水聲覆蓋層低頻耦合吸聲機(jī)理及調(diào)控規(guī)律研究

王佳蓓, 周 浩

水聲覆蓋層低頻耦合吸聲機(jī)理及調(diào)控規(guī)律研究

王佳蓓, 周 浩

(海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院, 湖北 武漢, 430033)

水聲覆蓋層對(duì)于水下航行器聲隱身性能的影響重大。為增強(qiáng)水聲覆蓋層的低頻吸聲性能, 基于有限元法建立了局域共振結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌到空腔型覆蓋層中的復(fù)合模型, 研究了其在10～2 000 Hz頻段內(nèi)的吸聲性能, 采用局域共振理論分析復(fù)合模型中薄膜質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)振型, 結(jié)合復(fù)合模型中空腔型覆蓋層的振動(dòng)位移云圖分析了復(fù)合模型的吸聲機(jī)理。此外, 通過調(diào)整模型的幾何參數(shù), 得到影響吸聲性能變化的規(guī)律。研究結(jié)果表明: 1) 空腔型覆蓋層與局域共振結(jié)構(gòu)的耦合可提高低頻吸聲效果, 拓寬吸聲頻帶; 2) 復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲機(jī)理為, 下半部分空腔變形實(shí)現(xiàn)縱波向橫波的轉(zhuǎn)化, 局域共振結(jié)構(gòu)的向上振動(dòng)消耗聲能, 二者共同作用, 提高吸聲系數(shù); 3) 耦合產(chǎn)生的吸聲峰, 其峰值主要隨覆蓋層損耗因子的增大而增大, 其頻率主要隨薄膜面積的增大而向高頻移動(dòng)。研究結(jié)果可為聲學(xué)覆蓋層的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

水聲覆蓋層; 低頻耦合; 局域共振; 振動(dòng)位移; 吸聲

0 引言

水聲覆蓋層是敷設(shè)在潛艇等水下航行器表面一層或多層由橡膠或聚氨酯等高分子材料組成的聲學(xué)覆蓋層, 用于吸收敵方主動(dòng)聲吶發(fā)出的探測聲波, 提高水下航行器的聲隱蔽性[1], 因此, 其吸聲性能是影響水中兵器戰(zhàn)斗能力的決定性因素之一。由于低頻聲波傳播距離遠(yuǎn), 因此低頻探測聲吶成為海軍水下作戰(zhàn)的高效探測設(shè)備, 這就對(duì)水聲覆蓋層的設(shè)計(jì)提出了新的要求。

目前, 在橡膠等黏彈性材料中加入空腔等散射體可以有效增加其吸聲性能[2]。陶猛等[3]以聲波在圓柱管中傳播為例, 總結(jié)分析了Alberich型空腔覆蓋層的低頻吸聲機(jī)理, 指出圓柱體共振是覆蓋層吸聲的主要原因; 葉韓峰等[4]研究了聲波入射角度、材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于多層覆蓋層吸聲性能的影響; 商超等[5]研究了具有組合腔型的聲學(xué)覆蓋層, 指出其吸聲性能較同等穿孔率的單一空腔聲學(xué)覆蓋層有較大提高; Valentin等[6]研究了“氣泡元屏”對(duì)于聲波吸收的問題, 指出靠近背襯一側(cè)的“氣泡元屏”對(duì)于1.6 MHz頻率的聲波, 吸收系數(shù)高達(dá)91%; 柯李菊等[7]研究了上下對(duì)稱的圓臺(tái)型組合空腔不同幾何尺寸下的聲學(xué)覆蓋層的吸聲系數(shù), 指出吸聲效果主要取決于靠近聲波入射端的圓臺(tái)大半徑; 劉國強(qiáng)等[8]研究了不同材料構(gòu)成的多層覆蓋層的吸聲性能, 發(fā)現(xiàn)其吸聲效果優(yōu)于單一材料、單一結(jié)構(gòu)的覆蓋層。

空腔型覆蓋層對(duì)于中高頻聲波具有有效的聲吸收能力, 但對(duì)于低頻聲波, 吸聲能力則很弱。Zhao等[9-10]第一次在水聲吸聲覆蓋層中利用局域共振原理, 發(fā)現(xiàn)在共振頻率處, 吸聲系數(shù)能得到有效提高。薄膜型聲學(xué)超材料是由Yang等[11]在2008年提出, 并指出將一個(gè)小質(zhì)量塊放置在薄膜中心可以提高低頻吸聲性能; 當(dāng)附加質(zhì)量塊不對(duì)稱時(shí), 可以激發(fā)多個(gè)吸聲峰, 拓寬吸聲頻帶[12-13]; 2014年, Ma等[14]設(shè)計(jì)利用不同的薄膜材料單元設(shè)計(jì)了一種復(fù)合結(jié)構(gòu), 使得吸聲頻帶拓寬, 出現(xiàn)多個(gè)吸聲峰。但局域共振型聲學(xué)覆蓋層存在吸聲頻帶窄、長期穩(wěn)定性差等缺點(diǎn), 真正運(yùn)用到實(shí)際水下結(jié)構(gòu)中還存在較大難度。

由于空腔型覆蓋層低頻吸聲性能有限, 而薄膜型局域共振結(jié)構(gòu)需要?jiǎng)傂钥蚣苤蔚慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn), 文中將局域共振結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌到空腔中的復(fù)合結(jié)構(gòu), 通過多物理場軟件COMSOL Multiphysics仿真發(fā)現(xiàn), 二者形成耦合產(chǎn)生寬頻帶吸聲峰, 提高低頻吸聲效果。此外, 利用局域共振理論和振動(dòng)位移云圖分析復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲機(jī)理, 采用不同的結(jié)構(gòu)參數(shù), 獲得影響吸聲性能變化的因素。研究結(jié)果對(duì)聲學(xué)覆蓋層的發(fā)展具有重要意義, 為水中武器聲隱身性能的提高提供了重要技術(shù)支持。

1 吸聲系數(shù)計(jì)算

當(dāng)平面波由流體介質(zhì)垂直入射到固體介質(zhì)時(shí), 在二者交界面處, 由于阻抗相差較大, 受反作用力的原因, 會(huì)有一部分聲波被反射回來, 其聲壓反射系數(shù)為

當(dāng)背襯為空氣等剛性背襯時(shí), 透射系數(shù)非常小, 近似為0, 所以已知反射系數(shù)時(shí), 根據(jù)能量轉(zhuǎn)化及守恒原理, 可求得吸聲系數(shù)為

2 模型有效性驗(yàn)證及復(fù)合結(jié)構(gòu)有限元模型建立

2.1 模型有效性驗(yàn)證

圖1 驗(yàn)證模型

在第2層水域中設(shè)置背景壓力場來仿真平面波入射, 入射角度為45°。反射系數(shù)的有限元解與文獻(xiàn)[3]仿真結(jié)果對(duì)比如圖2所示。二者曲線吻合良好, 由式(2)可知, 在反射系數(shù)已知的前提下, 可求得吸聲系數(shù), 因此驗(yàn)證了采用COMSOL軟件計(jì)算空腔覆蓋層與局域共振結(jié)構(gòu)相結(jié)合的吸聲性能的有效性。

圖2 有限元解與理論解對(duì)比曲線

2.2 復(fù)合結(jié)構(gòu)有限元模型建立

圖3 復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖

表1 復(fù)合結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)

表2 復(fù)合結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

圖4 網(wǎng)格劃分示意圖

為驗(yàn)證復(fù)合結(jié)構(gòu)的低頻吸聲效果, 將與文中模型同等大小的圓錐形空腔覆蓋層、局域共振結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)與文中復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)進(jìn)行對(duì)比, 結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯? 復(fù)合結(jié)構(gòu)相對(duì)2種單獨(dú)結(jié)構(gòu), 吸聲系數(shù)有明顯提高, 且吸聲頻帶拓寬, 這與2種單獨(dú)結(jié)構(gòu)的耦合有關(guān)。因此, 空腔型水聲覆蓋層與薄膜型局域共振結(jié)構(gòu)的復(fù)合, 不但提高了前者的吸聲效果, 而且對(duì)于解決后者吸聲頻帶窄的問題具有實(shí)踐指導(dǎo)意義。

圖5 吸聲系數(shù)對(duì)比圖

3 吸聲機(jī)理分析

為研究復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲機(jī)理, 通過有限元仿真對(duì)其振型進(jìn)行分析研究。圖6為局域共振結(jié)構(gòu)在10 Hz和1 340 Hz處的振動(dòng)位移云圖。如圖6(a)所示, 10 Hz處, 薄膜質(zhì)量塊均向下振動(dòng), 振動(dòng)位移沿半徑方向減小; 而在吸聲峰1 340 Hz處, 如圖6(b)所示, 薄膜質(zhì)量塊均向上振動(dòng), 中心質(zhì)量塊處比周圍薄膜的振動(dòng)位移要小, 根據(jù)局域共振結(jié)構(gòu)的反共振吸聲原理, 當(dāng)入射聲波頻率與結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率相同時(shí), 振動(dòng)位移達(dá)到最大, 結(jié)構(gòu)振動(dòng)方向與聲波振動(dòng)方向相反, 由于聲波為縱波, 振動(dòng)方向與傳播方向相同, 那么局域共振結(jié)構(gòu)向上振動(dòng)且振幅最大時(shí), 吸聲系數(shù)達(dá)到峰值, 由此可知薄膜質(zhì)量塊在10 Hz處基本無吸聲作用, 而在吸聲峰1 340 Hz處聲波激發(fā)局域共振結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反共振, 消耗聲能, 起到吸聲的作用。由于局域共振結(jié)構(gòu)與空腔型覆蓋層存在耦合, 使得吸聲峰處局域共振結(jié)構(gòu)的振幅發(fā)生變化, 即中心質(zhì)量塊的振幅比其周圍薄膜的位移要小。

圖6 局域共振結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移云圖

空腔型水聲覆蓋層在10～2 000 Hz內(nèi)的振型有2種, 一種如圖7(a)所示, 覆蓋層整體有豎直向下的振動(dòng)位移, 振幅由上向下逐漸減小; 另一種如圖7(b)所示, 覆蓋層整體有豎直向上的振動(dòng)位移, 振幅由上向下逐漸增大, 2種振型中空腔均無水平方向的變形, 垂直入射的聲波無法在覆蓋層中產(chǎn)生多重散射, 因此吸聲效果不明顯。而復(fù)合結(jié)構(gòu)中空腔覆蓋層在各頻率點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)振幅無較大差異, 以吸聲峰1 340 Hz處的振動(dòng)情況為例, 如圖8所示, 橡膠覆蓋層有相同的向下振動(dòng)的位移, 且振幅較大, 上半部分空腔僅有豎直向下的位移, 無水平方向的擠壓變形, 而下半部分空腔雖然振幅較小, 但空腔水平向外擴(kuò)張, 表明此時(shí)空腔覆蓋層的吸聲機(jī)理為: 下半部分空腔周圍橡膠的橫向振動(dòng)帶動(dòng)空腔水平向外擴(kuò)張, 使得垂直入射的縱波轉(zhuǎn)化成水平方向傳播的剪切波, 而剪切波具有阻尼高的特點(diǎn), 能夠消耗更多的聲能, 以此達(dá)到吸聲的目的。

圖7 空腔覆蓋層低頻振動(dòng)位移云圖

圖8 復(fù)合結(jié)構(gòu)空腔覆蓋層振動(dòng)位移云圖

通過分析復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲機(jī)理可知, 復(fù)合之后空腔覆蓋層振型發(fā)生根本性的變化, 下半部分空腔的擴(kuò)張變形是其影響吸聲效果的主要因素, 故在頻率范圍內(nèi)進(jìn)行研究, 吸聲效果得到了較大提高; 而復(fù)合之后的局域共振結(jié)構(gòu), 由于耦合作用使得其反共振頻率向高頻移動(dòng), 因此吸聲峰所處頻率較高。

4 調(diào)控規(guī)律分析

為研究該復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲效果的調(diào)控規(guī)律, 分別對(duì)覆蓋層厚度、穿孔率、下半部分空腔厚度、覆蓋層損耗因子4個(gè)參數(shù)變化對(duì)吸聲性能的影響進(jìn)行了仿真分析, 曲線對(duì)比如圖9所示。如圖9(a)所示, 覆蓋層越厚, 吸聲峰越向低頻移動(dòng), 吸聲系數(shù)先增大后減小, 但幅值變化幅度較小, 帶寬略變窄。覆蓋層厚度的增大可以提高低頻吸聲系數(shù), 但注意到覆蓋層每增加10 mm, 吸聲系數(shù)向低頻移動(dòng)約100 Hz, 吸聲系數(shù)提高小于0.1。

圖9 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)吸聲系數(shù)的影響

如圖9(b)所示, 吸聲峰頻率隨著穿孔率的增大而向高頻移動(dòng), 吸聲系數(shù)先減小后增大, 吸聲頻帶變寬。事實(shí)上, 隨著穿孔率的增大, 一方面, 使得下半部分空腔體積變大, 與周圍的橡膠接觸面也變大, 因此空腔變形量及其周圍橡膠的變形量增大, 從而增大縱波向橫波的轉(zhuǎn)化, 提高吸聲效果; 另一方面, 由前文吸聲機(jī)理分析可知, 局域共振結(jié)構(gòu)影響吸聲峰的位置, 而穿孔率的增大同時(shí)使得薄膜面積增大, 根據(jù)計(jì)算, 穿孔率每增大0.1, 薄膜半徑平均隨之增大約1.86 mm, 而此時(shí)吸聲峰向高頻移動(dòng), 驗(yàn)證了前文吸聲機(jī)理分析的準(zhǔn)確性。

如圖9(c)所示, 隨著下半部分空腔厚度逐漸變大, 吸聲系數(shù)先增大后減小, 吸聲峰頻率向低頻移動(dòng), 帶寬變窄。由吸聲機(jī)理可知, 低頻激勵(lì)下, 下半部分空腔的變形使得低頻吸聲效果增強(qiáng), 所以低頻吸聲系數(shù)增大; 同時(shí)薄膜面積減小, 薄膜每向上移動(dòng)1 mm, 半徑平均減小約0.33 mm, 與圖9(b)變化規(guī)律對(duì)比可知, 吸聲峰向低頻移動(dòng)。

如圖9(d)所示, 隨著損耗因子的增大, 吸聲效果逐漸增強(qiáng), 損耗因子每增大0.1, 吸聲峰處的吸聲系數(shù)約提高12%。由此可見復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲效果的強(qiáng)弱與橡膠覆蓋層材料參數(shù)的關(guān)系較大。

5 結(jié)論

通過對(duì)比分析有限元解與解析解, 驗(yàn)證有限元仿真結(jié)果的有效性, 基于多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics建立了空腔型水聲覆蓋層與局域共振結(jié)構(gòu)相結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu), 通過分析其振動(dòng)模態(tài), 揭示其吸聲機(jī)理, 此外, 還分析了復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲性能在不同參數(shù)情況下的變化規(guī)律。研究可以得出如下結(jié)論。

1) 空腔覆蓋層和局域共振結(jié)構(gòu)的耦合能夠提高低頻吸聲效果, 拓寬吸聲頻帶。

2) 復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲機(jī)理為: 復(fù)合結(jié)構(gòu)中的空腔覆蓋層, 其下半部分空腔向外擴(kuò)張, 帶動(dòng)其周圍橡膠產(chǎn)生水平方向的振動(dòng), 從而實(shí)現(xiàn)縱波向橫波的轉(zhuǎn)化, 吸收一部分聲能。局域共振結(jié)構(gòu)同時(shí)向上振動(dòng), 二者耦合提高覆蓋層的低頻吸聲效果。

3) 吸聲峰峰值的大小與橡膠覆蓋層的材料參數(shù)有關(guān), 其隨損耗因子的增大而增大; 吸聲峰所處頻率隨著穿孔率的變大、薄膜面積的變大而向高頻移動(dòng)。

該水聲覆蓋層有力地提高了低頻吸聲性能, 拓寬了吸聲頻帶, 對(duì)于提高水下航行器的聲隱身性能, 進(jìn)而提高其作戰(zhàn)能力具有重要應(yīng)用價(jià)值, 但耦合吸聲峰頻率向高頻移動(dòng)較大, 如何將耦合吸聲峰移動(dòng)到低頻還有待進(jìn)一步研究。

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Low Frequency Coupling Sound Absorption Mechanism and Regulation Law of Underwater Acoustic Coating

WANG Jia-beiZHOU Hao

(College of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

The underwater acoustic coating has a significant influence on the acoustic stealth performance of underwater vehicles. To enhance the low-frequency sound absorption performance of the underwater acoustic coating, a composite model with a local resonance structure embedded into the cavity-type coating is established based on the finite element method, and its sound absorption performance is studied in the 10-2 000 Hz band. The structural vibration mode of the film quality of the composite model is analyzed using local resonance theory. The sound absorption mechanism of the composite model is analyzed in combination with the vibration displacement contour of the cavity-type coating. In addition, by adjusting the geometric parameters of the model, the law affecting the change in sound absorption performance is obtained. The results show that: 1) the coupling between the cavity-type coating and the local resonance structure can improve the low-frequency sound absorption effect and widen the sound absorption band; 2) the sound absorption mechanism of the composite structure is as follows: the cavity in the lower part deforms to realize the transformation of P-wave to S-wave and the upward vibration of the local resonance structure consumes sound energy, which work together to improve the sound absorption coefficient; 3) the sound absorption peak generated by coupling mainly increases with the increase in the loss factor of the coating, and the frequency of the sound absorption peak mainly moves to a high frequency with an increase in the film area.

underwater acoustic coating; low frequency coupling; local resonance; vibration displacement; sound absorption

TJ630.1; TB566

A

2096-3920(2021)06-0775-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.019

王佳蓓, 周浩. 水聲覆蓋層低頻耦合吸聲機(jī)理及調(diào)控規(guī)律研究[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2021, 29(6): 775-781.

2021-03-17;

2021-04-07.

王佳蓓(1997-), 女, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)檎駝?dòng)與噪聲控制.

(責(zé)任編輯: 許 妍)