一种手性声学覆盖层的水下抑声性能实验研究

张林芳，黄修长

（1.海军驻北京地区武备配套军事代表室，北京 100073；2.上海交通大学 振动冲击噪声研究所，机械系统与振动国家重点实验室，上海 200240）

一种手性声学覆盖层的水下抑声性能实验研究

张林芳1，黄修长2

（1.海军驻北京地区武备配套军事代表室，北京 100073；2.上海交通大学 振动冲击噪声研究所，机械系统与振动国家重点实验室，上海 200240）

在水池中进行敷设手性声学覆盖层的加筋板结构水下声辐射实验，对手性结构覆盖层的声辐射抑制特性进行测试和分析。将试验结果与实心橡胶进行对比，并对手性声学覆盖层的抑声机理进行分析，提出在手性声学覆盖层的核中填充EPS泡沫和在表面敷设铝板两种方法可以增加阻尼、抑制覆盖层声辐射面的振动。结果表明，EPS泡沫可增强手性多孔覆盖层的阻尼效应，改善手性多孔覆盖层的低频声辐射性能。

声学；手性声学覆盖层；水下抑声性能；实验研究

手性结构是一种周期结构，具有较好的吸声滤波性能，在隔声和降噪方面具有广阔的应用前景。Ruzzene和Spadoni等应用谱有限元方法研究了六连接手性芯层三明治梁的振动和声辐射特性，讨论不同几何尺寸手性结构对三明治梁振动和隔声量的影响[1]。Spadoni等基于Bloch定理研究平面波在二维六连接手性单胞的传播特性，分析手性几何尺寸对单胞频散曲线、禁带特性和波的方向性的影响，研究结果表明：六连接手性结构在波的传播控制应用方面有潜在的优势[2]。Liu等基于Bloch定理和有限元方法分析平面波在填充局域共振子的二维弹性六连接手性单胞的传播特性，应用单胞禁带反映波在手性单胞中的传播特性并用手性单胞的等效动力学参数来解释手性单胞低频禁带特性，并用手性芯层三明治梁验证单胞的禁带特性[3]。数值结果表明：通过调整手性单胞和局域共振子的几何参数和材料参数可控制手性结构的低频禁带。Zhu和Baravelli构建填充局域共振子的手性结构，应用理论方法、数值方法和实验方法分析局域共振子对手性结构振动特性的影响，结果表明，局域共振子可以有效增大手性结构的低频禁带频率区域并能增强手性结构振动衰减性能，填充局域共振子的手性结构具有较大的刚度和较强的能量损耗性能[4–5]。

在国内，已有人将手性结构制作成水下声学覆盖层，利用其负泊松比特性、周期结构特性、阻抗失配特性以提升覆盖层的抗冲击性能、隔振性能、隔声性能。肖锋应用非线性有限元和实验方法研究手性结构抗冲瓦的水下抗爆炸性能，探讨手性结构在舰船冲击防护中的应用[6]。章振华基于有限元方法分析手性多孔覆盖层的等效力学性能并对其进行了优化[7]。但是对手性覆盖层声学性能的试验研究鲜见报道。文中给出了一种手性声学覆盖层的水下抑声性能实验结果。

1 试验装置

将手性声学覆盖层敷设于加筋板表面进行水下声辐射测试。敷设声学覆盖层的加筋板几何尺寸如图1(a)所示，加筋板由钢制成，其几何尺寸为0.8 m×0.6 m×0.24 m。加筋板的四周焊接较厚的钢板，用来防止水进入到加筋板背面（未敷设覆盖层）和约束加筋板的作用。平板上有四个加强筋的约束，包括2个横向加强筋和2个纵向加强筋。为与手性多孔结构覆盖层进行对比，制作相同尺寸的实心橡胶覆盖层。服盖层的材料为橡胶材料。手性覆盖层如图1(b)所示。加筋板、敷设实心橡胶覆盖层加筋板、敷设手性结构覆盖层加筋板命名为Model I、Model II、Model III。

图1 敷设覆盖层加筋板几何参数模型与手性覆盖层

敷设和不敷设覆盖层加筋板水下声辐射实验在水池中进行，水池深约15 m，直径约80 m。测试系统框架如图2(a)所示。实验测试系统包括下列仪器：激振器（HEA-500 G）、加速度传感器（B&K 4382 V）、力传感器（B&K 8200）、水听器（B&K 8103）、信号发生器（Tektronix AFG3022B）、电荷放大器（B&K 2690）和功率放大器（HEA-500G）等设备，见图2(b)。实验中加速度传感器位置和水听器位置如图2(c)所示，为了将水听器准确放置到设定位置，制作水听器框架，该框架由不锈钢制成的。框架上的1/4弧圈半径为2.5 m，用来放置水听器，水听器均匀排列在弧圈上。水听器框架对准加筋板的三个位置，方向和加强筋的方向相同，见图2(c)、图2(d)。

图2 实验测试系统框图、实验测试仪器、加速度测点及水听器框架位置、水听器布置图

2 试验结果及分析

2.1 背景噪声

图3是测试环境的背景噪声和实验模型的辐射声压，三个模型具有一致性。在大部分频率区域上，实验模型的辐射声压高于背景噪声约6 dB，可认为背景噪声对测试声压的影响较小，不考虑其影响。

图3 背景噪声和测试声压

2.2 声辐射分析

三个模型的测试声压如图4所示。在低频区域（20 Hz～500 Hz），覆盖层明显抑制加筋板声辐射的峰值，手性结构覆盖层和实心橡胶覆盖层的声辐射抑制效果较为接近；在高频区域（500 Hz～4 000 Hz），声学覆盖层能够明显抑制加筋板的声辐射，手性结构覆盖层的声辐射抑制效果要高于实心橡胶。

图4 测试声压级

图5是三个模型敷设声压的1/3倍频程图。在低频区域（20 Hz～500 Hz）上，手性结构覆盖层的声辐射抑制效果不明显，在某些频率（6 3Hz、100 Hz、125 Hz）附近区域上，覆盖层反而放大了结构声辐射，实心橡胶覆盖层声辐射抑制效果高于手性结构覆盖层，但是在少数频率区域上仍然放大结构声辐射。在大部分高频区域上（500 Hz～4 000 Hz），手性结构覆盖层对声辐射的抑制效果高于实心橡胶覆盖层，但是在3 150 Hz附近实心橡胶覆盖层的声辐射抑制效果较明显。

2.3 测试声压方向性

实验模型水下声辐射的指向性如图6所示。敷设实心橡胶覆盖层加筋板的指向性和无覆盖层加筋板的指向性是类似的，说明实心橡胶的声辐射面振动形状和加筋板的振动形状是类似的；敷设手性覆盖层加筋板在低频区域上指向性和无覆盖层加筋板的指向性是类似的，但是在高频区域上敷设手性覆盖层加筋板和无覆盖层加筋板的指向性是不同的。在低频区域上手性覆盖层是整体振动，覆盖层的变形依赖于加筋板的变形，所以覆盖层声辐射面的振动形状和加筋板的振动形状是类似的，但是在高频区域上，由于手性覆盖层内部存在协调变形机制，致使覆盖层声辐射面的振动形状和加筋板的振动形状不同，覆盖层声辐射面的刚度较小，高频区域上覆盖层声辐射面的振动阶次较高，所以覆盖层表面声辐射面的方向性较为明显。

2.4 机理分析

根据测试结果可知，覆盖层对加筋板的声辐射有明显抑制效果。在低频区域，两种覆盖层对加筋板声辐射的抑制效果是接近的，但是实心橡胶覆盖层的声辐射抑制效果相对较好，但是在高频区域上，手性多孔覆盖层具有更好的声辐射抑制性能。

图5 1/3倍频程声压级

图6 不同频率点实验模型水下辐射声压方向性

由于手性结构内部具有空腔，其刚度小于实心橡胶覆盖层，所以手性多孔覆盖层的振动响应稍大于实心橡胶覆盖层，致使在低频区域上，手性多孔覆盖层会在某些低频区域上放大结构声辐射，这表明：结构刚度对覆盖层的低频降噪性能有较明显的影响。手性结构的局部振动发生在中高频率，手性结构具有协调变形能力，降低结构声辐射，另外手性结构局部振动带来较多的剪切变形，具有较高的阻尼效应。通过数值模型可以获得实心橡胶和手性多孔覆盖层的振动传递率，如图7所示。从中可见，低频区区域上，手性多孔覆盖层的放大效应高于实心橡胶的放大效应；高频区域上，手性多孔覆盖层的振动衰减能力较强。

图7 实心橡胶和手性多孔结构覆盖层的振动传递率

手性覆盖层是一种周期覆盖层，采用周期结构理论进行手性覆盖层的禁带特性计算。获得测试声压、覆盖层振动传递率和禁带之间的对比如图8所示。从中可见，在第一禁带的频率范围上，测试声压有明显减小，在第二禁带的频率范围上，测试声压有所减小但是减小的频率范围较窄。在振动传递率较低的两处频率区域上，测试声压有明显的降低。这表明了变形协调和禁带的有效性。

图8 测试声压、覆盖层振动传递率和禁带之间的对比

3 手性多孔覆盖层的改进设计

根据以上实验结果和机理分析，对手性多孔覆盖层进行改进，为增加手性多孔覆盖层的阻尼，在覆盖层内部填充EPS泡沫材料；为减少覆盖层表面的振动响应，在手性多孔覆盖层表面敷设一层2 mm厚的铝板。将填充EPS泡沫材料的手性多孔覆盖层命名为Model IV，表面覆盖铝板的手性多孔覆盖层命名为Model V，将内部填充EPS泡沫表面敷设铝板的手性多孔覆盖层命名为Model VI。

在动态力学特性测试仪MTS上对声学覆盖层进行载荷-位移曲线测试，如图9所示，声学覆盖层粘贴在一块12 mm厚的钢板上，长×宽为350 mm×250 mm。实验模型中的钢板部分安装在MTS仪器的基座平台上，用螺栓进行加固，上端与MTS的活塞压杆相连，活塞压杆压在声学覆盖层的表面。对所测数据进行拟合，得到载荷-位移拟合曲线如图10所示。对覆盖层滞回曲线围成的面积进行求解可以获得等效黏性系数，填充EPS泡沫手性多孔覆盖层等效黏度系数为0.926 0，手性多孔覆盖层的等效黏度系数为0.827 6，可见填充EPS泡沫后手性覆盖层的阻尼增大。

图9 载荷-位移测试

图10 填充（左图）和未填充（右图）EPS泡沫手性覆盖层载荷-位移拟合曲线(18.64 Hz)

图11 1/3倍频程声压级

在水池中对上述三种模型进行水下声辐射实验，得到辐射声压1/3倍频程如图11所示。在低频区域上，填充EPS泡沫和覆盖铝板对手性多孔结构的声辐射抑制性能有明显改善，填充EPS泡沫在较宽的频率范围内增强手性多孔覆盖层声辐射抑制性能且增强效果较为平均，但是铝板在某些频率上增强覆盖层的声辐射抑制性能而在一些频率范围内放大了结构声辐射。在高频区域上，铝板这一特性表现得更加明显，随着频率变化，铝板对覆盖层声辐射影响不确定，可能放大也可能减小，这是由铝板自身振动引起的。EPS泡沫和铝板同时存在时，可能形成叠加效果增加覆盖层的声辐射抑制性能，也可能形成冲突削弱覆盖层的声辐射抑制性能。

4 结语

（1）在水池中，进行实验模型的水下声辐射实验，测试的声压结果表明：覆盖层能够抑制加筋板的水下声辐射；在低频区域上，实心橡胶层具有声辐射抑制的优势，而在中高频区域上，手性多孔覆盖层具有声辐射抑制的优势。在低频区域上，覆盖层的方向性和加筋板较为相似，而在高频区域上，手性多孔覆盖层和加筋板左右方向性变得不一致。

（2）测试声压、振动传递率和禁带之间的对比结果表明，在禁带区域上和振动衰减较大的频率区域上，覆盖层的测试声压较低，从侧面上证明手性多孔结构的协调变形机制和禁带机制。

（3）EPS泡沫可以明显增强覆盖层的阻尼效应，改善手性多孔覆盖层的中低频声辐射抑制特性；在低频区域上，填充EPS泡沫的手性覆盖层和实心橡胶层声辐射抑制性能相当。

（4）在覆盖层表面敷设铝板可以在某些频率区域上改善手性覆盖层声辐射抑制性能，但是会导致在另外的频率区域上覆盖层声辐射抑制性能变差。

[1]RUZZENE M.Vibration and sound radiation of sandwich beams with honeycomb truss core[J].Journal of Sound and Vibration,2004,277:741-763.

[2]ALESSANDROSPADONI,MASSIMORUZZENE,STEFANO GONELLA,et al.Phononic properties of hexagonal chiral lattices[J].Wave Motion,2009,46:435-450.

[3]LIU X N,HU G K,SUN C T,et al.Wave propagation characterization and design of two-dimensional elastic chiralmeta-composite[J].JournalofSoundand Vibration,2011,330:2536-2553.

[4]ZHU R,LIU X N,HU G K,et.al.A chiral elastic metamaterial beam for broadband vibration suppression[J].Journal of Sound and Vibration,2014:2759-2773.

[5]BARAVELLIE,RUZZENEM.Internallyresonatinglattices for bandgap generation and low-frequency vibration control[J].Journal of Sound and Vibration,2013,332(25):6562-6579.

[6]肖锋.舰艇抗冲击防护覆盖层水下抗爆机理及实验研究[D].上海：上海交通大学，2013.

[7]章振华，谌勇，华宏星，等.抗冲瓦的结构研究及创新设计[J].噪声与振动控制，2012，32(6)：100-104.

Experimental Study on UnderwaterAcoustic Radiation Suppression Performance of a Kind of Chiral Porous Coating

ZHANG Lin-fang1,HUANG Xiu-chang2
(1.Military Representative Office of NavalArmament Supporting in Beijing,Beijing 100073,China;2.Institute of Vibration,Shock and Noise,State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)

The underwater acoustic radiation experiments for a stiffened plate covered with a kind of chiral porous coating are carried out in a pool.For comparison,the plate covered with solid rubber is also tested.The underwater sound radiation suppression characteristics of the chiral porous coating are measured and the underwater acoustic radiation suppression mechanism is analyzed.To improve the sound radiation performance in low frequency range,the EPS foam is added to the core of the chiral porous coating and a thin aluminum plate is covered over the radiation surface of the chiral porous coating to enhance damping and suppress vibration of the radiating surface.It is shown that the EPS foam can increase the damping effect of the chiral porous coating and improve sound radiation suppression properties of the chiral porous coating in low frequency range.

acoustics;chiral porous coating;underwater acoustic radiation suppression;experimental study

O328；O329

：A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.04.013

1006-1355(2017)04-0063-06

2017-03-29

张林芳（1979－），男，江苏省丹阳市人，本科，主要研究方向为水声、武器系统。

E-mail:zlf790421@sina.com