消聲瓦的吸聲機(jī)理研究

海軍工程大學(xué) 振動(dòng)與噪聲研究所 武漢 430033

現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上的主要矛盾已經(jīng)從“打擊”和“抗打擊”逐步向“發(fā)現(xiàn)”和“抗發(fā)現(xiàn)”轉(zhuǎn)化。消聲瓦技術(shù)是提高潛艇隱身性能，提高其戰(zhàn)斗力和生存能力的最有效措施之一。潛艇的特征是隱蔽、突襲，在現(xiàn)代反潛技術(shù)高度發(fā)展的今天，沒(méi)有良好的隱身性能的潛艇其后果是不可設(shè)想的。高性能的消聲瓦不僅具有優(yōu)良的吸聲性能，而且具備優(yōu)良的隔聲性能和抑振性能[1]，也就是說(shuō)使用消聲瓦不僅能吸收敵方聲納的探測(cè)聲波，也能最大限度地隔離本艇的輻射聲波。高性能的消聲瓦還可用于聲納艙的非窗口艙壁,作為吸聲障板，消除回波干擾和艇的輻射噪聲干擾，提高聲納的探測(cè)性能[2,3]。因此對(duì)于新型消聲瓦的研究，開發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、性能優(yōu)越的消聲瓦是提高我軍潛艇戰(zhàn)斗力和生存能力的關(guān)鍵[4]。

針對(duì)這種強(qiáng)烈的軍事需求， 對(duì)消聲瓦的三個(gè)主要吸聲機(jī)理進(jìn)行研究，為設(shè)計(jì)生產(chǎn)新型消聲瓦，提高我軍潛艇隱身性能提供了理論支持。

1 波散射或反射

消聲瓦內(nèi)部的漸變過(guò)渡型空腔有兩個(gè)作用：一是使得阻抗從水到艇殼有一個(gè)漸變，使得聲波在水與消聲瓦的界面上反射減小，大部分能進(jìn)入消聲瓦內(nèi)部；另一作用是傾斜的界面使得波在傳播過(guò)程中不斷發(fā)生反射或散射，改變了傳播方向，這對(duì)較高頻率的吸聲十分有利。

根據(jù)散射理論，喇叭空腔對(duì)于彈性波來(lái)說(shuō)可看成是彈性散射體。以彈性球狀散射體為例來(lái)定性分析一下喇叭空腔對(duì)散射的貢獻(xiàn)。當(dāng)一列縱波入射到彈性球體上，從波矢ka= 0.2開始，球體處于寬帶諧振狀態(tài)，散射總功率迅速增大，到ka= 0.4左右，散射因子幾乎為3，其中95%為剪切波，其散射方向變?yōu)槿肷浞较蜉S的兩側(cè)。在ka= 1.2處，只有25%的散射能發(fā)生波型轉(zhuǎn)換并變換了傳播方向，見(jiàn)圖1。

圖1 入射波為縱波時(shí)球形散射子散射場(chǎng)強(qiáng)

散射場(chǎng)的存在對(duì)提高消聲瓦吸聲性能有兩點(diǎn)好處：一是增加了從縱波到剪切波的變換，二是改變了彈性波傳播方向，由縱向變?yōu)樾毕蛏踔翉较?，增加了它們?cè)谙曂邇?nèi)傳播距離。按目前消聲瓦的結(jié)構(gòu)，假設(shè)空腔的當(dāng)量半徑為5 mm，則從5 kHz開始有散射的影響，10～13 kHz左右剪切波散射場(chǎng)最為強(qiáng)烈?？涨坏拇嬖诟纳屏说诙暺脚_(tái)的吸聲性能，主要是散射的貢獻(xiàn)(在更高的頻段，則有反射存在)。

2 波形轉(zhuǎn)換

彈性波在橡膠中傳播時(shí)主要存在兩種形式：縱波和剪切波?？v波碰到摻入的雜質(zhì)或小尺度空腔形成的各種界面時(shí)便會(huì)發(fā)生波型變換，由縱波變換成剪切波，增加了損耗。同時(shí)，在橡膠與水的界面上剪切波很難再?gòu)南鹉z體內(nèi)折射到水中去。所以增加橡膠體內(nèi)剪切波是水聲吸聲結(jié)構(gòu)的首選方案。

消聲瓦內(nèi)的空腔可看成是變截面的圓柱管，均勻圓柱通道是其基本結(jié)構(gòu)。本研究從均勻圓柱通道開始。均勻圓柱通道結(jié)構(gòu)如圖2、3所示。在橡膠體內(nèi)穿有成正三角形排列的互相平行的圓柱通道?，F(xiàn)考察彈性波在具有這種結(jié)構(gòu)的不均勻介質(zhì)中的傳播特點(diǎn)。

圖2 均勻圓柱通道結(jié)

圖3 一個(gè)獨(dú)立的彈性管坐

彈性管振動(dòng)方程為：

式中：ur——沿r方向的振動(dòng)位移；

uz——沿z方向的振動(dòng)位移。

聲學(xué)邊界條件為：內(nèi)界面(r=a)為自由面，應(yīng)力為零；外界面(r=b)處由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱和重復(fù)，在正入射情況下可看成是靜止的，即徑向位移和介質(zhì)內(nèi)切應(yīng)力均為零。

根據(jù)這個(gè)模型，研究在細(xì)管結(jié)構(gòu)體中傳播的彈性波的復(fù)波數(shù)，推出結(jié)構(gòu)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)位移表達(dá)式為：

kL——橡膠材料的縱波波數(shù)；

C——待定系數(shù)，由初始條件決定。

圖4 剪切波位移

分析細(xì)管結(jié)構(gòu)體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移可以清楚地說(shuō)明波型變換主要的吸聲機(jī)理。當(dāng)水中聲波進(jìn)入消聲瓦時(shí)，以縱波為主?？v波在橡膠體中沿細(xì)管界面?zhèn)鞑ミ^(guò)程中，不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟胁ā＿@樣在消聲瓦內(nèi)傳播的彈性波中縱波的成份越來(lái)越少，剪切波成份越來(lái)越多。所以細(xì)管在消聲瓦結(jié)構(gòu)體內(nèi)要有一定的長(zhǎng)度(即占有一定的比例)才能保證有足夠多的縱波變換成剪切波。同時(shí)消聲瓦材料應(yīng)該具有較高的剪切損耗因子和適當(dāng)?shù)哪Ａ恐?。這樣既能保證與水的良好匹配，又保證能大量地消耗進(jìn)入消聲瓦內(nèi)的彈性波的能量，達(dá)到良好的吸聲效果。

波型轉(zhuǎn)換效率與材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)均有關(guān)，并存在一個(gè)最佳值范圍。一般說(shuō)來(lái)，聲波頻率越高，波型轉(zhuǎn)換效率也越高。在頻率為2 kHz時(shí)大約有3%的彈性波能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟胁芰?；?dāng)頻率為4 kHz時(shí)有10%的彈性波能量轉(zhuǎn)變剪切波。所以在消聲瓦吸聲的中高頻段波形變換起的作用較大。

3 空腔諧振

復(fù)合過(guò)渡型消聲瓦是早年諧振腔式消聲瓦的變型。對(duì)消聲瓦聲學(xué)性能的研究發(fā)現(xiàn)，其第一吸聲峰的大小和位置主要由變截面圓柱通道的諧振決定。諧振峰的位置隨著細(xì)管長(zhǎng)度的增加向低頻移動(dòng)，隨著穿孔系數(shù)的變大也向低頻移動(dòng)，在移動(dòng)同時(shí)吸聲帶寬變窄；喇叭空腔容積變大時(shí)吸聲峰也向低頻移動(dòng)，但影響較小[5]；另一個(gè)影響諧振的是復(fù)剪切模量。理論分析指出：圓柱空腔的縱向諧振頻率大體上與剪切波的波速成比例，當(dāng)剪切模量增大時(shí)，諧振峰往高頻移；剪切損耗因子不會(huì)改變諧振頻率位置，但較大的損耗因子會(huì)大大地改善諧振時(shí)的吸聲性能(圖5)。

因此，在低頻可以把消聲瓦的空腔結(jié)構(gòu)看成是粘彈性阻抗壁面的諧振器。同時(shí)應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，這種粘彈性阻抗壁面的空腔諧振的吸聲機(jī)理是利用諧振時(shí)橡膠發(fā)生大的剪切形變，使其對(duì)聲波的吸收大大增加。

圖5 復(fù)剪切模量對(duì)諧振性能的影響

4 結(jié)論

1) 散射場(chǎng)的存在對(duì)提高消聲瓦吸聲性能有兩個(gè)好處：一是增加了從縱波到剪切波的變換，二是改變了彈性波傳播方向。

2) 細(xì)管在消聲瓦結(jié)構(gòu)體內(nèi)要有一定的長(zhǎng)度，同時(shí)消聲瓦材料應(yīng)該具有較高的剪切損耗因子和適當(dāng)?shù)哪Ａ恐怠?/p>

3) 當(dāng)剪切模量增大時(shí)，諧振峰往高頻移；較大的損耗因子會(huì)大大地改善諧振時(shí)的吸聲性能。

由此可見(jiàn)對(duì)消聲瓦吸聲性能的研究， 對(duì)于研制出高性能的消聲瓦有著重要的理論意義。

[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.

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[5] 朱蓓麗.等效參數(shù)法研究帶圓柱通道橡膠體的聲學(xué)性能[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),1997,67(7)：20-25.