孫 明 李煒偉 包 巖 姚熊亮

1大連船舶重工集團有限公司船舶研究所，遼寧大連 116001

2哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱 150001

空腔尖劈結構吸聲性能的實驗研究

孫 明1李煒偉1包 巖1姚熊亮2

1大連船舶重工集團有限公司船舶研究所，遼寧大連 116001

2哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱 150001

對尖劈結構的吸聲性能進行了實驗測試，進而研究了含空腔尖劈吸聲結構的吸聲性能。根據(jù)變截面波導理論建立的吸聲系數(shù)方程，計算了尖劈結構的吸聲系數(shù)，討論了尖劈結構吸聲性能隨頻率、靜水壓力及空腔結構的變化規(guī)律，并將計算值與實驗值進行了對比。研究結果表明：隨著靜水壓力的增大，尖劈結構吸聲系數(shù)曲線的形狀基本不變，但其數(shù)值有所下降；同種材料不同空腔類型尖劈結構的吸聲性能差別較大，在低頻段尤為明顯，而對于同種腔型尖劈結構，其吸聲性能則主要由空腔尺寸決定；對于含空腔尖劈吸聲結構，增大空腔尺寸可以使尖劈空腔共振加強而提高其低頻吸聲效果，但空腔尺寸過大反而會影響尖劈結構的整體吸聲效果，這對水下尖劈吸聲結構的設計及其在實艇減振降噪中的應用具有一定的參考意義。

空腔尖劈；實驗測試；靜水壓力；空腔結構；吸聲性能

1 引 言

在水下結構表面敷設水聲材料是應用最廣泛也是非常有效的一種提高水下航行器隱身性能的方法［1］。空腔尖劈吸聲結構具有阻抗逐漸過渡的性質，在較低頻率下具有優(yōu)良的吸聲性能，將其敷設于艇體聲吶平臺區(qū)的后壁板以及將聲吶平臺區(qū)和上層建筑艏部分開的水平平臺，可以有效降低聲吶平臺區(qū)自噪聲，具有較強的工程應用價值。

對尖劈吸聲結構聲場的理論研究有相當長的歷史［2-3］，然而由于其截面的不規(guī)則性和吸聲性能影響因素的復雜性等原因，用嚴格的波動理論很難給出精確解，而只能做近似計算，因此至今還沒有建立嚴格的聲場理論。計算尖劈結構吸聲系數(shù)常用的方法是在其橫截面上把尖劈材料和傳聲媒質的密度、壓縮模量等聲學參數(shù)按面積做某種加權平均得到等效參數(shù)，然后按分層媒質聲傳播理論計算吸聲系數(shù)。本文通過實驗得到了含空腔尖劈結構的吸聲系數(shù)，討論了尖劈結構吸聲性能隨頻率、靜水壓力、空腔結構的變化而出現(xiàn)的變化規(guī)律，并將實驗值與理論值進行了對比，所得結論對水下尖劈吸聲結構設計及其在實艇減振降噪中的應用具有重要的參考意義。

2 基本理論

基于變截面波導理論［4-5］，本文對尖劈吸聲結構進行分層處理，如圖1所示。假設圓錐尖劈為彈性媒質，內(nèi)含空腔，空腔內(nèi)充空氣，這里不考慮切變應力，平面聲波平行于尖劈入射到尖劈頂面和側面，將尖劈等分為 n 個環(huán)形臺面，S0，S1，S2，…，Sn分別表示尖劈底面、環(huán)面和頂端的面積。

入射到尖劈頂端和側面的聲波總能量可表示為：

式中，Ii為聲強。設IrjSj為尖劈第j個環(huán)形面上的聲波反射能量，則總的反射能量和吸收能量分別為：

定義第 j個環(huán)形面的聲強反射系數(shù)為：rj＝ Irj／Ii，則尖劈結構的吸聲系數(shù)可表示為：

尖劈吸聲結構的內(nèi)截面（空腔）和圍壁（吸聲材料）的截面積沿對稱軸x軸變化，則尖劈吸聲結構的特性阻抗率 ρc／S（x）是 x的函數(shù)。假定其中傳播的聲波波陣面按截面的規(guī)律變化，則對應的聲場應滿足變截面形式的波動方程，這樣含空腔尖劈吸聲結構頂端和各環(huán)形面的聲強反射系數(shù)rj可用變截面波導的聲場理論來計算：

第j個截面總的輸入阻抗ZAi可以由變截面波導理論得出：

由反射系數(shù)與輸入阻抗的關系式求得聲強反射系數(shù)rj，最后即可得到空腔尖劈結構吸聲系數(shù)α的表達式為：

式中，ZAj是第j變截面波導頂端輸入聲阻抗。

其中ρwcw為入射聲波所在介質的特性阻抗。

計算尖劈結構的吸聲系數(shù)時，由于尖劈外部結構及內(nèi)部空腔的不均勻性，各截面半徑及截面積表達式不能進行統(tǒng)一，因此對尖劈吸聲結構進行分段處理，每一分段的計算參數(shù)都可以用統(tǒng)一的表達式來描述，各分段分別應用變截面波導理論計算截面的吸聲系數(shù)。

3 尖劈結構吸聲性能實驗測試

評價吸聲結構吸聲性能的實驗方法主要有自由場法和聲管測試方法，這兩種方法相對而言都比較成熟，只是在低頻測量時還存在些許問題。本文利用水聲無源材料聲脈沖管法測試系統(tǒng)對尖劈吸聲結構試樣的法向聲吸收特性進行測量。

3.1 聲脈沖管法測試系統(tǒng)的基本原理

水聲材料聲脈沖管法測試系統(tǒng)主要用于水聲材料試樣在聲軟末端或聲硬末端情況下復反射系數(shù)的測量，通過復反射系數(shù)的測量結果即可計算試樣的吸聲系數(shù)、輸入阻抗、縱波聲速和衰減、彈性模量等。聲脈沖管測試裝置分為模擬測試裝置和數(shù)字測試裝置兩種。由于數(shù)字測試裝置具有優(yōu)秀的信號采集與處理能力，目前數(shù)字測試裝置應用得越來越廣泛。

聲脈沖管法數(shù)字測試裝置主要由聲管、換能器和電子測量設備組成，電子測量設備包括函數(shù)發(fā)生器、功率放大器、收發(fā)轉換器、帶通濾波器、信號采集器和計算機系統(tǒng)，如圖3所示。

函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生脈沖正弦信號，由帶通濾波器濾掉低頻噪聲信號和頻率高于測量頻率2倍的信號，通過位于聲管一端的換能器將此脈沖調(diào)制的正弦波向聲管中發(fā)射，經(jīng)聲管另一端的試樣反射，再由同一換能器接收反射聲波信號，系統(tǒng)的信噪比應該不小于20 Hz。收發(fā)轉換器能在脈沖信號發(fā)射時關閉接收通道，發(fā)射結束后打開接收通道。計算機系統(tǒng)安裝有測量軟件，通過總線控制數(shù)字儀器，完成信號的采集與處理、測量結果的保存與打印等。

通過對比聲軟末端（或聲硬末端）試樣反射波與柔性（或剛性）標準反射體反射波聲壓幅值和相位測量出試樣復反射系數(shù)的模，進而計算得出試樣的吸聲系數(shù)等聲學參數(shù)。

3.2 測試實驗條件

參考標準：GB－T 5266－2006

測試條件：

聲管末端類型：聲軟末端

室溫：22℃

水溫：28℃

濕度：35%

測試裝置：水聲無源材料聲脈沖管法測試系統(tǒng)

3.3 測試結果及分析

實驗測試兩個尖劈試樣的吸聲系數(shù)，測試頻段為1 500～8 000 Hz，兩個試樣總長度相同，逐漸過渡部分和圓柱部分長度也都相同，不同的是兩個試樣內(nèi)部含有不同形狀的空腔，同時制作尖劈的材料配比也不相同。

圖4和圖5分別給出了上述兩個尖劈試樣在常壓下的吸聲系數(shù)測試結果與本文理論計算結果的比較曲線。

由圖4，圖5可以看出，在大體變化趨勢上，本文理論計算結果與實驗測試結果吻合較好，只是在數(shù)值上存在一定的誤差。由此說明，在常壓下本文采用分層介質模型理論計算的尖劈結構吸聲系數(shù)與實驗所測得的結果在總體變化趨勢上基本一致，這也證明了常壓下本文計算吸聲系數(shù)理論方法的正確性。

4 尖劈結構吸聲性能影響因素分析

4.1 不同靜壓下尖劈結構吸聲性能分析

實際的尖劈吸聲結構均在一定的水深中使用，由于受到幾兆帕的靜水壓力，尖劈的空腔結構無疑會發(fā)生變化，從而導致其吸聲性能也隨之改變。尖劈吸聲結構的后端粘貼在鋼板上（看作剛性背襯），前端和側端承受靜水壓力與垂直入射的簡諧波。

圖6所示為給出了水深取0 m、300 m、450 m（對應的靜水壓力分別為 0 MPa、3 MPa、4.5 MPa）情況下3.3節(jié)中尖劈試樣1的吸聲系數(shù)實驗值和仿真計算值。

對比圖6可見，在常壓下實驗值與仿真值基本吻合，但在高靜壓下實驗值與仿真值吻合度較差。為進一步分析高靜壓下尖劈結構的吸聲性能，再選取4組材料與空腔型式均不同的尖劈吸聲結構試樣， 分別測試它們在 0 MPa，3 MPa，4.5 MPa（對應0 m，300 m，450 m水深）靜壓下的吸聲系數(shù)，測試頻段仍為1 500～8 000 Hz，測試結果如圖7～圖10所示。

由圖7～圖10可以看出，隨著水深的增大，尖劈結構吸聲系數(shù)曲線的形狀基本不變，但靜水壓力越大，吸聲系數(shù)下降也越大，即尖劈結構吸聲系數(shù)隨靜水壓力的增大有所下降，這主要是因為在靜水壓力的作用下尖劈吸聲結構產(chǎn)生了變形，空腔的有效容積變小了。即在靜水壓力的作用下，尖劈結構的吸聲性能有所下降。

綜合分析圖6～圖10，可以看出，尖劈結構的吸聲性能隨靜水壓力的增大有所下降。另外，由于測試實驗本身存在一定的誤差，實驗測試曲線在個別位置出現(xiàn)凹凸，不如仿真計算曲線光順。實驗測試曲線在不同靜水壓力下的吸聲系數(shù)下降值較仿真計算曲線大，這可能是因為在測試時尖劈試樣的動態(tài)力學參數(shù)發(fā)生了變化。具體來說高靜壓的試驗環(huán)境使本試驗的尖劈材料的彈性模量發(fā)生了變化，壓力越大材料彈性模量數(shù)值下降越大，而這一點在仿真計算時并沒有考慮。

歸結起來，影響尖劈結構吸聲性能的不僅僅是結構變形，隨著水深的增大材料動態(tài)力學參數(shù)的改變可能是影響尖劈吸聲性能的重要原因，這部分研究應該是今后工作的重點。

4.2 不同空腔結構對尖劈吸聲性能的影響

空腔形狀特別是空腔總體積對尖劈結構吸聲性能影響較大，其中對低頻吸聲效果的影響尤為明顯。圖11給出了同種材料不同空腔類型尖劈結構吸聲系數(shù)仿真曲線。

為進一步研究空腔尺寸對尖劈結構吸聲性能的影響規(guī)律，開展以下實驗，以圓臺型空腔尖劈吸聲結構為例，選取兩個實驗試樣進行對比分析，兩試樣原料組成及配比相同，總長度及外形一致，只是腔型尺寸不同，如圖12所示，吸聲測試頻段均為1 500～8 000 Hz。

試樣 1：L1＝80 mm，L2＝40 mm，L3＝40 mm，a＝6 mm，b＝5 mm，r1＝6 mm，r＝12 mm

試樣 2：L1＝80 mm，L2＝40 mm，L3＝40 mm，a＝5 mm，b＝4 mm，r1＝4mm，r＝12 mm

圖13～圖16給出了上述兩尖劈試樣吸聲系數(shù)實驗值及仿真值的對比結果。

由圖13～圖16可以看出，在常壓下，空腔尖劈試樣1與試樣2相比，低頻下吸聲系數(shù)有所提高，但高頻下吸聲系數(shù)有所下降。這是因為尖劈吸聲結構的吸聲機理是聲波透射到尖劈內(nèi)部而使聲能被耗散以及聲波作用下內(nèi)部空腔所產(chǎn)生的共振吸收，對中高頻噪聲以耗散吸聲為主，對低頻噪聲則以共振吸收為主。試樣1與試樣2相比，空腔尺寸增大，低頻下共振吸收有所加強，因此吸聲系數(shù)升高。但是空腔尺寸增大加劇了尖劈整體結構與水的阻抗失配，引起透射聲波減少，從而使得尖劈結構在中高頻下的吸聲系數(shù)有所下降。

通過上述討論，我們得出結論：在低頻下，同種材料同種腔型的尖劈結構的吸聲性能主要由空腔尺寸決定，增大空腔尺寸，可以明顯提升尖劈結構低頻下的吸聲性能。

下面，我們再以兩個尖劈試樣為例來分析當空腔尺寸過大時，尖劈結構的低頻吸聲性能。試樣1與試樣2均為圓臺型空腔尖劈，原料組成及配比相同，總長度及外形一致，只是腔型尺寸明顯不同，試樣1為普通空腔，試樣2則是超大型空腔，如圖17所示，兩試樣吸聲系數(shù)測試頻段均為500～3 500 Hz低頻段。

分別作出常壓和高靜壓下兩尖劈試樣的吸聲系數(shù)實測值對比曲線如圖18和圖19所示。

由圖18、圖19可以看出，在常壓和高靜壓下，試樣2在1 200 Hz以下范圍內(nèi)均測不到數(shù)據(jù)，而試樣1在整個測試頻段內(nèi)測試數(shù)據(jù)完整，這是聲波在水和尖劈交界面上發(fā)生了嚴重反射的緣故。同時試樣2相對于試樣1而言，除局部頻段吸聲系數(shù)有所提高外，整體吸聲系數(shù)下降了，這是因為與試樣1相比，試樣2雖然明顯增大了腔型尺寸，加強了低頻下腔體共振，但其整體等效阻抗與水的阻抗嚴重失配，導致聲波傳輸?shù)剿图馀唤缑鏁r，反射現(xiàn)象加劇，無法更好地透射到尖劈阻尼層內(nèi)部?？傊^大的腔型尺寸導致尖劈試樣2整體等效阻抗與水的阻抗嚴重失配，雖然加劇了共振吸收，但是在500～3 500 Hz低頻段，尖劈試樣2整體的吸聲性能還是下降了。

通過上述對比分析，我們得出結論：對于含空腔尖劈吸聲結構，增大空腔尺寸可以使尖劈空腔共振加強，提高其低頻吸聲效果，但是空腔尺寸不能過大。對尖劈吸聲結構整體而言，過大的空腔尺寸會導致尖劈結構整體等效阻抗與水的阻抗嚴重失配，使聲波傳輸?shù)郊馀砻鏁r反射增加，影響尖劈結構的整體吸聲效果。因此在設計尖劈結構的空腔時，既要使空腔結構的共振加強，又不能使尖劈整體等效阻抗與水的阻抗嚴重失配。

5 結 論

本文通過實驗測試了含空腔尖劈結構的吸聲系數(shù)，討論了尖劈結構吸聲性能隨頻率、靜水壓力及空腔結構的變化規(guī)律，并將實驗值與仿真值進行了對比，主要得到以下結論：

1）靜水壓力下，隨著水深的增大，尖劈結構吸聲系數(shù)曲線的形狀基本不變，但靜水壓力越大，吸聲系數(shù)下降也越大，即尖劈結構吸聲系數(shù)隨靜水壓力的增大有所下降。

2）影響尖劈結構吸聲性能的不僅僅是結構變形，隨著水深的增大材料動態(tài)力學參數(shù)的改變可能是影響尖劈吸聲性能的重要原因。

3）同種材料不同空腔類型尖劈結構的吸聲性能差別較大，在低頻段尤為明顯，而對于同種腔型尖劈結構，其吸聲性能則主要由空腔尺寸決定。

4）對于含空腔尖劈吸聲結構，增大空腔尺寸可以使尖劈空腔共振加強，從而提高其低頻吸聲效果，但空腔尺寸過大反而會影響尖劈結構的整體吸聲效果，這對水下尖劈吸聲結構的設計及其在實艇減振降噪中的應用具有一定的參考意義。

［1］張宏軍，邱伯華，石磊，等.消聲瓦技術的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.艦船科學技術，2001，23（4）： 6－14.

［2］GIDEON M.Response of ribbed panels to reverberant acoustic fields［J］.The Journal of the Acoustical Society of America， 1962， 34（6）： 809－826.

［3］TRENY C，GAMIER B.Porous anechoic systems from the physical concept to the technology solution ［C］.UDT，1995：191－195.

［4］王仁乾，馬黎黎，繆旭弘.帶空腔尖劈吸聲器吸聲性能的研究［J］.聲學技術，1999，18（4）：146－157.

［5］繆旭弘，顧磊，高興華，等.基于分層媒質模型的聲學性能仿真研究［J］.計算機仿真，2003，20（10）：74－80.

Experimental Research on Sound-Absorption Performance of the Wedge Structure with Cavity

Sun Ming1Li Wei-wei1Bao Yan1Yao Xiong－liang2
1 Ship Research Institute， Dalian Shipbuilding Industry Co.，Ltd.， Dalian 116001， China 2 College of Shipbuilding Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China

The sound－absorption performance of wedge structure as well as that with cavity was tested by experiment.According to the sound－absorption equations obtained from the non－uniform waveguide theory， the sound－absorption coefficient of wedge structure was calculated and the variation of performance with frequency， hydrostatic pressure and cavity structure was discussed.The calculated results were then compared with the experimental results.It shows that with the increase of water depth， the shape of sound－absorption coefficient curve does not change significantly under hydrostatic pressure，while the larger the hydrostatic pressure is， the greater the wedge sound－absorption coefficient drops down.Soundabsorption performance of the wedge made by the same material with different types of cavity varies significantly，especially in the low frequency range.As for the wedge with same type of cavity，its soundabsorption performance is mainly determined by the size of cavity.Thus， the low frequency sound－absorption performance of the wedge structure with cavity can be greatly improved with the increase of cavity size， but the overall sound－absorption effect will be weakened if the cavity size is excessively large.These provide reference for the design of underwater wedge structure and the application of the wedge structure to the vibration and noise reduction of ship structure.

wedge with cavity； testing experiment； hydrostatic pressure； cavity structure； sound－absorption performance

U661.43

A

1673－3185（2010）05－27－07

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.05.006

2009－09-24

國防重點預研項目

孫 明（1984－），男，碩士。研究方向：船舶與海洋工程結構動力學。E-mail：xiaolizhi1215＠sina.com