龐福振，姚熊亮，賈 地，于丹竹

（1哈爾濱工程大學 船舶工程學院，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構水下聲學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 船舶工程學院，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環(huán)境的影響，開展了吸聲尖劈對板柱組合結構水下聲學特性影響的模型試驗研究。通過對板柱組合結構0%、36%、60%、100%敷設吸聲尖劈材料，在聲波以0°、90°、180°方向入射板柱組合結構時，研究了尖劈敷設方式、聲波入射角度對板柱組合結構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構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構的聲場分布，降低板柱組合結構的自噪聲；但其抑制效果隨考核位置、聲波頻率、敷設密度的不同而各有變化。

吸聲尖劈；聲納平臺；板柱組合結構；水下聲學特性；散射聲場；試驗研究

1 引 言

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

中。在吸聲尖劈的研究領域我國已有多名學者開展了相關的研究工作[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構水下聲學環(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構聲學環(huán)境的影響分析，討論了聲波不同入射角度、尖劈不同敷設工況下板柱組合結構的水下聲場分布，得到了吸聲尖劈對板柱組合結構水下聲場的影響。

2 模型試驗簡介

2.1 試驗模型

試驗模型主要由吸聲尖劈及板柱組合結構兩部分組成。吸聲尖劈由基體結構和階梯形復合空腔組成（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。

板柱組合結構模型由上平臺、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，為保證板柱組合結構的剛度，上下平臺及后壁處均設置了加強筋，吸聲尖劈均敷設于板柱組合結構內表面，板柱組合結構模型見圖1.c及圖1.d所示。

圖1 吸聲尖劈材料及板柱組合結構圖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、不同尖劈敷設狀況下板柱組合結構典型考核部位的自噪聲變化。對比吸聲尖劈不同敷設密度下板柱組合結構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構自噪聲及水下聲場的影響。為便于分析，試驗共設置了三個考核部位，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，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)試驗目的設定。本試驗主要考慮在上下平臺、后壁等結構以不同面積比設置吸聲尖劈，為便于對比，試驗中分0%尖劈敷設（即不敷設尖劈）、36%尖劈敷設、60%尖劈敷設、100%尖劈敷設共計四種狀態(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構進行試驗。各敷設狀態(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構水下聲場的影響

聲波以一定角度進入板柱組合結構時，部分聲波在上下平臺、后壁及支撐圓柱殼表面等處產生多途反射；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。但由于板柱組合結構的幾何復雜性及吸聲尖劈敷設方式的差異，因此，聲壓在板柱組合結構內部的空間分布將十分復雜。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構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密度不同，同一入射聲波在各結構表面的反射也有很大差異，因此，板柱組合結構的聲場分布較為復雜。圖4給出了聲波0°方向入射板柱組合結構時，尖劈不同敷設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構時，隨著尖劈敷設密度的增加，多數(shù)頻率下板柱組合結構各考核點聲壓在逐步減?。坏己瞬课徊煌?、聲波頻率不同、尖劈敷設方式不同，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500Hz≤f≤1.5kHz時，該點聲壓隨尖劈敷設密度的增大而降低，100%敷設工況時，該點的聲壓最小；1.5kHz≤f≤6kHz頻段內，36%的敷設方式可使該點聲壓偏大，而當敷設密度再加大時，該點的聲壓又有所下降；f≥6kHz時，部分敷設尖劈可導致該點聲壓偏大。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，敷設吸聲尖劈導致該處聲壓偏大。對于3#水聽器而言，當f≤10kHz時，隨著敷設密度的增加，考核點聲壓在逐漸降低。

造成上述現(xiàn)象的原因是：敷設吸聲尖劈后，板柱組合結構內部的聲場分布發(fā)生了改變，不同敷設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構時，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構的聲學特性變化，圖5給出了各敷設工況下不同水聽器聲壓隨頻率的變化曲線。

由圖5可知，敷設尖劈前后板柱組合結構的聲場分布有較大變化：不敷設尖劈時，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構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構，不同尖劈敷設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構時，板柱組合結構聲壓隨考核位置、聲波頻率、尖劈敷設狀況的不同而各有變化。對于1#水聽器而言，當500Hz≤f≤1.5kHz時，測點聲壓隨尖劈敷設密度的增大而下降；1.5kHz≤f≤6kHz時，部分敷設尖劈將導致該處聲壓偏大，但隨著尖劈敷設比例的提高，該處聲壓又有所下降；入射聲波頻率高于6kHz時，敷設吸聲尖劈將導致該處聲壓偏大。對于2#測點而言，f≤6kHz時，部分敷設尖劈將導致該處聲壓偏大，100%敷設尖劈可有效降低該處聲壓；f＞6kHz時，敷設尖劈將導致該處聲壓偏大；但隨著尖劈敷設密度的不斷增加，該處的聲壓又會有所下降。對于3#水聽器而言，f≤10kHz時，100%敷設尖劈可降低該處聲壓，部分敷設尖劈可導致該處聲壓偏大；f＞10kHz時，部分敷設尖劈導致該處聲壓偏大，但隨著敷設密度的增大，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構的空間分布將發(fā)生改變，并最終導致各測點聲壓的差異。圖7給出了不同敷設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，板柱組合結構聲場分布的改變較聲波在0°方向入射時偏?。翰环笤O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構聲場的影響分析

聲波在180°方向入射板柱組合結構時，各水聽器聲壓隨敷設密度的變化見圖8所示。

由圖8可以看出，此種情況下，板柱組合結構的聲壓隨尖劈敷設密度的變化較為復雜，各點聲壓隨尖劈敷設密度的增加不再單調下降，板柱組合結構內部聲場分布隨尖劈敷設密度、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密度的增大而降低；f≤1.5kHz時，敷設尖劈將導致該點聲壓偏大；f≥1.5kHz時，60%尖劈敷設密度時該處聲壓最大，0%敷設次之，36%敷設及100%敷設時最小。對于2#水聽器測點而言，500Hz≤f≤1.5kHz時，該處聲壓隨尖劈敷設密度的增加而降低；f≥1.5kHz時，0%敷設工況時該處聲壓最大，60%敷設工況次之，100%敷設時該處聲壓最小。對于3#水聽器測點而言，在試驗頻段內，0%敷設工況時該處聲壓最大；100%敷設工況時該處聲壓最?。?6%敷設工況及60%敷設工況次之。

圖9給出了各敷設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，敷設尖劈前后板柱組合結構的聲場分布變化較大：隨著敷設密度的不斷提高，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，不敷設吸聲尖劈時兩者聲壓的差異較大；但隨著敷設密度的提高，1#、2#水聽器的聲壓逐漸趨于一致。對于3#水聽器而言，0%敷設時3#水聽器聲壓較1#水聽器偏大，但隨著尖劈敷設密度的增加，3#水聽器的聲壓水平將迅速降低；當敷設密度為100%時，各水聽器的聲壓較為相近。

4 結 語

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

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

（2）聲波在0°方向入射板柱組合結構時，隨著吸聲尖劈敷設密度的增加，其內部聲壓在逐步降低；但各點聲壓隨考核部位、聲波頻率、敷設方式的不同又各有差異。不敷設吸聲尖時，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構時，不敷設吸聲尖劈時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，板柱組合結構各處聲壓隨尖劈敷設密度的增加不再單調下降，其內部聲場分布受尖劈敷設密度、聲波頻率的影響較大；隨著尖劈敷設密度的提高，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構時的典型工況進行了討論，而實際船舶聲納平臺尖劈敷設狀況、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

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

龐福振（1980-），男，哈爾濱工程大學博士研究生，講師。