敷設(shè)某種吸聲材料的聲誘餌簡化模型隔離度仿真計(jì)算

宋君才

(海軍駐上海地區(qū)水聲導(dǎo)航系統(tǒng)軍事代表室，上海201108)

0 引 言

隨著水聲電子對抗技術(shù)的不斷發(fā)展，對聲誘餌系統(tǒng)的性能要求也日益增高。采用實(shí)時收發(fā)技術(shù)，即邊收邊發(fā)技術(shù)可以有效減少轉(zhuǎn)發(fā)信號的時延，提高聲誘餌系統(tǒng)的模擬逼真度[1]。實(shí)現(xiàn)此技術(shù)的難點(diǎn)在于如何減小聲誘餌發(fā)射端對于接收端的干擾，即如何增大聲誘餌發(fā)射端和接收端的隔離度。隔離度為從發(fā)射端到接收端的總損耗，對于聲誘餌系統(tǒng)，可定義為聲誘餌發(fā)射端到接收端的聲壓級損失。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，增大聲誘餌系統(tǒng)發(fā)射端與接收端隔離度的主要方式為增大聲誘餌發(fā)射端與接收端距離的空間隔離、設(shè)計(jì)利用接收換能器和發(fā)射換能器的指向性隔離、利用聲障板結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔離以及發(fā)射信號的自適應(yīng)抵消等[2]。

隨著高分子水聲吸聲材料的發(fā)展，也可以考慮采用在聲誘餌發(fā)射端或接收端敷設(shè)吸聲材料的方式，對聲誘餌系統(tǒng)的隔離度進(jìn)行改善。吸聲材料是指敷設(shè)在物體表面的特殊材料或特殊結(jié)構(gòu)，能夠吸收入射聲波的能量，從而消除或減弱由物體表面產(chǎn)生的反射聲波。吸聲材料的吸聲原理為：一方面其結(jié)構(gòu)的表面阻抗與介質(zhì)的阻抗相匹配，可以減少聲誘餌表面的反射聲波；另一方面，其材料內(nèi)部存在一定的內(nèi)損耗，可以將聲能轉(zhuǎn)化為熱能損耗掉[3]。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，在水下設(shè)備表面敷設(shè)吸聲材料，可以有效地減弱其表面的反射回聲。

本文對表面敷設(shè)某種吸聲材料的聲誘餌簡化模型的隔離度進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算。首先對吸聲材料的吸聲機(jī)理進(jìn)行了簡單介紹，接下來利用有限元軟件建立簡化的聲誘餌模型，并對其隔離度進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算在聲誘餌模型接收端敷設(shè)不同厚度的吸聲材料時，聲誘餌系統(tǒng)的隔離度，從而分析聲誘餌模型接收端敷設(shè)吸聲材料的厚度對聲誘餌系統(tǒng)隔離度的影響。計(jì)算結(jié)果表明，在聲誘餌接收端敷設(shè)吸聲材料時，可以增大聲誘餌系統(tǒng)發(fā)射端與接收端的隔離度；但當(dāng)吸聲材料達(dá)到一定厚度以后，其厚度變化對聲誘餌系統(tǒng)隔離度的影響幾乎不變。

1 均勻彈性吸聲材料吸聲機(jī)理[4]

彈性吸聲材料雖然在常溫下為固態(tài)，但其某些力學(xué)性質(zhì)卻與固體材料有著明顯的不同，而與高粘性液體更為相近。如彈性模量值只有金屬彈性模量的幾十萬分之一，且其材料的內(nèi)阻尼也比金屬大。

與一般金屬材料不同，根據(jù)高分子化學(xué)理論，橡膠等高分子聚合物彈性材料在外力的作用下會產(chǎn)生高彈性形變，具有極明顯的彈性滯后現(xiàn)象，即高彈性形變會表現(xiàn)為弛豫過程。因此，當(dāng)彈性形變在聲波作用下，材料進(jìn)行交替的壓縮伸張形變時，會使得部分聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮鼙粨p耗掉，這便是由彈性弛豫作用引起的介質(zhì)吸收。

設(shè)聲波垂直入射至彈性材料表面，在材料中會產(chǎn)生壓縮波?？紤]材料中平行于其表面的一片無限大薄片，其兩面受到材料其他部分作用的壓力為。由于粘彈性材料的彈性形變表現(xiàn)為弛豫過程，所以會使得其形變落后于加在其上應(yīng)力的變化。因此，其形變相對應(yīng)力會存在相位落后δ，于是長度變化ε(x,t)可以表示為

式中，p(x,t)為入射聲波的聲壓；κ為實(shí)數(shù)比例常數(shù)。

將式(1)改寫為類似于胡克定律的形式：

式中，為動態(tài)彈性模量，將展開可以得到：

其中：Eε=κc o sδ，為縱向形變等效的彈性模量；η= t anδ為材料的損耗系數(shù)，它直接決定介質(zhì)的吸收系數(shù)。

式(3)表明，具有彈性滯后的彈性材料的動態(tài)彈性模型為復(fù)數(shù)。

除弛豫過程引起的介質(zhì)吸收外，彈性材料中存在的粘滯性吸收也會對聲波有吸收作用，其吸收作用與稠密的粘滯性液體情況類似。

2 數(shù)值計(jì)算

利用有限元計(jì)算軟件COMSOL Multiphysics對簡化聲誘餌模型進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。首先建立簡化的聲誘餌計(jì)算模型。簡化后的聲誘餌模型具有二維軸對稱結(jié)構(gòu)，總長度為3 m，殼體厚度10 mm，材料為鋁。發(fā)射換能器位于聲誘餌尾部正下方 0.1m處，等效近似為一個半徑0.05 m的小球，表面聲壓為 1 Pa(即發(fā)射端聲壓級為 120 dB)，計(jì)算頻率為10 kHz，接收端位于聲誘餌模型頭部。簡化聲誘餌模型示意圖如圖1所示。

圖1 簡化聲誘餌模型示意圖Fig.1 Diagram of simplified acoustic decoy model

計(jì)算聲誘餌接收端未敷設(shè)吸聲材料時，聲誘餌表面附近區(qū)域的聲場分布情況，結(jié)果如圖2所示。圖2中圓圈標(biāo)識位置為聲誘餌頭部附近聲場，即為觀察區(qū)域。單獨(dú)計(jì)算出聲誘餌接收端即聲誘餌頭部處的聲壓級為Lp=111.9 dB，此時的隔離度為-8.1 dB。

圖2 聲誘餌模型表面附近區(qū)域聲場計(jì)算結(jié)果Fig.2 Calculation of sound field near the surface of acoustic decoy model

接下來計(jì)算在聲誘餌系統(tǒng)接收端敷設(shè)某種吸聲材料時，接收端的聲壓級。所敷設(shè)的吸聲材料的泊松比與橡膠接近，同時根據(jù)第1節(jié)的推導(dǎo)過程可以知道，其彈性模量為一復(fù)數(shù)，且數(shù)值遠(yuǎn)小于金屬材料。

為了計(jì)算敷設(shè)的吸聲材料厚度對聲誘餌系統(tǒng)隔離度的影響，分別計(jì)算聲誘餌系統(tǒng)接收端敷設(shè)吸聲材料厚度為10、20 mm和30 mm時，聲誘餌系統(tǒng)接收端的聲壓級.敷設(shè)吸聲材料的示意圖和計(jì)算結(jié)果分別如圖3和圖4所示。圖3中藍(lán)色部分為在聲誘餌接收端處敷設(shè)的吸聲材料。

圖3 接收端敷設(shè)不同厚度吸聲材料示意圖Fig.3 Diagrams of the sound-absorbing material with different thickness laid at the receiving end

圖4 敷設(shè)不同厚度吸聲材料后接收端的聲壓級分布云圖Fig.4 Nephograms of sound pressure level at the receiving end after laying sound-absorbing material of different thickness

將圖4的計(jì)算結(jié)果與圖2中的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比?？梢钥闯?，聲誘餌頭部敷設(shè)吸聲材料后，圖 4中圓圈所標(biāo)識的觀察區(qū)域內(nèi)即聲誘餌頭部附近的聲壓級明顯地減小，且當(dāng)所敷設(shè)的吸聲材料厚度分別為20 mm和30 mm時，其聲壓級明顯小于敷設(shè)吸聲材料厚度為10 mm時的聲壓級。為了更準(zhǔn)確地得到吸聲材料厚度對聲誘餌系統(tǒng)隔離度的影響，下面單獨(dú)計(jì)算出聲誘餌接收端即聲誘餌頭部處的聲壓級，并將結(jié)果與未敷設(shè)吸聲材料時的計(jì)算結(jié)果對比，結(jié)果如表1所示。

表1 敷設(shè)不同厚度吸聲材料時接收端聲壓級Table 1 Sound pressure levels (Lp) at the receiving end after laying sound-absorbing material of different thickness

根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果，可以得到與圖4中計(jì)算結(jié)果一致的結(jié)論，即在聲誘餌系統(tǒng)接收端敷設(shè)吸聲材料時，接收端聲壓級較未敷設(shè)吸聲材料時明顯減小，隔離度有明顯改善。當(dāng)吸聲材料厚度為10 mm時，接收端聲壓級較未敷設(shè)吸聲材料時減小14.8 dB；當(dāng)吸聲材料厚度為 20 mm時，接收端聲壓級較未敷設(shè)吸聲材料時減小31.2 dB；當(dāng)吸聲材料厚度為30 mm，接收端聲壓級較未敷設(shè)吸聲材料時減小31.8 dB，與接收端敷設(shè)吸聲材料厚度為20 mm時相比，其聲壓級變化不明顯。

3 結(jié) 論

本文首先對彈性材料的吸聲機(jī)理進(jìn)行了簡單的介紹和推導(dǎo)。彈性材料中的彈性弛豫吸收和粘滯性吸收可以將聲能轉(zhuǎn)化為熱能損耗掉，具有彈性滯后的彈性材料的動態(tài)彈性模型為復(fù)數(shù)，其虛部為材料的損耗系數(shù)，直接決定了介質(zhì)的吸收系數(shù)。然后建立了表面敷設(shè)某種吸聲材料的聲誘餌簡化模型隔離度數(shù)值仿真計(jì)算模型，簡化后的聲誘餌模型具有二維軸對稱結(jié)構(gòu)，聲誘餌頭部所敷設(shè)吸聲材料的泊松比與橡膠接近，且其彈性模量為復(fù)數(shù)，數(shù)值遠(yuǎn)小于金屬材料。利用該模型，分別計(jì)算了聲誘餌系統(tǒng)接收端未敷設(shè)吸聲材料時和分別敷設(shè)10、20 mm和30 mm厚的某種吸聲材料時聲誘餌頭部附近區(qū)域的聲場和接收端聲壓級。計(jì)算結(jié)果表明，在聲誘餌接收端敷設(shè)吸聲材料時，其接收端聲壓級較未敷設(shè)時明顯減小，聲誘餌系統(tǒng)發(fā)射端與接收端的隔離度增大；當(dāng)吸聲材料厚度分別為10 mm和20 mm時，接收端聲壓級較未敷設(shè)吸聲材料時分別減小14.8 dB和31.2 dB；但當(dāng)吸聲材料厚度繼續(xù)增加至30 mm時，接收端聲壓級減小31.8 dB，與接收端敷設(shè)吸聲材料厚度為 20 mm時相比無明顯變化。這說明當(dāng)聲誘餌頭部敷設(shè)吸聲材料厚度達(dá)到一定后，再繼續(xù)增加其厚度，將不會對聲誘餌頭部處的聲壓級產(chǎn)生明顯影響，對聲誘餌系統(tǒng)的隔離度改善也不會產(chǎn)生明顯影響。

本文在計(jì)算模型中進(jìn)行了簡化處理，僅考慮發(fā)射端聲壓級到達(dá)接收端時的能量損耗(聲壓級的降低)，尚未計(jì)及接收端敷設(shè)吸聲材料后對接收端接收靈敏度的影響。考慮到聲誘餌的工作原理，這將作為下一步的研究內(nèi)容開展。