吸声尖劈对声纳平台声场影响试验研究*

朱 理， 李海超, 庞福振,， 缪旭弘

(1.哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001； 2.中国人民解放军92857部队，北京 100007)

吸声尖劈对声纳平台声场影响试验研究*

朱 理1， 李海超1, 庞福振1,2， 缪旭弘2

(1.哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001； 2.中国人民解放军92857部队，北京 100007)

为研究吸声尖劈对船舶声纳平台声学环境的影响，开展了吸声尖劈对声纳平台水下声场影响的模型试验研究；通过在声纳平台结构0 %,100 %敷设吸声尖劈的情况，声波分0°,90°,180°方向入射，讨论了尖劈敷设方式、声波入射方式对声纳平台散射声场的影响，得到了声纳平台典型部位的声压分布。研究表明：吸声尖劈可明显改变声纳平台的声场分布，使声纳平台自噪声降低至少5 dB,局部区域可降20 dB以上，但其抑制效果随考核位置、声波频率的不同而各有变化。

吸声尖劈； 声纳平台； 声场； 试验研究； 声学特性

0 引 言

吸声尖劈通过在内部设置空腔结构，使其兼具谐振吸声和阻抗过渡吸声的优点，因而,它是一种性能良好的吸声结构[1,2]。吸声尖劈可有效降低舰船声纳平台的自噪声，目前已广泛应用于各类船舶中。自20世纪70年代，我国已有多名学者开展了吸声尖劈的研究工作[3～5]，且该类研究的重点多集中于单个尖劈的微观声学性能分析，这对于指导型吸声材料的设计无疑是有益的。但就吸声尖劈的工程应用，人们往往更关心吸声尖劈对结构声场影响的宏观效果，而国内在该方面公开发表的文献又相对较少[6～8]。

为表现吸声尖劈对实际结构声学环境宏观影响的真实性，准确评价吸声尖劈的实际降噪效果，本文采用试验方法开展了吸声尖劈对声纳平台结构声学环境的影响分析，讨论了在不同声波入射角度情况下声纳平台水下声场的分布，通过分析得到了吸声尖劈对声纳平台结构声场的影响。

1 模型试验

1.1 试验模型

试验模型主要由吸声尖劈和声纳平台结构模型两部分组成。吸声尖劈主要由基体结构和阶梯形复合空腔组成，通过改变基体材料的储能模量和损耗模量，合理设计空腔形式，可有效改善吸声尖劈的低频吸声性能，吸声尖劈结构形式和试验模型见图1。

图1 吸声尖劈材料与试验模型示意图

1.2 试验原理与试验工况

为保证模型水下状态稳定性和声源设备布置的方便，真实反映实际海洋环境下空腔吸声尖劈与声呐平台的耦合特性，本试验选择在大连测控技术研究所码头试验海区进行。为减小壁面效应，降低波浪与海流的影响，模型通过吊车固定于码头水下3 m处，并将无指向性发声换能器固定于同一水深固定距离处(见图2)。为便于分析，本次试验共设置三个水听器(见图3)，1#，3#水听器分别位于支撑圆筒前后端，2#水听器位于支撑圆筒左侧，与1#，3#水听器连线呈90°。

图2 试验原理图

图3 水听器布置与安装图

试验工况主要根据试验目的设定，本试验主要考虑在上下平台、后壁等处设置吸声尖劈，分0 %，100 %尖劈敷设两种状态，各状态下声波分别以0°，90°，180°三种情况入射，各工况下声源距离试验模型20 m，各敷设状态下的试验工况见表1，声源布置与吸声尖劈敷设状态如图4所示。

表1 试验工况表

*注：各试验工况下发生换能器峰—峰电压始终为4 V。

图4 声源与各工况吸声尖劈布置示意图

2 吸声尖劈对声纳平台声场的影响

当声波以一定角度进入声纳平台结构时，部分声波在上下平台、后壁和支撑圆筒等表面处产生多反射；部分声波进入空腔吸声尖劈且被吸收耗散掉。由于平台结构的几何复杂性，声波在声纳平台结构的反射异常复杂，此时声纳平台结构区域内部的声场分布将有很大差异，声纳平台结构的混响特性也有很大改变。为便于讨论，现讨论声波以不同角度入射时其对声呐平台声场的影响情况。

2.1 声波0°方向入射时声纳平台的声场分布

图5给出了声波以0°角入射时，尖劈不同敷设密度下各水听器的声压随频率的变化曲线。

图5 声波0°方向入射时吸声尖劈敷设前后各水听器声压曲线

由图5可知，敷设吸声尖劈后，声波以0°角入射时，声纳平台结构内部各点声压在逐步减小，但位置不同、频率不同，各点声压的变化又略有差异：一方面，不敷设尖劈时，1#，2#处测点的声压大致相同，3#处与1#，2#处的差异较大；敷设吸声尖劈后，1#，2#处测点声压的差异在逐渐加大，由此可见，影响1#，2#处的主要是声源直达声和支撑圆柱、后壁的反射声；另一方面，吸声尖劈对平台自噪声具有较好的抑制效果，多数频点10～20 dB，局部频点可达25 dB。

实际上，未敷设吸声尖劈时，后壁和支撑圆柱的反射声大致相同，故1#，2#处测点的声压基本相同；但敷设吸声尖劈后，后壁的反射声逐渐减弱，2#处的声压也随之有较大衰减，故而1#，2#处的声压曲线差异较大。对于3#处而言，后壁的直接反射声、后壁与支撑圆柱的多次反射声是其主要因素，后壁反射声与后壁及支撑圆柱的反射声将发生很大改变，故而3#处声压变化较为大。

2.2 声波90°方向入射时声纳平台的声场分布

图6给出了声波以90°角入射时，尖劈不同敷设密度下各水听器的声压随频率变化曲线。

图6 声波90°方向入射时吸声尖劈敷设前后各水听器声压曲线

声波以90°方向入射不敷设尖劈时，1#，3#测点的声压大致相同，2#处与1#，3#处的差异相对较大；敷设吸声尖劈后，1#，2#处测点声压逐渐降低，但其变化规律基本相似；3#处的声压在不同频段有一定起伏，但总体变化不大；另一方面，敷设吸声尖劈后声纳平台自噪声水平有较大下降，吸声尖其降噪效果普遍在10 dB以上，局部频点降噪效果可达20 dB以上。造成上述现象的原因主要有：对于1#，3#测点而言，入射直达声、支撑圆柱与后壁的反射声是其主要因素，对于2#测点而言，入射声、支撑圆筒与尖劈的反射声是其声压的主要因素；声波频率改变时，后壁、上下平台与支撑圆筒的反射声在声纳平台结构的空间分布将发生改变，并最终导致各测点声压的差异。

2.3 声波180°方向入射时声纳平台的声场分布

声波180°方向入射时，敷设尖劈前后声纳平台的声场分布变化较大(见图7)：敷设吸声尖劈后，各测点声压除逐渐变小外其变化规律也逐渐趋于一致。对1#，2#处测点而言，不敷设吸声尖劈时两者声压的差异较大；敷设吸声尖劈后其声压逐渐趋于一致。对于3#处而言，不敷设吸声尖劈时后壁的辐射噪声相对较大，0 %敷设时3#处噪声较1#处偏大。但敷设吸声尖劈后，后壁的辐射噪声迅速下降，此时3#处测点的噪声也在迅速降低；且此时声纳平台结构内部的声场已成为入射声波的衍射声场，故各水听器的噪声水平较为相近。对比图7可以发现，此时尖劈的降噪效果约5 dB，其降噪效果较声波0°，90°方向入射时显著偏小。

实际上，声波180°方向入射时，各水听器接收的信号为声源在声纳平台结构周围形成的衍射声和结构受激振动产生的次级辐射声，由于各测点位置不同，衍射声与辐射声大小各不相同，故各测点的差异也相对较大。1#测点距离后壁较远，且后壁产生的辐射噪声被支撑圆柱所遮蔽，故1#处测点的噪声主要为入射声波的衍射声和上下平台受激振动产生的辐射噪声；2#水听器位于支撑圆柱侧部，其接收到的声信号为入射声波的衍射声和后壁的辐射声，故该处声压最大；3#水听器位于后壁和支撑圆筒之间，后壁产生的辐射噪声是该处噪声的主要因素，故其量值相对较小。

图7 声波180°方向入射时吸声尖劈敷设前后各水听器声压曲线

3 结 论

1)吸声尖劈会改变声纳平台结构的声场分布，并能有效降低声纳平台结构的自噪声，但其抑制效果随考核位置、声波频率的不同而各有变化。

2)声波以0°角入射时，吸声尖劈会降低声纳平台结构的自噪声水平，但各点的声压变化随考核部位、声波频率的不同又各有差异，不敷设尖劈时，1#，2#处的声压大致相同，3#处与1#，2#处差异较大；敷设吸声尖劈后，各测点声压降低，但1#，2#水听器测点声压的差异在加大，3#水听器声压在不同频段起伏较大；吸声尖劈降噪效果约为10～20 dB，局部频点降噪效果达25 dB。

3)声波以90°角入射时，不敷设吸声尖劈时1#，3#水听器测点的声压大致相同，2#水听器与1#，3#水听器的差异相对较大；敷设吸声尖劈后，1#，2#水听器测点声压逐渐降低，且其变化规律基本相似；而3#水听器在不同频段有一定起伏，但总体变化不大；吸声尖劈的降噪效果约为10 dB以上，局部频点降噪效果达20 dB以上。

4)声波以180°角入射时，敷设吸声尖劈前，声纳平台各处声压受声波频率的影响较大；敷设吸声尖劈后，声纳平台自噪声有一定下降，且各水听器测点的声压逐渐趋于一致；此种情况下吸声尖劈的降噪效果约为5 dB，其降噪效果较声波0°，90°方向入射显著偏小。

[1] 周 洪,黄光速.高分子吸声材料[J].化学进展,2004,16(3):450-455.

[2] 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)：146-148．

[3] 朱金华,王源升.水声吸声高分子材料的发展及应用[J].高分子材料科学与工程,2005,21(4):46-50.

[4] 唐海清，缪荣兴，李君清．高压消声水池端部松木尖劈吸声性能研究[J]．声学与电子工程，2001,62 (2)：23-27．

[5] 魏军光，乔冬平，张 霞,等．消声水池用低频吸声尖劈的研制[J]．材料开发与应用，2002,17(4)：32-34．

[6] 郭华林，骆东平，陈美霞,等．潜艇首部声呐平台区低频自噪声预报[J]．舰船科学技术，2005,27(4)：74-77．

[7] 庞福振，姚熊亮，孙龙泉,等．敷设吸声尖劈的声纳平台水下声学特性试验研究[J]．华中科技大学学报:自然科学版，2011，39(4)：106-109．

[8] 庞福振，姚熊亮，孙龙泉，等．吸声尖劈对板柱组合结构水下声学特性影响的试验研究[J]．船舶力学，2011，15(5)：570-576．

朱 理 (1986-)，男，辽宁葫芦岛人，博士研究生，工程师，主要从事船舶与海洋工程结构物设计制造。

Experimental research of influence of sound absorption wedges on acoustic field of sonar platform*

ZHU Li1， LI Hai-chao1， PANG Fu-zhen1,2， MIAO Xu-hong2

(1.College of Shipbuilding Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001, China; 2.92857 Unit of PLA,Beijing 100007,China)

In order to study influence of sound absorption wedge on acoustic environment of ship sonar platform,experimental research of influence of sound absorption wedge on sound scattering field of sonar platform is carried out,by supposing entry angles of incident waves are 0°,90°,180°,respectively;while the arrangement density of sound absorption wedge is 0 %,100 %,sound pressure distribution of typical part is thus obtained.Study also shows that sound absorption wedge can change pressure distribution of sonar platform,and reduce self-noise level at least 5 dB,and over 20 dB with special location,however,the effect varies with the hot spot location and the frequency of acoustic wave.

sound absorption wedges; sonar platform; sound field; experimental research; acoustic characteristic

10.13873/J.1000—9787(2015)03—0051—03

2015—01—06

国家自然科学基金资助项目(51209052)；黑龙江省青年科学基金资助项目(QC2011C013)；哈尔滨市科技创新人才研究专项资金资助项目(2011RFQXG021)；上海交通大学海洋工程国家重点实验室基金资助项目(1307)；工信部高技术船舶项目;中央高校基本科研业务费资助项目(HEUCF140117)；国防预研项目(4010403010103)；中国博士后基金资助项目(2014M552661)

U 661.4

A

1000—9787(2015)03—0051—03