吸聲尖劈對板柱組合結(jié)構(gòu)水下聲學(xué)特性影響的試驗研究

龐福振，姚熊亮，賈 地，于丹竹

（1哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2中國人民解放軍92857部隊，北京 100007）

吸聲尖劈對板柱組合結(jié)構(gòu)水下聲學(xué)特性影響的試驗研究

龐福振1，姚熊亮1，賈 地2，于丹竹1

（1哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2中國人民解放軍92857部隊，北京 100007）

為考察吸聲尖劈對船舶聲納平臺水下聲學(xué)環(huán)境的影響，開展了吸聲尖劈對板柱組合結(jié)構(gòu)水下聲學(xué)特性影響的模型試驗研究。通過對板柱組合結(jié)構(gòu)0%、36%、60%、100%敷設(shè)吸聲尖劈材料，在聲波以0°、90°、180°方向入射板柱組合結(jié)構(gòu)時，研究了尖劈敷設(shè)方式、聲波入射角度對板柱組合結(jié)構(gòu)水下聲場及散射聲場的影響，得到了不同工況下板柱組合結(jié)構(gòu)典型部位的聲場分布。研究表明：吸聲尖劈可明顯改變板柱組合結(jié)構(gòu)的聲場分布，降低板柱組合結(jié)構(gòu)的自噪聲；但其抑制效果隨考核位置、聲波頻率、敷設(shè)密度的不同而各有變化。

吸聲尖劈；聲納平臺；板柱組合結(jié)構(gòu)；水下聲學(xué)特性；散射聲場；試驗研究

1 引 言

吸聲尖劈作為一種吸聲結(jié)構(gòu)可有效降低艦船聲納平臺的自噪聲，目前已被廣泛地應(yīng)用于各類船舶

中。在吸聲尖劈的研究領(lǐng)域我國已有多名學(xué)者開展了相關(guān)的研究工作[1-5]，文獻[6]采用試驗方法研究了高壓消聲水池端部松木尖劈的吸聲性能，分析了尖劈長度及浸潤處理方式對尖劈吸聲性能的影響。文獻[7-8]對帶有空腔的錐形尖劈吸聲性能進行了研究，給出了空腔吸聲尖劈吸聲系數(shù)的一種計算方法，并就空腔吸聲尖劈的低、高頻吸聲性能進行了討論。上述研究多是針對吸聲尖劈吸聲性能的分析，而在吸聲尖劈的實際降噪效果研究方面，國內(nèi)公開發(fā)表的文獻相對較少[9-10]。

為真實揭示吸聲尖劈對實際聲納平臺結(jié)構(gòu)水下聲學(xué)環(huán)境的影響，準確評價吸聲尖劈材料的實際降噪效果，本文采用試驗方法開展了吸聲尖劈對板柱組合結(jié)構(gòu)聲學(xué)環(huán)境的影響分析，討論了聲波不同入射角度、尖劈不同敷設(shè)工況下板柱組合結(jié)構(gòu)的水下聲場分布，得到了吸聲尖劈對板柱組合結(jié)構(gòu)水下聲場的影響。

2 模型試驗簡介

2.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

試驗?zāi)Ｐ椭饕晌暭馀鞍逯M合結(jié)構(gòu)兩部分組成。吸聲尖劈由基體結(jié)構(gòu)和階梯形復(fù)合空腔組成（見圖1.a），通過改變吸聲尖劈基體材料的楊氏模量及損耗因子，合理設(shè)計空腔形式，可有效改善吸聲尖劈的低頻吸聲性能；試驗中吸聲尖劈的吸聲系數(shù)曲線見圖1.b。

板柱組合結(jié)構(gòu)模型由上平臺、后壁、下平臺及支撐圓柱殼等組成，其主尺度為1 600mm×1 200mm×800mm，支撐圓柱支撐于上下平臺中心位置，為保證板柱組合結(jié)構(gòu)的剛度，上下平臺及后壁處均設(shè)置了加強筋，吸聲尖劈均敷設(shè)于板柱組合結(jié)構(gòu)內(nèi)表面，板柱組合結(jié)構(gòu)模型見圖1.c及圖1.d所示。

圖1 吸聲尖劈材料及板柱組合結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic of sound absorption wedge and CPCSS

2.2 試驗工況

試驗主要對比和測量同一入射聲波、不同尖劈敷設(shè)狀況下板柱組合結(jié)構(gòu)典型考核部位的自噪聲變化。對比吸聲尖劈不同敷設(shè)密度下板柱組合結(jié)構(gòu)典型部位的自噪聲變化，可得到尖劈型吸聲材料對板柱組合結(jié)構(gòu)自噪聲及水下聲場的影響。為便于分析，試驗共設(shè)置了三個考核部位，1#、3#水聽器分別位于支撐圓柱前后端，2#水聽器位于支撐圓柱左側(cè)，與1#、3#水聽器連線呈90度方向布置，水聽器布置如圖2所示。

試驗工況主要依據(jù)試驗?zāi)康脑O(shè)定。本試驗主要考慮在上下平臺、后壁等結(jié)構(gòu)以不同面積比設(shè)置吸聲尖劈，為便于對比，試驗中分0%尖劈敷設(shè)（即不敷設(shè)尖劈）、36%尖劈敷設(shè)、60%尖劈敷設(shè)、100%尖劈敷設(shè)共計四種狀態(tài)，各狀態(tài)下聲源分別在0°、90°、180°方向三種情況入射組合板柱結(jié)構(gòu)進行試驗。各敷設(shè)狀態(tài)下的試驗工況見表1，聲源布置及吸聲尖劈材料敷設(shè)狀態(tài)如圖3所示。

*注：各試驗工況下發(fā)射換能器電壓峰—峰值Vpp始終保持為4V。

3 吸聲尖劈對板柱組合結(jié)構(gòu)水下聲場的影響

聲波以一定角度進入板柱組合結(jié)構(gòu)時，部分聲波在上下平臺、后壁及支撐圓柱殼表面等處產(chǎn)生多途反射；部分聲波進入空腔尖劈吸聲材料并被吸聲尖劈材料耗散吸收。但由于板柱組合結(jié)構(gòu)的幾何復(fù)雜性及吸聲尖劈敷設(shè)方式的差異，因此，聲壓在板柱組合結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空間分布將十分復(fù)雜。為便于討論，現(xiàn)以聲波不同角度入射情況分別討論如下。

3.1 聲波在0°方向入射時，吸聲尖劈對板柱組合結(jié)構(gòu)水下聲場的影響分析

聲波在0°方向入射時，1#水聽器接收的聲信號主要是入射直達聲與支撐圓柱受激產(chǎn)生的次級反射聲；2#水聽器接收的聲信號主要是入射聲及后壁受激產(chǎn)生的次級反射聲；3#水聽器由于位于支撐圓柱與后壁的中間位置，試驗頻段內(nèi)聲源發(fā)出的聲波將被支撐圓柱遮擋而無法直接傳至水聽器；且由于支撐圓柱直徑相對較大（D=0.2m），支撐圓柱與后壁間距（間距為0.4m）也相對較小，試驗頻段（500Hz≤f≤20kHz）內(nèi)入射聲波的衍射聲對3#水聽器聲壓的影響相對較小，故3#水聽器接收的主要是后壁的一次反射聲、后壁與支撐圓柱間的多次反射聲。由于吸聲尖劈的敷設(shè)密度不同，同一入射聲波在各結(jié)構(gòu)表面的反射也有很大差異，因此，板柱組合結(jié)構(gòu)的聲場分布較為復(fù)雜。圖4給出了聲波0°方向入射板柱組合結(jié)構(gòu)時，尖劈不同敷設(shè)密度下各水聽器聲壓的變化曲線，圖中橫坐標為頻率，縱坐標聲壓級，參考聲壓為 p0=1×10-6Pa。

由圖4可知，聲波在0°方向入射板柱組合結(jié)構(gòu)時，隨著尖劈敷設(shè)密度的增加，多數(shù)頻率下板柱組合結(jié)構(gòu)各考核點聲壓在逐步減??；但考核部位不同、聲波頻率不同、尖劈敷設(shè)方式不同，各點聲壓變化又略有差異。對于支撐圓柱正前方的1#水聽器測點而言，當(dāng)500Hz≤f≤1.5kHz時，該點聲壓隨尖劈敷設(shè)密度的增大而降低，100%敷設(shè)工況時，該點的聲壓最??；1.5kHz≤f≤6kHz頻段內(nèi)，36%的敷設(shè)方式可使該點聲壓偏大，而當(dāng)敷設(shè)密度再加大時，該點的聲壓又有所下降；f≥6kHz時，部分敷設(shè)尖劈可導(dǎo)致該點聲壓偏大。對于2#水聽器測點而言，f≤6kHz時，其聲壓變化規(guī)律同1#水聽器相同，f≥6kHz時，敷設(shè)吸聲尖劈導(dǎo)致該處聲壓偏大。對于3#水聽器而言，當(dāng)f≤10kHz時，隨著敷設(shè)密度的增加，考核點聲壓在逐漸降低。

造成上述現(xiàn)象的原因是：敷設(shè)吸聲尖劈后，板柱組合結(jié)構(gòu)內(nèi)部的聲場分布發(fā)生了改變，不同敷設(shè)面積的吸聲尖劈對聲場的影響不盡相同。聲波在0°方向入射板柱組合結(jié)構(gòu)時，對于1#測點而言，入射聲、后壁及支撐圓柱反射聲為主要成分；對于2#測點而言，入射聲及后壁反射聲是主要成分；對于3#水聽器而言，后壁反射聲及后壁與支撐圓柱的反射聲是主要成分。為直觀給出板柱組合結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性變化，圖5給出了各敷設(shè)工況下不同水聽器聲壓隨頻率的變化曲線。

由圖5可知，敷設(shè)尖劈前后板柱組合結(jié)構(gòu)的聲場分布有較大變化：不敷設(shè)尖劈時，1#、2#水聽器測點的聲壓大致相同，3#水聽器與1#、2#水聽器的差異較大；但隨著尖劈敷設(shè)密度的增加，1#、2#水聽器測點聲壓的差異在逐漸加大。由此可見，影響1#、2#水聽器的主要是入射聲、支撐圓柱及后壁的反射聲。

實際上，尖劈敷設(shè)密度較低時，后壁及支撐圓柱的反射聲大致相同，故1#、2#水聽器測點的聲壓基本相同；但隨著尖劈敷設(shè)密度的增加，后壁的反射聲逐漸減弱，2#水聽器的聲壓也隨之有較大衰減，故而1#、2#水聽器的聲壓曲線差異較大。對于3#水聽器而言，后壁的直接反射聲、后壁與支撐圓柱的多次反射聲是其主要因素，隨著尖劈敷設(shè)比例的增加，后壁反射聲及后壁與支撐圓柱的反射聲將發(fā)生很大改變，故而3#水聽器聲壓變化較為劇烈。

3.2 聲波在90°方向入射時，吸聲尖劈對板柱組合結(jié)構(gòu)水下聲場的影響分析

圖6給出了聲波在90°方向入射板柱組合結(jié)構(gòu)，不同尖劈敷設(shè)密度下各水聽器聲壓隨頻率的變化曲線。

由圖6可以看出，聲波在90°方向入射板柱組合結(jié)構(gòu)時，板柱組合結(jié)構(gòu)聲壓隨考核位置、聲波頻率、尖劈敷設(shè)狀況的不同而各有變化。對于1#水聽器而言，當(dāng)500Hz≤f≤1.5kHz時，測點聲壓隨尖劈敷設(shè)密度的增大而下降；1.5kHz≤f≤6kHz時，部分敷設(shè)尖劈將導(dǎo)致該處聲壓偏大，但隨著尖劈敷設(shè)比例的提高，該處聲壓又有所下降；入射聲波頻率高于6kHz時，敷設(shè)吸聲尖劈將導(dǎo)致該處聲壓偏大。對于2#測點而言，f≤6kHz時，部分敷設(shè)尖劈將導(dǎo)致該處聲壓偏大，100%敷設(shè)尖劈可有效降低該處聲壓；f＞6kHz時，敷設(shè)尖劈將導(dǎo)致該處聲壓偏大；但隨著尖劈敷設(shè)密度的不斷增加，該處的聲壓又會有所下降。對于3#水聽器而言，f≤10kHz時，100%敷設(shè)尖劈可降低該處聲壓，部分敷設(shè)尖劈可導(dǎo)致該處聲壓偏大；f＞10kHz時，部分敷設(shè)尖劈導(dǎo)致該處聲壓偏大，但隨著敷設(shè)密度的增大，該處聲壓又將逐漸減小。

造成上述現(xiàn)象的原因是多方面的。對于1#、3#測點而言，入射聲、支撐圓柱及后壁反射聲是其聲壓的主要來源，對于2#測點而言，入射聲、支撐圓柱反射聲是其聲壓的主要來源。尖劈敷設(shè)密度、聲波頻率改變時，后壁、上下平臺及支撐圓柱反射聲在板柱組合結(jié)構(gòu)的空間分布將發(fā)生改變，并最終導(dǎo)致各測點聲壓的差異。圖7給出了不同敷設(shè)方式下各水聽器聲壓的變化曲線。

由圖7可以看出，聲波在90°方向入射時，板柱組合結(jié)構(gòu)聲場分布的改變較聲波在0°方向入射時偏?。翰环笤O(shè)尖劈時，1#、3#測點的聲壓大致相同，2#水聽器與1#、3#水聽器的差異相對較大；隨著尖劈敷設(shè)密度的增加，1#、2#水聽器測點聲壓逐漸降低，但其變化規(guī)律基本相似；3#水聽器的聲壓在不同頻段有一定起伏，但總體變化不大。

3.3 聲波在180°方向入射時，吸聲尖劈對板柱組合結(jié)構(gòu)聲場的影響分析

聲波在180°方向入射板柱組合結(jié)構(gòu)時，各水聽器聲壓隨敷設(shè)密度的變化見圖8所示。

由圖8可以看出，此種情況下，板柱組合結(jié)構(gòu)的聲壓隨尖劈敷設(shè)密度的變化較為復(fù)雜，各點聲壓隨尖劈敷設(shè)密度的增加不再單調(diào)下降，板柱組合結(jié)構(gòu)內(nèi)部聲場分布隨尖劈敷設(shè)密度、聲波頻率的變化較大。對于1#水聽器測點而言，500Hz≤f≤1kHz時，測點聲壓大致隨尖劈敷設(shè)密度的增大而降低；f≤1.5kHz時，敷設(shè)尖劈將導(dǎo)致該點聲壓偏大；f≥1.5kHz時，60%尖劈敷設(shè)密度時該處聲壓最大，0%敷設(shè)次之，36%敷設(shè)及100%敷設(shè)時最小。對于2#水聽器測點而言，500Hz≤f≤1.5kHz時，該處聲壓隨尖劈敷設(shè)密度的增加而降低；f≥1.5kHz時，0%敷設(shè)工況時該處聲壓最大，60%敷設(shè)工況次之，100%敷設(shè)時該處聲壓最小。對于3#水聽器測點而言，在試驗頻段內(nèi)，0%敷設(shè)工況時該處聲壓最大；100%敷設(shè)工況時該處聲壓最小；36%敷設(shè)工況及60%敷設(shè)工況次之。

圖9給出了各敷設(shè)工況下不同水聽器測點的聲壓隨頻率的變化曲線。從圖中可以看出，聲波在180°方向入射時，敷設(shè)尖劈前后板柱組合結(jié)構(gòu)的聲場分布變化較大：隨著敷設(shè)密度的不斷提高，各測點的聲壓除逐漸降低外，其聲壓變化規(guī)律也逐漸趨于一致。對1#、2#水聽器而言，不敷設(shè)吸聲尖劈時兩者聲壓的差異較大；但隨著敷設(shè)密度的提高，1#、2#水聽器的聲壓逐漸趨于一致。對于3#水聽器而言，0%敷設(shè)時3#水聽器聲壓較1#水聽器偏大，但隨著尖劈敷設(shè)密度的增加，3#水聽器的聲壓水平將迅速降低；當(dāng)敷設(shè)密度為100%時，各水聽器的聲壓較為相近。

4 結(jié) 語

本文基于模型試驗開展了吸聲尖劈對板柱組合結(jié)構(gòu)水下聲學(xué)特性的影響研究，針對聲波不同入射方向、尖劈不同敷設(shè)方式時板柱組合結(jié)構(gòu)的水下聲學(xué)特性進行了討論，通過上述分析可得到如下主要結(jié)論：

（1）吸聲尖劈會改變板柱組合結(jié)構(gòu)的水下聲場分布，如設(shè)計合理則可有效降低板柱組合結(jié)構(gòu)的自噪聲水平，但其抑制效果隨考核位置、聲波頻率、敷設(shè)方式不同而各有變化。

（2）聲波在0°方向入射板柱組合結(jié)構(gòu)時，隨著吸聲尖劈敷設(shè)密度的增加，其內(nèi)部聲壓在逐步降低；但各點聲壓隨考核部位、聲波頻率、敷設(shè)方式的不同又各有差異。不敷設(shè)吸聲尖時，1#、2#水聽器的聲壓大致相同，3#水聽器與1#、2#水聽器差異較大；隨著敷設(shè)密度的增加，各測點聲壓有所降低，但1#、2#水聽器測點聲壓的差異在加大，3#水聽器的聲壓在不同頻段起伏較大。

（3）聲波在90°方向入射板柱組合結(jié)構(gòu)時，不敷設(shè)吸聲尖劈時1#、3#水聽器測點聲壓大致相同，2#水聽器與1#、3#水聽器的差異相對較大；隨著敷設(shè)密度的不斷增加，1#、2#水聽器測點聲壓大致成下降趨勢，且其變化規(guī)律基本相似；而3#水聽器在不同頻段有一定起伏，但總體變化不大。

（4）聲波在180°方向入射時，板柱組合結(jié)構(gòu)各處聲壓隨尖劈敷設(shè)密度的增加不再單調(diào)下降，其內(nèi)部聲場分布受尖劈敷設(shè)密度、聲波頻率的影響較大；隨著尖劈敷設(shè)密度的提高，各測點聲壓在逐漸降低，且各水聽器測點聲壓逐漸趨于一致。

本文僅對聲波在0°、90°、180°方向入射板柱組合結(jié)構(gòu)時的典型工況進行了討論，而實際船舶聲納平臺尖劈敷設(shè)狀況、聲波入射情況同試驗有一定差異，欲進一步了解真實環(huán)境下吸聲尖劈對實船聲納平臺聲學(xué)環(huán)境的影響，需開展進一步的研究。另外，本試驗是在大連測控技術(shù)研究所試驗海區(qū)進行的，并充分利用了該所國防科技重點試驗室的儀器設(shè)備和人員力量，作者在此表示感謝。

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Experimental investigation of the effects of sound absorption wedges on the underwater acoustic characteristic within a Compound Plate&Cylindrical Shell Structure

PANG Fu-zhen1,YAO Xiong-liang1,JIA Di2,YU Dan-zhu1
(1 College of shipbuilding Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;
2 Unit 92857 of People’s Liberation Army,Beijing 100007,China)

In order to study the influence of sound absorption wedge on the underwater sound environment of a ship sonar platform,the experiment investigation of sound absorption wedge on the underwater acoustic characteristic within a Compound Plate&Cylindrical Shell Structure(CPCSS)is carried out.By supposing sound incident wave’s entry angle is 0°,90°,180°,respectively;while the arrangement density of sound absorption wedge is 0%,36%,60%,100%,sound pressure distribution of hotspot points is obtained.Study shows that sound absorption wedge can change pressure distribution of CPCSS,and reduce self-noise level of the CPCSS.However,the effect varies with hotspot location,with the frequency of incident wave,and with the arrangement density of sound absorption wedge.

sound absorption wedge;sonar platform;a Compound Plate&Cylindrical Shell Structure(CPCSS);underwater acoustic characteristic;scattering acoustic field;experimental investigation

表1各敷設(shè)狀態(tài)試驗工況表
Tab.1 Experimental cases of each arrangement of sound absorption wedges

U666.7 TB564

A

1007-7294（2011）05-0570-07

2010-11-11 修改日期：2011-04-01

國防預(yù)研項目（1010××××10302）；哈爾濱工程大學(xué)?；穑℅K2010260105）

龐福振（1980-），男，哈爾濱工程大學(xué)博士研究生，講師。