羅馬奇，郝浩琦，寇紅軍，汲長遠(yuǎn)，吳友亮

(杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所，浙江杭州 311400)

0 引 言

單殼體和雙殼體是潛艇的兩種典型結(jié)構(gòu)形式。單殼體潛艇殼體內(nèi)側(cè)為空氣時(shí)，反射波與入射波相干會(huì)形成連續(xù)變化的聲壓信號(hào)增益。雙殼體潛艇的耐壓殼外還有一層薄外殼，兩層殼體間含有水層，在外殼附近反射聲波和入射聲波疊加形成的駐波使聲壓信號(hào)增益在某些頻點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生正負(fù)突變。當(dāng)水聽器陣直接安裝于外殼上時(shí)，會(huì)帶來水聽器接收聲信號(hào)的明顯起伏。

聲障板是水下聲系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，在水聽器陣中起屏蔽噪聲、隔振去耦、反射或吸收聲波的作用，可改善水聽器的指向性、提高信號(hào)增益。從功能上劃分，聲障板主要可分為反聲障板和吸聲障板。反聲障板為了能夠?qū)⑷肷渎暡ūM可能地反射出去，要求其特性阻抗與水的特性阻抗嚴(yán)重失配且聲衰減較小。對(duì)于水聲中的運(yùn)用，低密度和低聲速的反聲材料比高密度和高聲速的反聲材料更具使用價(jià)值。由于空氣中的密度和聲速比水中的密度和聲速小很多，對(duì)水聲來說空氣是理想的反聲材料，尤其對(duì)于低頻段，大型空氣腔障板具備明顯的優(yōu)勢(shì)，但不耐壓。硬質(zhì)泡沫塑料是一類應(yīng)用較為廣泛的反聲材料，其中經(jīng)預(yù)壓縮的硬質(zhì)聚氨酯泡沫，其聲速可降低到420～480 m·s-1，特性阻抗小于0.135×106kg·m-2·s，能夠滿足300 m 水深使用要求[1]。還有一種帶圓柱空腔結(jié)構(gòu)橡膠層的復(fù)合障板，通過其內(nèi)部的空腔尺寸和穿孔系數(shù)的設(shè)計(jì)，在降低障板等效密度的同時(shí)有效降低障板的等效聲速，使障板與水的特性阻抗明顯失配，以獲得較好的應(yīng)用[2-3]。吸聲障板為了能更好地吸收聲能，要求障板材料特性阻抗與水的特性阻抗匹配，使聲波能無反射地進(jìn)入障板，同時(shí)要求材料有足夠的內(nèi)部損耗，使進(jìn)入材料內(nèi)部的聲波有效地衰減。從材料本身來說，既要特性阻抗與水匹配，又要高內(nèi)耗，這是難以實(shí)現(xiàn)的，需要結(jié)合障板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來達(dá)到。目前吸聲構(gòu)件主要有兩種類型，一種是阻抗過渡型，以尖劈和圓錐為代表；另一種是空腔諧振型，其表面為平板，內(nèi)部均勻分布各類空腔結(jié)構(gòu)[4-8]。受尺寸限制，吸聲障板的低頻吸聲效果不夠理想，為提高低頻的吸聲性能，目前超材料在水下的應(yīng)用研究較為活躍[9-13]。

本文根據(jù)單雙殼體聲場(chǎng)特點(diǎn)，采用不同的反聲和吸聲障板，計(jì)算貼覆障板前后殼體近表面處的聲場(chǎng)，分析聲障板對(duì)聲壓增益的影響，為水聽器陣背面聲障板設(shè)計(jì)提供參考。

1 理論推導(dǎo)

為簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)平面聲波以垂直角度入射多層結(jié)構(gòu)，其聲壓反射系數(shù)可以通過多層介質(zhì)中聲波傳遞特性進(jìn)行推導(dǎo)[14]。多層介質(zhì)中的聲傳播示意圖如圖1 所示，假設(shè)0 和n+1 為兩種半無限介質(zhì)，中間為n層介質(zhì)，當(dāng)平面聲波pin從介質(zhì)0中垂直入射到n層介質(zhì)時(shí)，由于相鄰介質(zhì)之間特性阻抗ρc不一樣，會(huì)在分界面上產(chǎn)生反射波pr和透射波pt，經(jīng)多次的反射和透射后，有一部分聲波pr0反射回介質(zhì)0中，而另一部分聲波pt(n+1)透過n層介質(zhì)進(jìn)入其背面的n+1介質(zhì)中。在半無限介質(zhì)0中聲場(chǎng)聲壓p0可表示為

圖1 多層介質(zhì)中聲傳播示意圖Fig.1 Schematic diagram of sound propagation in multilayer medium

式中：pina、pr0a分別為入射波pin和介質(zhì)0中反射波pr0的幅度，k0為介質(zhì)0的波數(shù)。

介質(zhì)1中聲場(chǎng)聲壓p1可表示為

式中：pt1a，pr1a分別為介質(zhì)1 中透射波pt1和反射波pr1的幅度，k1為介質(zhì)1的波數(shù)。依次類推，對(duì)于中間任意第i層中聲場(chǎng)聲壓pi可表示為

對(duì)于半無限介質(zhì)n+1中聲場(chǎng)，因無反射波，聲壓pn+1可表示為

由平面波性質(zhì)，相應(yīng)介質(zhì)0，1，i，n+1中的質(zhì)點(diǎn)速度υ0，υ1，υi，υn+1分別表示為

式中：Z0、Z1和Zn+1為對(duì)應(yīng)層介質(zhì)的特性阻抗，Zi為中間任意第i層介質(zhì)的特性阻抗。

由聲學(xué)邊界條件可知，介質(zhì)0 邊界上的阻抗Z|0，x=0與介質(zhì)1前邊界上的輸入阻抗相等，即：

將式(1)和式(5)代入式(6)，可得：

由式(7)，平面聲波垂直入射多層介質(zhì)時(shí)的聲壓反射系數(shù)r可表示為

同樣，介質(zhì)1 后邊界上的阻抗Z|1，x=x1與介質(zhì)2前邊界上的輸入阻抗相等，可得：

將式(2)和式(5)代入式(9)，且x1=d1，可得：

由和(7)和式(10)可推導(dǎo)出阻抗轉(zhuǎn)移定理[15]：

式(11)經(jīng)換算可表示為

從式(12)可以看出，除了與Z1、有關(guān)，還與介質(zhì)1 中的聲波波數(shù)k1以及該層的厚度d1有關(guān)。以此類推，對(duì)于中間其他任意第i層的Z(i)in，可表示為

式中：Zi為第i層介質(zhì)的特性阻抗，ki為第i層介質(zhì)中聲波波數(shù)，di為第i層介質(zhì)的厚度；為介質(zhì)i+1 前邊界的輸入阻抗，其中為介質(zhì)n+1 的特性阻抗Zn+1。

通過式(8)、(12)、(13)，確定了各層介質(zhì)的特性阻抗、波數(shù)和厚度，即可求得聲波垂直入射多層結(jié)構(gòu)時(shí)的聲壓反射系數(shù)。

相對(duì)于入射聲波，經(jīng)多層介質(zhì)反射后，在介質(zhì)0中距x=0邊界d0(x=-d0)處的聲壓增益G可表示為

這里需要指出的是，當(dāng)某層介質(zhì)的聲衰減可忽略時(shí)，其波數(shù)為k=ωc。若某層介質(zhì)的聲衰減不可忽略時(shí)，其聲速和波數(shù)均為復(fù)數(shù)，可表示為[16]

式中：SRe、SIm分別為體積縱波模量的實(shí)部和虛部；ηs=SImSRe，為體積縱波模量損耗因子。對(duì)式(15)中復(fù)數(shù)進(jìn)行開方運(yùn)算可得：

可表示為[16]

式中：β為相位常數(shù)，α為衰減常數(shù)。將式(16)代入式(17)可得：

式中：c′為損耗因子等于0 時(shí)介質(zhì)中的聲速，cl為有損耗介質(zhì)中縱波的傳播速度(相速度)。由式(17)、(18)可知，確定了介質(zhì)的密度、縱波模量及損耗因子，或介質(zhì)中的聲傳播速度及衰減常數(shù)即可求得介質(zhì)中聲波波數(shù)。另外，均勻材料的體積縱波模量、楊氏模量、剪切模量、泊松比等之間的換算關(guān)系在水聲材料相關(guān)著作[16-17]中都有表述，在已知其他彈性模量、泊松比、密度的情況下也可求得介質(zhì)中的聲速和波數(shù)。

2 單雙殼體的聲場(chǎng)特性計(jì)算及分析

利用上文中推導(dǎo)的公式，計(jì)算單雙殼體前表面附近的聲場(chǎng)特性，分析單雙殼體結(jié)構(gòu)尺寸變化對(duì)聲信號(hào)增益的影響。單層殼體的結(jié)構(gòu)如圖2所示，殼體的材料為鋼板，外側(cè)是水，內(nèi)側(cè)是空氣。設(shè)水的聲速和密度分別為1 500 m·s-1和1 000 kg·m-3，鋼的聲速和密度分別為5 940 m·s-1和7 840 kg·m-3，空氣的聲速和密度分別為340 m·s-1和1.29 kg·m-3。

圖2 單層殼體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of single-layer shell structure

當(dāng)平面聲波從水中垂直入射殼體時(shí)，經(jīng)計(jì)算在距殼體d0=20 mm處(水聽器安裝位置)不同殼體厚度時(shí)聲場(chǎng)的聲壓增益G如圖3所示，平面聲波頻率范圍為100～10 000 Hz、分辨率為10 Hz(下文相同)。從圖3可以看出，受殼體反射聲波的影響，頻率在1 kHz 以上聲壓為正增益，且增益變化比較平緩，頻率在1 kHz以下隨著頻率降低聲壓增益逐步變?yōu)樨?fù)值。不同厚度殼體對(duì)頻率為2 kHz以上的聲壓增益影響不大，2 kHz以下隨著殼體厚度的增加正增益向低頻擴(kuò)展。單殼體內(nèi)部空間對(duì)于安裝在其外表面的水聽器陣來說，相當(dāng)于大型空氣反聲障板。

圖3 不同厚度的殼體在距前表面20 mm處聲壓增益Fig.3 Sound pressure gains at 20 mm from the front surface of shells with different thicknesses

假設(shè)殼體的厚度為30 mm，圖4為殼體近表面不同距離處聲場(chǎng)的聲壓增益G的變化情況。從圖4中可以看出，在20 mm以內(nèi)，間距變化對(duì)分析頻段內(nèi)聲壓增益的影響較小。隨著間距的增加，對(duì)高頻段聲壓增益的影響會(huì)加大，間距為40 mm 時(shí)頻率10 kHz 附近會(huì)出現(xiàn)凹點(diǎn)、產(chǎn)生正負(fù)突變，間距為50 mm時(shí)凹點(diǎn)出現(xiàn)在頻率8 kHz附近，可以推測(cè)當(dāng)間距繼續(xù)變大時(shí)凹點(diǎn)會(huì)向低頻移動(dòng)。因此，在安裝水聽器時(shí)，水聽器距殼體間距不宜過大，否則該處某頻點(diǎn)附近聲信號(hào)起伏太大，會(huì)對(duì)水聽器接收聲信號(hào)帶來不利影響。

圖4 距離殼體不同位置處聲壓增益Fig.4 Sound pressure gains at different positions from the shell

雙層殼體的結(jié)構(gòu)如圖5所示，耐壓內(nèi)殼外還有一層薄的非耐壓外殼，二者之間為水介質(zhì)層。當(dāng)平面聲波從水中垂直入射雙層殼體時(shí)，聲波一部分從非耐壓外殼殼體反射回水中，另一部分進(jìn)入中間水層，并在耐壓內(nèi)殼處反射回到非耐壓外殼，再經(jīng)非耐壓外殼殼體進(jìn)入水中，計(jì)算距殼體d0=20 mm 處(水聽器安裝位置)聲場(chǎng)的聲壓增益G。

圖5 雙層殼體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of double-layer shell structure

設(shè)耐壓內(nèi)殼和非耐壓外殼間的間距為800 mm，采用不同厚度的耐壓內(nèi)殼和非耐壓外殼，聲壓增益G的變化情況如圖6 所示。從圖6 中可以看出，不同厚度耐壓內(nèi)殼和非耐壓外殼組合，其聲壓增益變化基本相同，聲壓增益都存在周期性的正負(fù)突變且發(fā)生突變的頻率點(diǎn)接近。這種情況主要是由于在選取的厚度范圍內(nèi)，耐壓內(nèi)殼反射波相位變化較小，非耐壓外殼在該頻段內(nèi)透聲系數(shù)較高，入射波和耐壓內(nèi)殼處反射波相干疊加引起了聲壓增益突變，非耐壓外殼主要起改變反射波相位的作用。

圖6 不同厚度的雙殼體在距前表面20 mm處聲壓增益Fig.6 Sound pressure gains at 20 mm from the front surface of double-layer shells with different thicknesses

設(shè)耐壓內(nèi)殼厚度為30 mm，非耐壓外殼厚度為10 mm。耐壓內(nèi)殼和非耐壓外殼之間的間距變化對(duì)聲壓增益G的影響情況如圖7所示。從圖7中可以看出，隨著非耐壓殼和耐壓殼體之間的間距變大，聲壓增益的正負(fù)突變周期變小。該情況主要由反射波與入射波相位的變化引起。對(duì)于極低頻率，殼體、障板所選取厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長，基本為全透，聲波到達(dá)空氣界面時(shí)，作為軟邊界則相位反相，與入射波形成反相消干涉疊加，當(dāng)與入射波同相則相長干涉疊加逐漸到達(dá)極大值，當(dāng)間距一定時(shí)，繼續(xù)增大頻率則又會(huì)出現(xiàn)反相干涉疊加形成第1 個(gè)凹點(diǎn)。此時(shí)內(nèi)外殼體間距(加上近表面距離)約為該頻率處水中波長的1/4，同時(shí)可知在該頻率的倍頻程附近同樣會(huì)出現(xiàn)凹點(diǎn)，整體呈周期性變化，雙殼體間距越大，則第1 個(gè)凹點(diǎn)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的頻率也越小，周期變小。

圖7 不同間距的雙殼體在距前表面20 mm處聲壓增益Fig.7 Sound pressure gains at 20 mm from the front surface of double-layer shells with different spacing

3 殼體貼覆反聲障板的聲場(chǎng)特性計(jì)算及分析

第2 節(jié)計(jì)算分析了單雙殼體近表面聲場(chǎng)特性，單殼體在頻率1 kHz以上聲壓為正增益，且增益變化比較平緩，內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)對(duì)于安裝在其外表面的水聽器陣來說是理想的反聲障板，而雙殼體存在周期性正負(fù)突變的聲壓增益，對(duì)于水聽器的信號(hào)接收是非常不利的。如前所述，反聲障板可起到反射聲波的作用，在非耐壓外殼表面貼覆反聲障板，可以將大部分入射聲波反射，同時(shí)屏蔽背面噪聲，從而改善雙殼體的聲場(chǎng)環(huán)境。現(xiàn)以具有一定代表性的兩種反射障板進(jìn)行計(jì)算和分析。

3.1 泡沫反聲障板

對(duì)于泡沫材料，想要提高其反聲能力，可以從降低密度或聲速兩方面考慮。在泡沫材料制備成型過程中內(nèi)部生成的大量氣泡或氣孔，可有效降低材料的密度，密度越低反聲效果越好，低密度的泡沫材料密度可以做到小于100 kg·m-3。但降低密度的同時(shí)還需考慮耐壓能力，否則水下使用深度十分受限。為實(shí)現(xiàn)特性阻抗的失配，只降低密度是不夠的，材料的聲速也須減小，否則影響反聲效果，如玻璃微珠復(fù)合材料，密度低、抗壓能力強(qiáng)，是理想的浮力材料，但其聲速較高，經(jīng)測(cè)量大于2 000 m·s-1，因此該復(fù)合材料的特性阻抗與水的特性阻抗相差不大，不是理想的反聲材料。上文提到，國內(nèi)已研制出的預(yù)壓縮的硬質(zhì)聚氨酯泡沫聲速可減小至420～480 m·s-1，特性阻抗小于0.135×10 kg·m-2·s。設(shè)該聚氨酯泡沫的密度為300 kg·m-3，聲速為450 m·s-1，損耗因子為0.2，選取30、50和75 mm三種厚度作為反聲障板(不考慮防水層)，當(dāng)障板前后都為水時(shí)計(jì)算得到的聲壓反射系數(shù)如圖8所示。從圖8中可以看出，三種厚度反聲障板的聲壓反射系數(shù)可達(dá)到90%以上。但在某些頻點(diǎn)聲波的半波長與厚度相同時(shí)存在凹點(diǎn)。該凹點(diǎn)深度與材料的損耗因子有關(guān)，若材料的損耗因子為0，則凹點(diǎn)處聲壓反射系數(shù)也為0，即變?yōu)槿嘎?。因此，如作為寬頻帶反聲障板使用，泡沫材料的損耗因子不能太低。從圖8中還可看出，反聲障板越厚則低頻處的反聲效果越好，而隨著反聲障板厚度的增加則滿足半波長的頻點(diǎn)會(huì)增多，相應(yīng)的凹點(diǎn)數(shù)量也會(huì)增加。如果要避免高頻段出現(xiàn)凹點(diǎn)可以進(jìn)一步減小反聲障板厚度，但低頻處的反聲效果會(huì)變差。

圖8 不同厚度泡沫反聲障板的聲壓反射系數(shù)Fig.8 Sound pressure reflection coefficients of the foam sound-reflection baffles with different thicknesses

將這三種厚度的反聲障板分別貼覆在單殼體表面(設(shè)殼體厚度為30 mm，下文同)，則離障板20 mm處的聲壓增益如圖9所示。與未貼覆障板的結(jié)果(圖3)相比，在1～6 kHz 頻段聲壓從正增益變?yōu)樨?fù)增益，并在1 kHz 附近呈現(xiàn)最小值。同時(shí)，在3 kHz 以上高頻段某些頻點(diǎn)處聲壓增益存在小的起伏。由比較結(jié)果可知，在單殼體表面貼覆反聲障板，并不能提高聲壓增益，反而在較寬的頻段內(nèi)出現(xiàn)了負(fù)增益，因此從提高水聽器接收聲信號(hào)能力角度考慮是不利的。如果殼體本身存在振動(dòng)輻射噪聲，貼覆反聲障板可起到一定的降噪作用，可以提高水聽器的信噪比。

圖9 不同厚度泡沫反聲障板對(duì)單殼體前表面聲壓增益的影響Fig.9 Influences of the foam sound-reflection baffles with different thicknesses on the sound pressure gain of front surface of the single shell

將這三種厚度的反聲障板分別貼覆在雙殼體的非耐壓外殼表面(設(shè)耐壓內(nèi)殼厚度為30 mm、非耐壓外殼厚度為10 mm、間距為800 mm，下文同)，則離障板20 mm 處的聲壓增益如圖10 所示。與未貼覆障板的結(jié)果(圖6)相比，整體上聲壓增益正負(fù)突變得到明顯改善，在頻率6 kHz 以上突變已很小，變化幅度基本上在3 dB以內(nèi)，而6 kHz以下某些頻率點(diǎn)的突變?nèi)匀惠^大且主要為負(fù)增益。從計(jì)算結(jié)果可以看出，在選用的這三種厚度范圍內(nèi)，工作頻段在6 kHz以上宜采用該類反聲障板。

圖10 不同厚度泡沫反聲障板對(duì)雙殼體前表面聲壓增益的影響Fig.10 Influences of the foam sound-reflection baffle with different thicknesses on the sound pressure gain of front surface of the double shell

3.2 多層橡膠復(fù)合反聲障板

多層橡膠復(fù)合反聲障板采用帶圓柱通道的橡膠板與金屬薄板復(fù)合而成[18]。橡膠板的結(jié)構(gòu)如圖11所示，在橡膠板的內(nèi)部均勻排布貫穿兩面的圓柱通道，a為圓柱通道的直徑，b為圓柱通道的中心間距，n為橡膠板的厚度，其平均密度ρ為

圖11 帶圓柱通道的橡膠板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.11 Schematic diagram of rubber plate structure with cylindrical channels

式中：ρ0為橡膠基材的密度；ε2=a2/b2，為穿孔系數(shù)。

當(dāng)平面聲波入射橡膠板時(shí)，其內(nèi)部的圓柱通道能夠?qū)Ⅲw積形變向切向形變轉(zhuǎn)換，使橡膠板的等效聲速降低。橡膠板的等效彈性模量E和等效聲速c計(jì)算公式為[2-3,16]

式中：μ0為橡膠基材的切變模量。在高靜水壓時(shí)需對(duì)式(20)進(jìn)行修正。

假設(shè)反聲障板采用四層橡膠板與薄鋼板復(fù)合而成，橡膠板單層厚度為12 mm，橡膠基材密度為1 250 kg·m-3、剪切模量為6.0+j2.4 MPa，兩側(cè)鋼板厚度為2 mm、中間鋼板厚度為1 mm，鋼板的密度和聲速與上文相同。當(dāng)障板前后介質(zhì)都為水時(shí)，同樣采用按照多層介質(zhì)中聲傳播特性推導(dǎo)的公式，計(jì)算不同穿孔系數(shù)橡膠板制成的反聲障板的聲壓反射系數(shù)，結(jié)果如圖12所示。從圖12中可以看出，反聲障板具有寬頻帶的聲反射性能，在頻率2 kHz附近有個(gè)較明顯的凹點(diǎn)，同時(shí)隨著橡膠板穿孔系數(shù)ε的增大，反聲障板的平均聲壓反射系數(shù)和帶寬有明顯提升，凹點(diǎn)向低頻移動(dòng)。

圖12 不同穿孔系數(shù)橡膠板制成的反聲障板的聲壓反射系數(shù)Fig.12 Sound pressure reflection coefficients of the soundreflection baffle made of rubber plate with different perforation coefficients

采用穿孔系數(shù)ε=0.45 的橡膠板，分別計(jì)算含2 層、4 層和6 層橡膠板的反聲障板的聲壓反射系數(shù)，以觀察不同橡膠板層數(shù)對(duì)障板反聲性能的影響。同樣當(dāng)障板前后介質(zhì)都為水時(shí)，計(jì)算結(jié)果如圖13所示。從圖13中可以看出，在頻率4 kHz以上橡膠板層數(shù)對(duì)反聲性能基本沒有影響；在頻率4 kHz以下聲壓反射系數(shù)的變化較為明顯。增加橡膠層數(shù)對(duì)低頻反聲有利，并且聲壓反射系數(shù)的凹點(diǎn)向低頻移動(dòng)。在設(shè)計(jì)障板時(shí)應(yīng)綜合考慮聲性能、尺寸和重量等因素，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

圖13 不同層數(shù)橡膠板制成的反聲障板的聲壓反射系數(shù)Fig.13 Sound pressure reflection coefficients of the soundreflection baffles made of rubber sheets with different layers

同樣以穿孔系數(shù)ε=0.45的橡膠板，分別采用2層、4 層和6 層橡膠板的反聲障板貼覆在單殼體表面，計(jì)算距障板20 mm 處的聲壓增益，結(jié)果如圖14 所示。與未貼覆障板的結(jié)果(圖3)相比，在1～4 kHz頻段之間聲壓從正增益變?yōu)樨?fù)增益，并在頻率500 Hz 附近出現(xiàn)最小值。與貼覆泡沫反聲障板(圖9)相比，高頻部分更為平滑，低頻負(fù)增益及凹點(diǎn)向頻率更低處移動(dòng)，總體性能優(yōu)于泡沫反聲障板的性能。

圖14 不同層數(shù)橡膠板制成的反聲障板對(duì)單殼體前表面聲壓增益的影響Fig.14 Influences of the sound-reflection baffles made of rubber sheets with different layers on the sound pressure gain of front surface of the single shell

將這三種橡膠板層數(shù)的反聲障板貼覆在雙殼體的非耐壓外殼表面，計(jì)算距障板20 mm處的聲壓增益，結(jié)果如圖15所示。與未貼覆障板的結(jié)果(圖6)相比，整體上聲壓增益正負(fù)突變的情況得到明顯改善，2層橡膠板在頻率3 kHz以上、4層和6層在頻率2 kHz 以上聲壓增益曲線光滑、基本無突變。2層橡膠板在頻率3 kHz 以下、4 層和6 層在頻率2 kHz以下某些頻率點(diǎn)的突變?nèi)暂^大且主要為負(fù)增益。上述不同橡膠板層數(shù)的反聲障板造成聲壓增益變化的差異，與障板的反聲和隔聲能力、反射波與入射波相位相干疊加情況等因素有關(guān)，整體上橡膠板層數(shù)越多聲性能越好。與貼覆泡沫反聲障板的結(jié)果(圖10)相比，在全頻段范圍內(nèi)聲壓增益突變得到進(jìn)一步改善，尤其高頻部分更加平滑，總體性能優(yōu)于泡沫反聲障板。

圖15 不同層數(shù)橡膠板制成的反聲障板對(duì)雙殼體前表面聲壓增益的影響Fig.15 Influences of the sound-reflection baffles made of rubber sheets with different layers on the sound pressure gain of front surface of the double shell

4 殼體貼覆吸聲障板的聲場(chǎng)特性計(jì)算及分析

吸聲障板起到吸收聲波的作用。將吸聲障板貼覆于殼體表面，可以將大部分入射聲波吸收，同時(shí)可以屏蔽背面噪聲，從而改善殼體表面的聲場(chǎng)環(huán)境。從安裝空間和接口方面考慮，平板形吸聲障板更適合作為水聽器陣背面的吸聲障板。平板形吸聲障板可在橡膠基材的內(nèi)部規(guī)整排布喇叭形的空腔來實(shí)現(xiàn)障板的吸聲，其結(jié)構(gòu)如圖16所示。

圖16 平板形吸聲障板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.16 Schematic diagram of flat sound-absorption baffle structure

為計(jì)算平板形吸聲障板的吸聲性能，同樣可采用多層介質(zhì)聲傳播模型，將障板沿水平方向進(jìn)行分層。當(dāng)內(nèi)部空腔形狀函數(shù)確定時(shí)，可分別獲得每一層橡膠的穿孔系數(shù)，根據(jù)式(19)可得到各層橡膠的平均密度ρ。當(dāng)穿孔系數(shù)ε≥0.1 時(shí)，各層橡膠的等效彈性模量E，可按照式(20)計(jì)算得到。當(dāng)穿孔系數(shù)ε＜0.1時(shí)，E的計(jì)算公式為

式中：F(σ)為修正函數(shù)，σ為橡膠材料的泊松比。再根據(jù)式(21)得到各層橡膠的等效聲速c。

當(dāng)吸聲障板背面為空氣時(shí)，其吸聲系數(shù)α計(jì)算公式為

設(shè)橡膠材料的密度為1 240 kg·m-3、剪切模量為6.0+j3.4 MPa、泊松比為0.498 8，采用底部穿孔系數(shù)ε=0.7 的空腔，背面采用2 mm 厚的橡膠層密封空腔，背面為空氣的條件下，計(jì)算50、75 和100 mm三種厚度吸聲障板的吸聲性能，結(jié)果如圖17所示。從圖17 中可以看出，三種厚度吸聲障板的吸聲系數(shù)都可達(dá)到0.9以上，并在低頻端存在一個(gè)吸收峰，同時(shí)隨著厚度增加吸聲性能向低頻擴(kuò)展，吸聲系數(shù)在0.9 以上頻段的低頻點(diǎn)從6 kHz 附近移到了2 kHz附近。

圖17 不同厚度吸聲障板的吸聲系數(shù)Fig.17 Sound absorption coefficients of the soundabsorption baffles with different thicknesses

圖18 計(jì)算了50 mm 厚吸聲障板不同背襯結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)(背襯后面都為空氣)。從圖18中可以看出，吸聲障板背面貼覆不同材料或不同厚度材料對(duì)吸聲性能有顯著的影響。吸聲障板由均勻橡膠板改為鋼板密封空腔時(shí)，吸聲性能向低頻擴(kuò)展，尤其吸收系數(shù)的第一個(gè)峰值明顯向低頻延伸。并且隨著鋼板厚度的增加，吸收峰繼續(xù)向更低頻點(diǎn)移動(dòng)，同時(shí)第一個(gè)吸收峰后的凹點(diǎn)也更低。從整體效果來看，貼覆鋼背襯對(duì)障板的吸聲是有利的。因此，在設(shè)計(jì)和選用吸聲障板時(shí)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用環(huán)境綜合評(píng)價(jià)吸聲障板的吸聲性能更加合理。

圖18 不同背襯結(jié)構(gòu)對(duì)吸聲性能的影響Fig.18 Influences of different backing structures on soundabsorption performance

為分析貼覆不同厚度吸聲障板對(duì)殼體近表面聲壓增益的影響，采用上述三種厚度吸聲障板的聲增益進(jìn)行計(jì)算與分析。將上述三種不同厚度的吸聲障板貼覆在單殼體表面，計(jì)算距障板20 mm處的聲壓增益，結(jié)果如圖19所示。由圖19可知，隨著障板厚度增加正增益向低頻移動(dòng)，同時(shí)負(fù)增益凹谷亦向低頻移動(dòng)。與未貼覆障板的結(jié)果(圖3)相比，在1 kHz頻率附近聲壓增益出現(xiàn)一個(gè)凹谷。與貼覆反聲障板相比，正增益頻段更寬且起伏較小，低頻負(fù)增益凹谷更淺并且頻點(diǎn)從500 Hz附近移到了1 kHz附近。因此，貼覆吸聲障板時(shí)總體性能更優(yōu)。

圖19 不同厚度吸聲障板對(duì)單殼體前表面聲壓增益的影響Fig.19 Influences of the sound-absorption baffles with different thicknesses on the sound pressure gains of the front surface of single shell

同樣將這三種厚度的吸聲障板貼覆在雙殼體的非耐壓外殼表面，計(jì)算距障板20 mm 處的聲壓增益，結(jié)果如圖20所示。與未貼覆障板的結(jié)果(圖6)相比，整體上聲壓增益正負(fù)突變得到明顯改善，在頻率2 kHz以上突變已不明顯，且隨著障板厚度增加，突變的改善越明顯。與貼覆反聲障板比較，貼覆吸聲障板時(shí)正增益頻段更寬且起伏較小，3 kHz以上突變幅度比多層橡膠反聲障板略高，但低頻段負(fù)增益凹谷以及突變幅度要小一些，總體上看吸聲障板更具優(yōu)勢(shì)。

圖20 不同厚度吸聲障板對(duì)雙殼體前表面聲壓增益的影響Fig.20 Influences of the sound-absorption baffles with different thicknesses on the sound pressure gains of front surface of the double shells

5 結(jié) 論

通過對(duì)單雙殼體在貼覆障板前后近表面處聲場(chǎng)特性的數(shù)值計(jì)算和分析，可以得出以下結(jié)論：

(1) 單殼體內(nèi)部空間對(duì)于安裝在其外表面的水聽器陣來說，相當(dāng)于大型空氣障板，對(duì)于殼體近表面處的聲壓增益，不加障板時(shí)的聲壓增益更大。

(2) 雙層殼體受入射波和耐壓內(nèi)殼處反射波相干疊加的影響，殼體近表面處聲壓增益存在周期性的正負(fù)突變，對(duì)于安裝在其外表面的水聽器的接收聲信號(hào)將產(chǎn)生不利的影響。

(3) 兩種反聲障板以及吸聲障板對(duì)于雙層殼體近表面聲場(chǎng)都有明顯的改善，多層橡膠板復(fù)合的反聲障板比泡沫反聲障板的改善效果更好，吸聲障板比反聲障板的總體性能更好。同時(shí)，障板對(duì)于潛艇自身振動(dòng)輻射噪聲具有屏蔽作用，有利于提高水聽器的信噪比。

(4) 受尺寸限制，吸聲障板的低頻吸聲效果不理想，且低頻吸聲性能受背襯結(jié)構(gòu)影響較大。想要提高低頻吸聲效果，需要研究其他類型吸聲結(jié)構(gòu)和材料。近年來發(fā)展較快的超材料可作為一個(gè)研究方向。另外，如何提高障板的耐壓性能也是亟待解決的難題。