孫銳，游彩霞，何雪松，張笑一

(1.武漢科技大學(xué) 汽車交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430000)

0 引言

潛艇由于自身具有的隱蔽性、機(jī)動(dòng)性等特點(diǎn)，已經(jīng)成為現(xiàn)代海軍的主要作戰(zhàn)力量。降低潛艇水下聲輻射可以縮短敵艦發(fā)現(xiàn)我艦的距離，增加我艦探測(cè)敵艦距離，從而提高潛艇的作戰(zhàn)能力和生存能力，因此提高潛艇聲隱身性能是提升海軍實(shí)力的重要途徑之一[1]。潛艇水下低速航行時(shí)，動(dòng)力艙段機(jī)械噪聲是潛艇水下輻射噪聲的主要來(lái)源，而現(xiàn)代潛艇動(dòng)力艙段多采用模塊化集成設(shè)計(jì)，將主要機(jī)械系統(tǒng)布置在一個(gè)艙段中，動(dòng)力艙段采用單殼體結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)，機(jī)械噪聲直接通過(guò)耐壓殼向水下輻射噪聲。因而，在耐壓殼外設(shè)計(jì)一層氣墊結(jié)構(gòu)，可利用多層阻抗失配原理，極大地隔離噪聲，降低潛艇聲輻射。

聲學(xué)覆蓋層是提高聲隱身性能的常用技術(shù)之一，也是潛艇內(nèi)部噪聲通過(guò)結(jié)構(gòu)向外傳播的最外層屏障，其中常見(jiàn)的去耦瓦常敷設(shè)于潛艇外側(cè)，對(duì)噪聲的傳播進(jìn)行隔離[2]。而雙層板結(jié)構(gòu)由于其阻抗失配的特點(diǎn)，最初被廣泛運(yùn)用于建筑類隔聲[3–4]，關(guān)于雙層板隔聲研究多集中于空氣聲中[5–7]，對(duì)于水聲中的研究較少，且多集中在理論和實(shí)驗(yàn)中[8]，少見(jiàn)工程化應(yīng)用研究。周濤和陳志堅(jiān)[9]提出一種應(yīng)用于水中的隔聲結(jié)構(gòu)，具有孔隙率大，隔聲去耦效果好的特點(diǎn)，并通過(guò)解析法分析其結(jié)構(gòu)的隔聲效果輔以行波管實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。但其研究局限在低頻段，且沒(méi)有將其結(jié)構(gòu)具體應(yīng)用于水下航行體上做規(guī)律研究。本文設(shè)計(jì)艙段氣墊結(jié)構(gòu)模型，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證其全頻段隔聲效果，并對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)隔聲效果具體影響規(guī)律作進(jìn)一步探討。

1 水下艙段結(jié)構(gòu)氣墊隔聲數(shù)值仿真建模

1.1 水下艙段結(jié)構(gòu)物理模型

為降低潛艇水下工作時(shí)艙段結(jié)構(gòu)在受到激勵(lì)力時(shí)的聲輻射問(wèn)題，提出氣墊結(jié)構(gòu)艙段模型（見(jiàn)圖1）。結(jié)構(gòu)兩端為橫向強(qiáng)艙壁，兩端完全剛性，對(duì)外不輻射噪聲，耐壓殼外用輕殼體柱形環(huán)繞包圍，輕殼體與耐壓殼中間封閉部分稱為空氣氣墊（高壓空氣腔），當(dāng)潛艇在海水中工作時(shí)，根據(jù)潛艇下潛深度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)空氣腔氣體壓強(qiáng)以平衡海水靜水壓力。對(duì)耐壓殼體進(jìn)行單位白噪聲點(diǎn)激勵(lì)，研究單位白噪聲激勵(lì)下輻射聲壓的變化情況。

圖1 氣墊結(jié)構(gòu)物理模型Fig.1 Physical model of air cushion structure

1.2 水下艙段結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真建模

潛艇艙段結(jié)構(gòu)主要由復(fù)雜的梁板殼組成不規(guī)則的耦合結(jié)構(gòu)，對(duì)其聲學(xué)性能的研究往往較為復(fù)雜，在實(shí)際的工程計(jì)算中，往往將艙段結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為圓柱殼形式進(jìn)行分析研究。本文采用雙層圓柱殼形式對(duì)艙段結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)能量法仿真建模，如圖2 所示。

圖2 氣墊艙段結(jié)構(gòu)SEA 模型Fig.2 SEA model of air cushion cabin structure

整個(gè)氣墊結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)，耐壓殼直徑6.5 m，厚度0.03 m，高12 m，輕殼體厚度0.008 m，高12 m，兩側(cè)橫向強(qiáng)艙壁厚度0.03 m，高壓空氣層厚度0.001 5 m。其中鋼材料的密度為7 800 kg/m3，楊氏模量2.1×1011Pa，泊松比0.312 5，鋼結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)內(nèi)損耗因子根據(jù)圓柱形鋼板內(nèi)損耗經(jīng)驗(yàn)公式確定：

得到鋼板內(nèi)損耗因子如圖3 所示。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)損耗因子Fig.3 Damping loss factor in steel structure

耐壓殼內(nèi)氣體為空氣，密度為1.21 kg/cm3，輕殼體外部為海水，采用半無(wú)限流子系統(tǒng)模擬，海水聲速為1 500 m/s,密度為1 021 kg/cm3。耐壓殼和輕殼體間填充高壓空氣以平衡輕殼體承受的海水靜水壓力。由于潛艇常見(jiàn)下潛深度為80 m，故根據(jù)80 m 深度靜水壓力值計(jì)算高壓空氣密度和聲速。此時(shí)輕殼體承受靜水壓力值為P1=ρwgh（ρw=1.021×103kg/m3；g=9.8 N/kg；h=80 m），空氣氣墊內(nèi)須充入充足的氣體來(lái)平衡潛艇下潛帶來(lái)的靜水壓力，故輕殼體壁承受的內(nèi)外壓強(qiáng)應(yīng)相等，有P2=P1，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程公式：

可得ρ氣=9.515 1 kg/m3。由

可得c1=343.261 4 m/s。其中：P1為水深80 m 處的水壓對(duì)空氣氣墊造成的壓強(qiáng)；P2為空氣氣墊內(nèi)氣體對(duì)氣墊造成的壓強(qiáng)（假設(shè)是理想均勻氣體）；ρw為海水密度；h為水深長(zhǎng)度；ρa(bǔ)為空氣氣墊層內(nèi)氣體聲速；Mmol為空氣摩爾質(zhì)量；R為理想氣體常數(shù)；T為理想氣體的熱力學(xué)溫度；c1為氣墊夾層內(nèi)的氣體聲速；對(duì)于空氣γ=1.402。

理論上模型聲腔子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子可在混響室內(nèi)根據(jù)公式計(jì)算[10]，即

求得聲腔內(nèi)損耗因子如圖4 所示。

圖4 聲腔內(nèi)損耗因子Fig.4 Acoustic cavity damping loss factor

進(jìn)行統(tǒng)計(jì)能量法求解前先需確定模型分析頻率范圍。對(duì)分析頻率的選取需根據(jù)各系統(tǒng)模態(tài)數(shù)確定，圖5為各子系統(tǒng)模態(tài)數(shù)。

圖5 各子系統(tǒng)模態(tài)數(shù)Fig.5 Number of modes of each subsystem

根據(jù)模態(tài)數(shù)有以下劃分標(biāo)準(zhǔn)：N≥5為高頻區(qū)；2

2 氣墊結(jié)構(gòu)隔聲效果

通過(guò)VA One 軟件，分別建立有無(wú)氣墊結(jié)構(gòu)艙段模型，對(duì)耐壓殼中心位置進(jìn)行單位白噪聲激勵(lì)，并通過(guò)SEA 法進(jìn)行聲學(xué)響應(yīng)計(jì)算，結(jié)果如圖6 所示。

由圖6 可以看出，由于鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)損耗因子在中高頻段顯著降低，故在計(jì)算頻域內(nèi)隨著頻率增加，聲壓級(jí)總體呈上升趨勢(shì)，而氣墊結(jié)構(gòu)較無(wú)氣墊結(jié)構(gòu)SIF 輻射聲壓級(jí)有大幅度降低，證明氣墊結(jié)構(gòu)能夠顯著降低艙段結(jié)構(gòu)聲輻射問(wèn)題。在250 Hz 處，氣墊結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的隔聲低谷，考慮到氣墊結(jié)構(gòu)會(huì)形成“質(zhì)量-彈簧-質(zhì)量”系統(tǒng)從而在一定頻率內(nèi)產(chǎn)生共振，對(duì)雙層板結(jié)構(gòu)的共振頻率進(jìn)行求解。雙層板結(jié)構(gòu)的共振頻率可由下式計(jì)算[11]，即

圖6 有無(wú)氣墊結(jié)構(gòu)SIF 聲壓級(jí)Fig.6 SIF sound pressure level with or without air cushion structure

其中：1.8 為從經(jīng)驗(yàn)中引入的常數(shù)；m1，m2分別對(duì)應(yīng)輕殼體和耐壓殼的面密度，kg/m2；b為氣墊層厚度，m；c為氣體聲速，m/s。經(jīng)計(jì)算f0=262.8 Hz，與圖中仿真結(jié)果相符，較好地解釋了250 Hz 時(shí)的隔聲低谷段原因。

總體來(lái)看，由于氣墊結(jié)構(gòu)的特殊性，一方面通過(guò)高密度空氣層撐起輕殼體結(jié)構(gòu)，從而中間層無(wú)需聲橋結(jié)構(gòu)，極大降低了氣墊結(jié)構(gòu)的振動(dòng)傳遞能力；另一方面利用結(jié)構(gòu)、空氣、海水等介質(zhì)聲阻抗的多重大失配，極大隔離艙段內(nèi)機(jī)械系統(tǒng)噪聲向海水中的傳遞，從而大幅降低了聲輻射，再者輕殼體和耐壓殼之間采用不同的厚度，從而使兩結(jié)構(gòu)的臨界頻率相互錯(cuò)開(kāi)，降低隔聲低谷峰值。而仿真結(jié)果也印證了氣墊結(jié)構(gòu)在提高潛艇聲隱身性能上的極大工程應(yīng)用前景。

3 氣墊設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)隔聲性能的影響規(guī)律

可設(shè)計(jì)性是氣墊結(jié)構(gòu)的一大優(yōu)勢(shì)，對(duì)于氣墊結(jié)構(gòu)圓柱殼，盡管基體和材料相同，但是通過(guò)改變殼體結(jié)構(gòu)與厚度、氣墊空氣層厚度、空氣層壓強(qiáng)和敷設(shè)吸聲材料，就可能使結(jié)構(gòu)的固有頻率，彈性模量、阻抗等改變，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)隔聲性能。所以，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)氣墊設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)隔聲性能的影響規(guī)律進(jìn)行研究很有必要。

3.1 輕殼體結(jié)構(gòu)與厚度

耐壓殼為保持結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)與厚度往往不可隨意更改，可設(shè)計(jì)性較差，故就輕殼體結(jié)構(gòu)和厚度對(duì)氣墊結(jié)構(gòu)的隔聲性能影響做定量分析。工程上輕殼體常采用單層板或三明治蜂窩板結(jié)構(gòu)形式，厚度一般在8～10 mm 左右。本文采用VA One 軟件平臺(tái)所內(nèi)置的2 種蜂窩夾層板參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)控制變量法，分別對(duì)不同結(jié)構(gòu)和厚度下的輕殼體對(duì)SIF的輻射聲壓級(jí)進(jìn)行響應(yīng)計(jì)算，其中蜂窩夾層板外層采用鋼材料，芯板采用蜂窩材料，蜂窩材料①密度為48 kg/m3，楊氏模量為3×107pa,泊松比為0.2；蜂窩材料②為正交各向異性材料，密度為160 kg/m3，楊氏模量E1=2.07×108pa，E2=E3=3.22×108，泊松比為0.15，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 不同輕殼體結(jié)構(gòu)與厚度下SIF 聲壓級(jí)Fig.7 SIF sound pressure level under different exostructure light shell structure and thickness

由圖7 可以看出，改變輕殼體結(jié)構(gòu)對(duì)隔聲性能影響較大。其中，整體上采用蜂窩材料①的輕殼體隔聲效果優(yōu)于采用蜂窩材料②的輕殼體；采用相同蜂窩狀材料的輕殼體，鋼材料厚度越高，氣墊結(jié)構(gòu)隔聲效果越好。在相同結(jié)構(gòu)的前提下，改變輕殼體厚度對(duì)隔聲性能的影響不顯著。

總體而言，相同結(jié)構(gòu)下，輕殼體厚度越低，則隔聲效果越佳；低頻段采用鋼板結(jié)構(gòu)的輕殼體具有更加良好的隔聲性能，中頻段則是采用結(jié)構(gòu)為蜂窩材料①和更高的鋼材料厚度的輕殼體表現(xiàn)出更好的隔聲能力。

3.2 氣墊空氣層厚度

氣墊空氣層即耐壓殼與輕殼體之間的高壓氣體層，通過(guò)阻抗失配的原理降低艙段結(jié)構(gòu)聲輻射，研究該氣體層的厚度對(duì)于氣墊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)隔聲性能的影響規(guī)律具有指導(dǎo)性意義。由于輕殼體面積較大且除兩端外無(wú)聲橋結(jié)構(gòu)，需靠高壓氣體撐起整個(gè)結(jié)構(gòu)，所以該層厚度需控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。若空氣層太厚，則輕殼體面臨擠壓變形的風(fēng)險(xiǎn)，太薄則無(wú)法凸顯阻抗失配的效果，故選取厚度為10～20 mm，采取控制變量法，將空氣層厚度作為變量，計(jì)算氣墊結(jié)構(gòu)向半無(wú)限流體的輻射聲壓，結(jié)果如圖8 所示。

由式（5）可知，改變氣墊層厚度后會(huì)影響到結(jié)構(gòu)共振頻率。從圖8 可看到，由于分析采用1/3 倍頻程，故不能直觀地觀測(cè)到共振頻率點(diǎn)變化情況，但根據(jù)250 Hz 輻射聲壓級(jí)峰值的明顯變化也可側(cè)面驗(yàn)證共振頻率變化，符合預(yù)期。

圖8 不同氣墊層厚度SIF 聲壓級(jí)Fig.8 Different air cushion thickness SIF sound pressure level

總體而言，氣墊厚度對(duì)于輻射聲壓的影響與頻段相關(guān)。減少氣墊層厚度，能在一定程度上提高低頻段結(jié)構(gòu)隔聲性能?？紤]到潛艇工作環(huán)境的變化，實(shí)際工程應(yīng)用上還需根據(jù)工程實(shí)際性能要求合理設(shè)計(jì)氣墊層厚度。

3.3 下潛深度

潛艇的工作環(huán)境一般在水下，當(dāng)潛艇下潛深度改變時(shí)，輕殼體承受的靜水壓力也隨之改變，此時(shí)為平衡靜水壓力向空氣氣墊層動(dòng)態(tài)的充入或排出部分氣體，造成空氣氣墊層特性阻抗改變。為探究不同下潛深度下的氣墊結(jié)構(gòu)隔聲效果，在潛艇常見(jiàn)工作深度范圍30～300 m 內(nèi)取值，采用控制變量法，將下潛深度作為變量，根據(jù)式(2)和式(3)計(jì)算出此時(shí)空氣氣墊層密度與聲速，計(jì)算氣墊結(jié)構(gòu)向半無(wú)限流體的輻射聲壓，結(jié)果如圖9 所示。

圖9 不同下潛深度SIF 聲壓級(jí)Fig.9 SIF sound pressure levels at different diving depths

由圖9 可知，不同下潛深度下，輻射聲壓級(jí)曲線走勢(shì)整體相同，40～4 000 Hz 內(nèi)下潛深度越深，輻射聲壓級(jí)總體上相對(duì)越高，4 000～10 000 Hz 時(shí)曲線走勢(shì)則逐漸呈相反趨勢(shì)，可見(jiàn)在中低頻段，潛艇下潛深度越淺，氣墊層聲學(xué)特性阻抗越小，阻抗失配越明顯，氣墊隔聲性能越好，高頻段則相反。

3.4 敷設(shè)吸聲

敷設(shè)吸聲材料是降低水下聲輻射的常見(jiàn)手段，與空氣吸聲材料不同，水下吸聲材料要面臨靜水壓力和海水等特殊環(huán)境，因而對(duì)吸聲材料也具有特殊要求。本文選取常見(jiàn)的幾種水下吸聲材料（橡膠類、聚氨酯類）敷設(shè)于輕殼體外表面，通過(guò)半無(wú)限流體處聲壓級(jí)的變化規(guī)律探究吸聲材料對(duì)氣墊結(jié)構(gòu)隔聲性能的影響規(guī)律，結(jié)果如圖10 所示。

圖10 不同吸聲材料SIF 聲壓級(jí)對(duì)比圖Fig.10 Comparison diagram of SIF sound pressure levels of different sound absorbing materials

由圖10 可以看出，單獨(dú)加入橡膠類吸聲材料后SIF 輻射聲壓級(jí)較之前平均下降2 dB，提升不明顯，這是由于上述橡膠的聲阻抗與海水特性阻抗接近，聲波能夠無(wú)反射或低反射地透過(guò)橡膠類材料從而輻射向海水中，所以在降低聲輻射的效果上影響不顯著，并且不同橡膠材料的隔聲效果在中低頻上相差不大，在3 150～10 000 Hz 間，丁基橡膠則表現(xiàn)出相對(duì)其他類型橡膠更好的隔聲效果。

單獨(dú)加入聚氨酯類吸聲材料后，由于聚氨酯類材料優(yōu)良的阻尼特性和多孔狀粘彈吸聲性能，使得輻射聲壓級(jí)大幅度降低，在高頻范圍，隔聲效果尤為顯著，具有很好的水下隔聲效果。在實(shí)際工程應(yīng)用中，考慮到聚氨酯類材料在承受高強(qiáng)度靜水壓力時(shí)，材料內(nèi)孔腔結(jié)構(gòu)會(huì)壓縮變形，隔聲性能受到影響，所以加入混合類吸聲材料的研究。由圖10 還可以看出，將橡膠和聚氨酯材料混合敷設(shè)后，比單純橡膠類吸聲材料的隔聲效果更好，整體輻射聲壓級(jí)曲線與聚氨酯類材料相似，與具體橡膠種類相關(guān)性不大。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出氣墊艙段隔聲結(jié)構(gòu)，通過(guò)建立仿真模型和聲學(xué)計(jì)算，驗(yàn)證了氣墊結(jié)構(gòu)隔聲效果，并對(duì)SIF 輻射聲壓級(jí)變化曲線進(jìn)行理論解釋。針對(duì)氣墊結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性特點(diǎn)，通過(guò)控制變量法定量改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)，研究氣墊結(jié)構(gòu)隔聲影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1）改變輕殼體材料結(jié)構(gòu)可以顯著影響結(jié)構(gòu)隔聲效果，其中采用三明治板結(jié)構(gòu)時(shí)，內(nèi)芯宜采用蜂窩材料①，上下層鋼材料厚度越高，則結(jié)構(gòu)隔聲性能越好；改變輕殼體厚度對(duì)結(jié)構(gòu)隔聲性能影響不明顯。

2）氣墊空氣層厚度對(duì)隔聲性能的影響與頻率有關(guān)，低頻段氣墊層厚度越低，隔聲性能越好。改變氣墊層厚度會(huì)影響結(jié)構(gòu)共振頻率，導(dǎo)致隔聲低谷段發(fā)生偏移。

3）潛艇下潛深度主要改變的是空氣氣墊層聲學(xué)特性阻抗，下潛深度越深，則特性阻抗越高，阻抗失配越明顯。同時(shí)下潛深度對(duì)隔聲性能影響跟頻率相關(guān)，下潛深度越淺，則會(huì)顯著提升中低頻段氣墊隔聲效果，惡化高頻段氣墊隔聲效果。

4）在輕殼體外側(cè)敷設(shè)吸聲材料可優(yōu)化結(jié)構(gòu)的隔聲性能，具體優(yōu)化效果與吸聲材料相關(guān)，不同橡膠結(jié)構(gòu)在中低頻段隔聲效果基本相同，平均可以降低2 dB的輻射噪聲，高頻段丁基橡膠相對(duì)于其他種類橡膠具有更好的隔聲性能。單獨(dú)敷設(shè)聚氨酯可大幅度提高結(jié)構(gòu)的隔聲性能，針對(duì)中高頻隔聲效果尤為突出。同時(shí)敷設(shè)聚氨酯和橡膠結(jié)構(gòu)的總體聲壓級(jí)曲線走勢(shì)與聚氨酯結(jié)構(gòu)輻射聲壓級(jí)曲線走勢(shì)相似，隔聲效果較單獨(dú)敷設(shè)聚氨酯時(shí)低，但混合結(jié)構(gòu)總體的隔聲穩(wěn)定性較強(qiáng)，材料不容易壓縮變形，實(shí)際工程中可根據(jù)工作環(huán)境擇優(yōu)選取吸聲材料。