周海波 李天勻 朱 翔 田華安

1華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074 2中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢430064

內(nèi)覆防水吸聲層的海水消聲器聲學(xué)性能計算

周海波1李天勻1朱 翔1田華安2

1華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074 2中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢430064

對內(nèi)部進(jìn)行了防水吸聲處理的海水消聲器進(jìn)行了聲學(xué)計算，提出了分析此類問題的數(shù)值仿真方法：首先運用分層媒質(zhì)理論對含空腔防水吸聲層的聲學(xué)性能進(jìn)行計算，利用ANSYS建立海水消聲器的三維有限元模型，導(dǎo)入SYSNOISE軟件中并將防水吸聲層的吸聲系數(shù)及表面聲阻抗作為邊界阻抗計算消聲器內(nèi)部聲場的聲壓分布以及傳遞損失。對某內(nèi)覆防水吸聲層的海水消聲器的聲學(xué)特性進(jìn)行了數(shù)值計算和分析，研究結(jié)果對提高含防水吸聲結(jié)構(gòu)海水消聲器的降噪效果具有重要意義。

海水消聲器；吸聲系數(shù)；聲阻抗；傳遞損失

1 引言

通海載流管道的噪聲輻射是水面艦船產(chǎn)生水下噪聲的重要方面之一［1］，海水消聲器可起到較好的降噪作用［2－3］。消聲器的設(shè)計一直是人們感興趣的課題，關(guān)于空氣消聲器的研究較多［4］，而有關(guān)海水消聲器的研究工作則多限于剛性壁的抗性消聲器［5］，對阻抗性海水消聲器的研究較少，有關(guān)內(nèi)覆含空腔吸聲層的阻抗式海水消聲器的文獻(xiàn)至今幾乎沒有。本文對內(nèi)部進(jìn)行了防水吸聲處理的海水消聲器進(jìn)行了聲學(xué)計算，著重分析含空腔吸聲層的吸聲性能，提出了分析此類問題的數(shù)值仿真方法。

論文首先對吸聲材料的聲學(xué)性能進(jìn)行理論推導(dǎo)和計算分析，接著對含防水吸聲結(jié)構(gòu)海水消聲器的聲學(xué)性能進(jìn)行計算分析。

2 防水吸聲材料的聲學(xué)性能計算

2.1 典型非均勻?qū)訌?fù)合吸聲結(jié)構(gòu)聲學(xué)計算模型

海水消聲器的壁及可拆擋板上的防水吸聲層是典型的含腔非均勻復(fù)合結(jié)構(gòu)，由于本文在SYSNOISE軟件中使用聲學(xué)有限元法計算防水吸聲結(jié)構(gòu)海水消聲器內(nèi)部聲場的聲壓分布以及傳遞損失［6］需要對壁面施加相應(yīng)的阻抗邊界條件，因此首先需要對吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能進(jìn)行研究。

圖1所示為典型的非均勻結(jié)構(gòu)吸聲層——鋼板，結(jié)構(gòu)前面為水，后面為空氣，第一層不打孔，第三層孔徑不變，第二層孔徑逐漸變化，其中，d為孔距。

利用聲波在分層吸收媒質(zhì)中的傳播模型，由分層媒質(zhì)的傳遞矩陣方法求解界面的輸入阻抗和相應(yīng)的吸聲系數(shù)。對于含有空腔的橡膠層，選用空腔層中橡膠單元近似為高粘性液體的變截面波導(dǎo)，用波導(dǎo)截面變化函數(shù)作為傳遞矩陣單元元素，再結(jié)合吸聲結(jié)構(gòu)前后端的邊界條件即可求得結(jié)構(gòu)的輸入阻抗和吸聲系數(shù)。

［7］可得非均勻?qū)觽鬟f矩陣的元素。

圖1 典型非均勻?qū)訌?fù)合吸聲結(jié)構(gòu)

其中，S1，S2為每個分層前后端的截面積；復(fù)聲速jη）為粘彈性介質(zhì)模量；η為損耗因子；ρ為材料密度；ω為聲波的角頻率；ω＝2πf；f為聲波頻率。

當(dāng)平面波垂直入射，各層間的邊界條件為聲壓連續(xù)和法向質(zhì)點振速連續(xù)，于是可以將各層的傳遞矩陣［An］（n＝1，2，…，N）相乘，得多層結(jié)構(gòu)的傳遞矩陣［B］：

求得整個結(jié)構(gòu)的總傳遞矩陣后，根據(jù)終端邊界條件即可求得結(jié)構(gòu)的輸入阻抗和吸聲系數(shù)。取單元表面面阻抗近似代表整個平面結(jié)構(gòu)表面的平均輸入阻抗Zin，結(jié)構(gòu)后面為空氣，終端邊界條件可表示為：pN＋1＝0，即FN＋1＝0，代入上式可得輸入端輸入阻抗，材料的反射系數(shù)、吸聲系數(shù)分別為：

根據(jù)以上理論分析，即可得到不同材料組合的非均勻?qū)訌?fù)合吸聲結(jié)構(gòu)的表面阻抗以及吸聲系數(shù)等聲學(xué)參數(shù)。

2.2 海水消聲器吸聲結(jié)構(gòu)計算分析

海水消聲器壁上的吸聲材料就是典型的非均勻吸聲結(jié)構(gòu)，根據(jù)非均勻?qū)永碚摽梢运愠鑫曄禂?shù)隨入射聲波頻率變化的曲線如圖3所示，輸入端輸入阻抗曲線如圖2所示，計算頻率從10 Hz～10 kHz。從圖4中可見，吸聲系數(shù)在100 Hz以下較低，然后迅速升高至最高值0.63附近后下降逐漸穩(wěn)定。

根據(jù)聲在分層介質(zhì)中的傳播理論，可以認(rèn)為吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能除了與基材聲衰減有關(guān)外，主要與聲阻抗和聲波入射媒質(zhì)的特性阻抗匹配情況以及阻抗沿吸聲結(jié)構(gòu)軸向變化梯度有關(guān)。

圖2 海水消聲器壁結(jié)構(gòu)表面阻抗曲線

圖3 海水消聲器壁結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)曲線

海水消聲器可拆擋板上的吸聲材料由于結(jié)構(gòu)后面是水，終端邊界條件可以認(rèn)為是和cw分別為水的密度及聲在水中的傳播速度，整個結(jié)構(gòu)的傳遞矩陣為［B］，材料的輸入端輸入阻抗，材料的反射系數(shù)、吸聲系數(shù)分別為：

得到可拆擋板上吸聲結(jié)構(gòu)表面阻抗曲線和吸聲系數(shù)曲線分別如圖4、圖5所示。

圖4 可拆擋板結(jié)構(gòu)表面阻抗曲線

圖5 可拆擋板結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)曲線

由于結(jié)構(gòu)后面是水，因此阻抗特性、吸聲系數(shù)和結(jié)構(gòu)后端是空氣的情況有顯著區(qū)別。在頻率非常低時，結(jié)構(gòu)厚度遠(yuǎn)小于聲波波長，因此如同吸聲結(jié)構(gòu)不存在一樣。這樣對于海水消聲器壁，在很低的頻率下，板后為空氣，反聲系數(shù)接近0；而對于可拆擋板，板后為水，阻抗匹配、反聲系數(shù)為0，則吸聲系數(shù)為1。對于可拆擋板，隨著頻率的增大，吸聲系數(shù)也逐漸降低，但在頻率很高時，則有一定波動。

根據(jù)以上分析得到的不同模型的輸入端面阻抗，可以用于在聲學(xué)有限元法的聲場分析中，直接據(jù)此對壁面施加相應(yīng)的阻抗邊界條件，即可方便地模擬吸聲材料的特性和功能。

3 海水消聲器的聲學(xué)仿真計算

由于海水消聲器結(jié)構(gòu)的內(nèi)部聲場比較復(fù)雜，平面波理論無法準(zhǔn)確預(yù)測其分布，對于這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，運用數(shù)值分析軟件進(jìn)行計算和分析較為合適。傳統(tǒng)的聲振環(huán)境數(shù)值計算方法基于有限元、邊界元技術(shù)，目前已有許多大型商用軟件：ANSYS、SYSNOISE等。

為了計算復(fù)雜結(jié)構(gòu)消聲器的消聲特性，并進(jìn)一步提高消聲器的聲學(xué)性能，在基本假設(shè)的前提下，施加合理的進(jìn)出口及壁面邊界條件，利用ANSYS建立防水吸聲結(jié)構(gòu)海水消聲器內(nèi)部聲場的三維有限元模型，在SYSNOISE軟件中使用聲學(xué)有限元法計算防水吸聲結(jié)構(gòu)海水消聲器內(nèi)部聲場的聲壓分布以及傳遞損失。然后，研究不含防水吸聲結(jié)構(gòu)對海水消聲器傳遞損失的影響，根據(jù)分析結(jié)果和防水吸聲結(jié)構(gòu)海水消聲器的聲學(xué)特點，提高防水吸聲結(jié)構(gòu)海水消聲器的降噪效果。

3.1 聲場有限元建模

防水吸聲結(jié)構(gòu)海水消聲器的進(jìn)水口是海底門格柵，內(nèi)部有擋板，出水口為內(nèi)插管，另外在海水消聲器內(nèi)壁以及擋板和出水口管壁上還敷有吸聲材料，因此可將其看作是一種水下阻抗式消聲器。

認(rèn)為防水吸聲結(jié)構(gòu)海水消聲器內(nèi)部為非耦合的聲場，忽略流體與結(jié)構(gòu)的耦合作用，所以僅對防水吸聲結(jié)構(gòu)海水消聲器內(nèi)的流體建模。模型網(wǎng)格密度必須足夠細(xì)致到能分辨最高主頻，即每個波長里至少要有6個線形單元或3個二次單元。

根據(jù)已有的海水消聲器資料，在ANSYS中建立了海水消聲器內(nèi)部流體的實體模型。采用四面體實體單元劃分了有限元網(wǎng)格，模型如圖6所示。

圖6 ANSYS中流體有限元模型

將劃分好單元的聲學(xué)有限元模型導(dǎo)入到SYSNOISE中進(jìn)行聲場和傳遞損失的計算。導(dǎo)入到SYSNOISE中的聲場網(wǎng)格如圖7所示。

3.2 聲學(xué)計算

防水吸聲結(jié)構(gòu)海水消聲器的消聲性能通常用傳遞損失來衡量，其定義為防水吸聲結(jié)構(gòu)海水消聲器入口與出口的聲功率的比值，計算公式如下［8－10］：

圖7 SYSNOISE中流體有限元模型

其中Win和Wout分別為防水吸聲結(jié)構(gòu)海水消聲器的輸入和輸出聲功率，pin和pout分別為防水吸聲結(jié)構(gòu)海水消聲器輸入和輸出的聲壓；Sin和Sout分別為防水吸聲結(jié)構(gòu)海水消聲器進(jìn)口和出口的截面積。已知進(jìn)口面積是出口總面積的3.5倍。

采用聲學(xué)有限元法求解海水消聲器的進(jìn)出口聲壓與傳遞損失。計算頻率20~2 000 Hz，步長為2 Hz。

對含防水吸聲結(jié)構(gòu)海水消聲器的聲特性進(jìn)行計算。取頻率分別為20 Hz、50 Hz、100 Hz、500 Hz、1 000 Hz和2 000 Hz，其中1 000 Hz和2 000 Hz的聲場法向振速的分布云圖如圖8所示，聲壓云圖分布如圖9所示。

圖8 海水消聲器聲場的振速云圖

圖9 海水消聲器聲場的聲壓云圖

由圖8、圖9可以看出，在入口處的質(zhì)點振速有最大值。由于采用了防水吸聲結(jié)構(gòu)，除了在海水消聲器壁面上的單元的法向速度基本為0，在出口管的法向速度也較小，表明振動得到了較好的衰減。對流場聲壓的計算表明在大部分頻率上，入口處的聲壓都比較大，出口管的聲壓都很小，表明消聲效果較好。

進(jìn)一步對無防水吸聲結(jié)構(gòu)海水消聲器的聲學(xué)特性進(jìn)行計算，含有吸聲材料和不含吸聲材料的海水消聲器的傳遞損失曲線如圖10所示。從圖中可見：對于有防水吸聲材料結(jié)構(gòu)的海水消聲器，其在幾乎所有的頻段上都有消聲效果，且在低頻率下的效果相當(dāng)顯著，而無防水吸聲材料的海水消聲器在部分頻率上消聲效果不明顯。

圖10 海水消聲器的傳遞損失曲線（□：含吸聲材料，△：不含吸聲材料）

4結(jié)論

對不含防水吸聲結(jié)構(gòu)和含有防水吸聲結(jié)構(gòu)的海水消聲器的聲波特性進(jìn)行了數(shù)值計算和分析。主要結(jié)論如下：

1）對于含防水吸聲結(jié)構(gòu)的海水消聲器，其可看作為阻抗式消聲器。在大部分頻率上，入口處的聲壓都比較大，出口管的聲壓都很小，表明消聲效果較好。

2）從傳遞損失曲線來看，無防水吸聲海水消聲器在大部分頻率成分有消聲作用，而另一些頻率的聲波可以無衰減地通過。對于有防水吸聲材料結(jié)構(gòu)的海水消聲器，其在絕大多數(shù)頻段上都有比無吸聲結(jié)構(gòu)海水消聲器好的消聲效果，且在低頻率下的效果相當(dāng)顯著，而無防水吸聲材料的海水消聲器在部分頻率上消聲效果不明顯。

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Computation of Acoustic Characteristics of Seawater Muffler with Waterproof and Sound Absorption Layers

Zhou Hai－bo1Li Tian－yun1Zhu Xiang1Tian Hua－an2
1 School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China 2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

In this paper，the acoustic characteristics of the seawater muffler with waterproof and sound absorption layer covered inside are computed，thus the numerical simulation method is established to handle such problems.First，based on the layered－media theory，the acoustic characteristics of the waterproof layer with cavity are analyzed，the three－dimensional finite element model of the seawater muffler is built up by using ANSYS.Then the acoustic pressure distribution and translation loss of the seawater muffler is obtained in SYSNOISE with the sound absorption coefficient and surface impedance of the waterproof and sound absorption layer as the boundary condition.The acoustic characteristics of the seawater muffler are analyzed and calculated.The results can be useful to improve the noise reduction effort of seawater mufflers with waterproof and sound absorption treatment.

seawater silencer；absorption coefficient；acoustic impedance；transmission loss

U667.7

A

1673－3185（2009）03－08－05

2008-11-03

海軍裝備預(yù)研項目（1010501020402）

周海波（1987－），男，碩士研究生。研究方向：船舶振動與噪聲控制。E-mail：278165184@qq.com

李天勻（1969－），男，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：船舶振動與噪聲控制