等将传递矩阵引入了分层介质中的声透射问题[9],虽然仅对声波垂直入射这一情况进行了分析,但该方法同样适用于声波斜入射时结构的声学特性分析。Hasheminejad等对均匀介质的水下圆柱壳的散射特性做了研究[10],并分析了柱壳的内层厚度、材质等因素对其共振散射系数的影响,并研究了声波斜入射条件下厚壁圆柱壳的散射特性[11]。刘永伟等分析了悬浮泥沙颗粒与水介质结构的吸声系数,并进行了实验验证[12]。Stepanishen等利用传递矩阵和傅里叶变换的方法,分析了宽带平面波入射至包含粘弹性介质的复合层结构时,反射波和透射波的时域变化特性[13]。杨雪等研究了梯度分层材料的吸声性能和阻尼性能[14],在此基础上,应用三维传递矩阵数学模型计算了多层复合结构对垂直入射声波的吸声系数[15],并且分析了各层材料厚度、模量、损耗因子及泊松比变化对吸声性能的影响,结果表明各因素变化对吸声性能影响较大。而在声波斜入射条件下,由多层介质组成的平台结构的反射系数与声波入射角度和频率的变化关系,以及吸声材料的参数变化对平台结构声学性能的影响,目前相关的研究并不多见。

本文以传递矩阵法为计算工具,对比分析了声波不同入射角、不同频率条件下覆盖吸声材料前后水下平台的反射系数,并分析了吸声材料的摆放顺序及参数变化对水下平台声学性能的影响。最后通过实验验证了计算的正确性。

1 水下平台的声学特性

水下平台一般为内充空气腔的单层或多层壳体结构,可以将其简化为由n层介质组成的复合层结构。当声波斜入射至平台结构时,由于固体中存在切应变,在声波的激励下同时存在纵波和横波[16]。而粘弹性吸声材料虽然为固态,其力学特性却和金属固体明显不同,可以看作高粘性的液体,故在声波通过该类材料时只产生纵波[17]。各层介质中声波的传播如图1所示。

设第i层介质为弹性固体介质,则各层介质中的透射角由Snell定律给出[18]:

图1 平台结构声波传播示意图Fig.1 Propagation of wave in composite structure

式中:bij(i,j=1,2,3,4)为传递矩阵中的元素,其值与平台结构的各介质的弹性常数有关,具体推导过程见文献[18].如图1所示,当入射波pi以角度θ0入射至平台结构时,在结构前界面和后界面分别形成反射波pr和透射波pt.设入射波、反射波和透射波的表达式为

式中:R、D分别为结构的反射、透射系数。设第i层介质的厚度为li,则平台结构的总厚度为

由于平台处于无限流体介质中,在其边界处的切应力为0.在平台前界面,即z=0时,边界条件为

式中:c为材料的实波速;η为材料的损耗系数,它是材料形变相对应力的相位延迟的正切函数值,体现了其弹性形变的弛豫过程,其值一般较小,但可以通过不同的吸声胶料和配合剂的比例来改变其大小[19]。

2 数值计算

2.1 平台的反射系数

水下平台为钢质壳体,内部为空气腔,可以看作由钢板、空气、钢板组成的3层复合结构,各层介质的参数如表1所示。在声波斜入射时,钢板中同时存在纵波和横波,其波速分别为5848 m/s、3232 m/s.

表1 水下平台各层介质中参数Tab.1 Properties of each layer of underwater platform

设水下平台置于无限的、均匀的水流体介质中,水中声速为1 500 m/s,密度为1 000 kg/m3.根据表1中所给参数,计算未覆盖吸声材料时平台的反射系数。图2给出了声波频率为50 Hz～10 kHz时,声波斜入射条件下水下平台的反射系数。从中可以看出,由于壳体内部的钢-空气腔的界面结构阻碍了声波的透射,绝大部分声波被反射,水下平台的反射系数接近于1.因此,未覆盖吸声材料的水下平台具有很高的反声性能,这对于其测量结果的可靠性是非常不利的。

图2 水下平台的反射系数Fig.2 Reflection coefficient of underwater platform

2.2 覆盖吸声材料时平台的反射系数

为了降低平台的反射系数,在其端面覆盖吸声材料,组成包含表1中介质和吸声材料的4层复合结构。材料密度为1 180 kg/m3,厚度为25 mm,损耗系数为0.5,介质中声速为(932+244j)m/s.图3给出了吸声材料面向声波入射方向时,此计算模型下平台的反射系数。

图3 覆盖吸声材料时平台的反射系数Fig.3 Reflection coefficient of underwater platform with sound absorbing material

从图3可以看出,覆盖吸声材料后,水下平台对低频声波的反射仍然较强,而对高频声波的反射减弱;在相同的声波频率下,声波垂直入射时反射系数最小,随着入射角度的增加反射系数逐渐增加。不难看出,覆盖吸声材料后平台的等反射系数曲线随声波的入射角度、频率大致呈双曲线状,对高频声波的反射明显减小。

在实际应用中,当声源位于未覆盖吸声材料的平台一侧时,相当于吸声材料排列在复合层结构的最后一层,图4给出了这种情形下平台的反射系数。此时平台对声波的反射系数接近于1,基本接近于未覆盖吸声材料时平台的反射性能。由此可见,覆盖吸声材料的水下平台的声学特性与其材料的排列顺序有密切的关系,吸声材料只有在面向声波入射方向时才能有效地减小声波的反射,在背对声波入射方向时基本不起作用。

2.3 材料厚度变化对平台反射性能的影响

当吸声材料的厚度增加至50 mm时,计算了平台的反射系数,计算结果如图5所示。当声波垂直入射时,反射系数最小的区域集中在4～6 kHz的频段,随着入射角度的增加,等反射系数曲线呈双曲线状往高频方向转移。结合图3可以得到这样的结论:复合层结构对声波的反射具有频率选择性,当吸声材料的厚度较小时,在计算频段内复合层结构的反射系数随着声波频率的增加而减小;随着材料厚度的增加,结构对声波的最佳吸收频段往低频转移。利用这一规律,可以通过调整吸声材料的厚度,达到减小某一频段内声波反射的目的。

图4 材料位于平台背部时的反射系数Fig.4 Reflection coefficient of platform with sound absorbing material on its back

图5 材料厚度对反射系数的影响Fig.5 Influence of material thickness on reflection coefficient

2.4 损耗系数对平台反射性能的影响

为了分析材料的损耗系数对平台反射系数的影响,计算了2.2节模型中材料的厚度及实声速不变,损耗系数不同时平台的反射系数。图6为入射频率为3 kHz、6 kHz时,声波斜入射条件下平台的反射系数。显然,当材料的损耗系数增加时,平台的反射系数减小,且入射角越小、声波频率越高时,反射系数的减小作用越明显。因此,提高材料的损耗系数可以有效减小声波垂直入射时的平台对高频声波的反射。

3 实验结果及分析

图6 损耗系数对反射系数的影响Fig.6 Influence of loss coefficient on reflection coefficient

为了验证理论计算的正确性,在消声水池中进行了声波斜入射条件下水下平台反射系数的测量实验。水池长25 m,宽15 m,四周布满消声尖劈,对2 kHz以上的声波具有良好的吸声效果。实验所用的水下平台和吸声材料的模型如图7所示,其中水下平台为内充空气腔的钢质有限长圆柱壳,柱长0.5 m,直径为0.53 m;壳体厚度为5 mm,钢质壳体及内部空气腔的密度、声速等参数与表1相同。吸声材料是由天津振海橡胶公司生产的粘弹性吸声橡胶,材料的厚度、密度、声速参数同2.2节中一致。在测量吸声材料对平台声学特性的影响时将材料裁剪为与平台端面面积相同,并覆盖在平台端面上。水听器刚性地安装在覆盖吸声材料的平台前端,在实验中其距平台的距离保持在60 mm以内,以排除平台其他部分的反射对测量结果的影响。

图7 水下平台及吸声材料模型Fig.7 Models of underwater platform and sound absorbing material

实验布局如图8所示。信号源发出的电信号经过功率放大器进行放大,由发射换能器转换为声信号后发出;发射换能器距水听器12 m,以保证入射声波可近似为平面波。水听器接收的声场信号经过测量放大器的放大和滤波器的滤波处理后存至信号采集器,最终由计算机进行处理。实验过程中以5°为旋转间隔旋转水下平台,采集了不同声波入射角度时水听器的接收信号;并根据自由场时的信号进一步计算平台的反射系数。分别测量了入射声波为6 kHz时,覆盖吸声材料前后平台的反射系数。

图8 水下平台实验布局Fig.8 Layout of experimental platform

图9给出了覆盖吸声材料前后,入射频率为6 kHz时,声波斜入射条件下水下平台的反射系数。从图中可以看出,未覆盖吸声材料时,平台的反射系数接近于1,这是由于水下平台的钢-空气界面阻碍了声波的透射,导致入射声波绝大部分被反射;覆盖吸声材料后,平台对声波的反射性能减小,反射系数与入射角度有关:声波垂直入射时反射系数最小,随着入射角度的增加,反射系数逐渐变大。实验结果与理论计算基本一致,验证了计算结果的正确性。

图9 覆盖吸声材料前后平台的反射系数Fig.9 Reflection coefficient of platform with and without sound absorbing material

4 结论

根据多层介质中声传播理论,利用传递矩阵法计算了声波斜入射条件下覆盖吸声材料前后的水下平台声学特性,分析了材料的排列顺序、参数变化对平台反射系数的影响,得出如下结论:

1)未覆盖吸声材料时,平台的反射系数接近于1;覆盖吸声材料后,平台的等反射系数曲线随声波的入射角度、频率大致呈双曲线状,对高频声波的反射明显减小。

2)吸声材料只有在面向声波入射方向时才能有效地减小声波的散射,在背对声波入射方向时基本不起作用。

3)覆盖吸声材料后,平台对声波的反射具有频率选择性,通过调整吸声材料的厚度,可以减小结构对某一频段内声波的反射。

4)材料损耗系数的增加可以有效减小声波垂直入射时平台对高频声波的反射。

水池实验验证了理论计算的正确性,研究内容对水下平台声学性能的分析、预报及隐身设计具有工程指导意义。

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Influences of Sound Absorbing Materials on Acoustic Characteristics of Underwater Platform

LIANG Guo-long,PANG Fu-bin,ZHANG Guang-pu
(Science and Technology on Underwater Acoustic Laboratory,College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University,Harbin 150001,Heilongjiang,China)

In order to decrease the reflection coefficient of underwater platform and promote its stealth performance,a method of covering a sound absorbing material on the platform is proposed.The transfer matrix method is used to calculate the reflection and transmission coefficients of composite structure in underwater platform in the case of oblique incidence of sound waves.The influences of the arranging sequence and parameters of sound absorbing materials on the acoustic characteristics of underwater platform are analyzed.The results show that the reflection coefficient of platform without sound absorbing material is close to 1;the constant reflection coefficient curve of the platform with sound absorbing material is a hyperbolic curve as the functions of incident angle and frequency,and its reflection coefficient obviously descreases at high frequency.This shows the frequency selectivity in the absorbing performance of platform,and the absorption wave band of platform transfers to lower frequencies by increasing the thickness of sound absorbing material.When the loss coefficient of material raises,the reflection coefficient of platform goes down.The experimental results coincides well with the theoretically calculated results.

TB564

A

1000-1093(2014)07-1065-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.07.020

2013-07-05

国家自然科学基金项目(51279043、61201411、51209059)

梁国龙(1964—),男,教授,博士生导师。E-mail:liangguolong@hrbeu.edu.cn;

庞福滨(1987—),男,博士研究生。E-mail:pangfubin2006@163.com