水声吸声覆盖层理论与实验研究

【摘要】：吸声覆盖层是潜艇隐身的一项关键技术，在安静型潜艇设计中占有十分重要的地位。本文对谐振腔式潜艇吸声覆盖层的吸声机理进行了理论研究；采用动态粘弹谱测试仪对吸声材料参数进行了实验测试；利用宽带脉冲压缩信号测量法，对具有一定内部结构的吸声覆盖层大样进行了自由场实验测试研究。 理论研究中，敷设吸声覆盖层的潜艇壳体模型为平面多层结构：表面层为均匀粘弹性材料；中间为一有孔的粘弹性材料层，孔呈周期分布：基底层为钢板(模拟单层壳体潜艇)或两层钢板之间夹一水层(模拟双层壳体潜艇)。 采用了有限元法进行数值研究。对这种双周期分布的结构，包括与结构相邻的流体，取一个单元建立有限元模型，用结构、流体和界面单元对其进行有限单元网格离散。结构和流体所组成的周期单元被六个平面限定边界。其中两个面是在入射端与透射端所取的流体单元跟半无限流体区域之间的边界面(如果多层结构后面是水，这两个面都存在；如果多层结构后面为空气，则只其中的一个面存在)，其它四个面是由于结构的周期性产生的。在前两个面上，用平面波展开形式表示的声场(包括传播波和衰减波的贡献)与用有限单元结点声压插值表示的声场相等。在其它四个面上，对结点声压和位移自由度施加Bloch-Floquet周期关系。由于周期单元边界上的这种周期边界条件通用的有限元软件不能处理，因此本文自主编制了有限元计算程序，其中有限单元网格离散由ANSYS软件实现。 数值研究分析了潜艇吸声覆盖层的谐振特性与声吸收的关系，通过研究谐振吸声时材料内空腔的变形图及材料内的位移分布分析了谐振吸声的物理机制。研究了吸声材料后面的边界条件、空腔的形状以及声波入射方向对谐振的影响。 研究了潜艇敷设吸声覆盖层模型的声反射特性与去耦特性。研究了空腔的形状尺寸、分布密度、材料参数等对吸声与去耦性能的影响。 吸声材料的动态力学特性参数测试利用了动态粘弹谱测试仪，直接测试的是较低频带内、不同温度的材料复模量数据，利用高聚物的时-温等效原理，将测试数据等效为水声频带内的材料复模量数据。 对吸声覆盖层大样声反射系数的实验测试采用了宽带脉冲压缩信号测量法。该方法利用信号处理技术对水声发射换能器的发射信号进行了压缩，使 哈尔滨工程大学博士学位论文 换能器发射的声信号频带展宽，从而实现了宽带测量，并可以去掉样品边缘 衍射声场的干扰，降低测试频率。在消声水池内对两种具有一定内部结构的 空腔吸声覆盖层大样进行了实验测试，测试结果与有限元分析结果之间取得 了较好的一致性。 本文对潜艇吸声覆盖层的数值分析得出了一些有意义的结论，有助于对 吸声机理的进一步了解;所形成的有限元分析程序具有较强的适应性，可以 较方便地对不同结构、不同材料的吸声覆盖层进行性能预报，对于吸声覆盖 层设计具有较强的理论指导意义和工程实际意义。