水下吸声覆盖层结构及吸声机理研究进展

第31卷第8期2009年8月舰　船　科　学　技　术

SH I P SC I E NCE AND TECHNOLOGY Vol .31,No .8

Aug .,2009

水下吸声覆盖层结构及吸声机理研究进展

罗　忠1

,朱　锡1

,林志驼2

,王卫忠

2

(1.海军工程大学船舶与动力学院,湖北武汉430033;2.海军92143部队,海南三亚572021)

摘　要:　经过50多年的发展,尤其是近20年中,在水下目标声隐身背景需求的促进和推动下,以吸声覆盖层为主要研究对象的声隐身结构研究,已经建立了完整的理论框架。本文将目前国内外主要的吸声覆盖层结构分为粘弹性复合吸声结构、周期散射复合吸声结构、孔腔谐振吸声结构等,比较了各种吸声覆盖层的结构形式对吸声性能的影响,并从吸声机理出发,分析了各种吸声覆盖层结构的主要研究方法,最后展望了我国水下吸声覆盖层结构及吸声机理研究的趋势。

关键词:　声隐身;吸声覆盖层;粘弹性;散射;谐振

中图分类号:　T N91117 文献标识码:　A

文章编号:　1672-7649(2009)08-0023-08　DO I:1013404/j 1issn 11672-7649120091081002

A rev i ew of underwa ter anecho i c coa ti n g structure and absorpti on theor i es

LUO Zhong 1

,ZHU Xi 1

,L IN Zhi 2tuo 2

,WANG W ei 2zhong

2

(1.College of Naval A rchitecture and Power,Naval University of Engineering,W uhan 430033,China;

2.Unit 92143,P LA,Sanya 572021,China )

Abstract:　The require ments of under water acoustic stealth technique had p r omoted the research on under water anechoic coating structure for recent 50years .

Accordingly,a comp rehensive theoretical

f oundati on had been f or med f or the passed 20years .This paper su mmarized the main structure and valuable results of under water anechoic coatin

g .More s pecifically,it classified the main structure int o vis oelastic composite abs or p ti on structures,cycle scattering composite abs or p ti on structures,cavity res onant abs or p ti on structures .The effect of structure for m t o abs or p ti on p r operties was compared .The under water anechoic coating structures and abs or p ti on theories were analyzed .I n the end of this paper,it p r os pected the feature researc

h trend on this t op ic in our country .

Key words:　acoustic stealth;anechoic coating;viscoelastic;scattering;res onant

收稿日期:2009-02-10;修回日期:2009-03-10

基金项目:国家973重大基础研究基金资助项目(51335020101);国防重点预研基金资助项目作者简介:罗忠(1982-),男,博士研究生,主要从事水下声隐身材料与结构研究工作。

0　引　言

潜艇的最大特点就在于它具有隐蔽性与突发攻

击能力,降低潜艇的声目标强度将减小敌方发现我艇的距离,提高我艇的生存能力,目前主要采用在潜艇壳体上敷设吸声覆盖层结构来降低声目标强度。经过半个多世纪的发展,水声吸声材料的研究已取得了丰硕的成果,以橡胶类和聚氨酯类为基体的水声吸声材料研究日益成熟,内耗大、阻尼性能好的高分子材

料发展为吸声覆盖层提供了更广阔的选材空间,如丁

基橡胶、聚氨酯橡胶、互穿聚合物网络等。当声波通过高分子材料覆盖层时,会将能量传递给大分子链段,引起大分子链段的相对运动,分子链间产生内摩擦将入射声能转化为热能而吸收。

随着潜艇巡航深度的增大和声呐探测技术的不断发展,对潜艇的声隐身技术提出了新的挑战,水下吸声覆盖层结构正朝着耐压、低频和宽频段吸收的方

向发展[1]

。对单一均质材料而言,由于阻抗匹配的

舰　船　科　学　技　术第31卷

要求与增大材料对声能的损耗之间存在矛盾,同时吸声覆盖层结构尺寸受到潜艇排水量等因素的限制,粘弹性材料的弛豫吸收远不能满足各种工程应用的需要,因此必须在吸声覆盖层内部引入声学结构,保证与水阻抗匹配的同时,增强材料对入射声波的衰减效果。

目前,吸声覆盖层结构研究的频率范围从声波波长近似等于结构尺寸的低频段(几百Hz)延伸到声波波长远小于结构尺寸的高频段(几十kHz)。能量转换形式包括声能直接到热能的转换,声能到动能再到热能的转换,声能到电能再到热能的转换等;吸声机理包括粘弹性损耗吸声、周期散射吸声、波型转换吸声、低频谐振吸声、压电吸声等;衍生出的吸声覆盖层结构有阻抗渐变吸声结构、夹芯复合吸声结构、微粒复合吸声结构、耐压复合吸声结构、声学晶体、孔腔谐振吸声结构、微穿孔吸声结构及压电复合吸声结构等。有关吸声覆盖层结构的声学性能的研究方法有解析法、有限元法和试验法。解析法的优点是物理意义十分明确,便于分析其物理本质,但只能针对特定的声学结构,不能计算复杂的水下结构;有限元分析方法,可以计算相对复杂的结构,但物理意义不太明确;理论和试验相结合的混合法,可以得到较好的结果,但研究成本相对较高。

本文系统概述了国内外水下吸声覆盖层结构的研究和应用情况,重点回顾了几种典型水下吸声覆盖层结构的吸声机理,并对未来的发展进行了预测。

1　粘弹性复合吸声结构及吸声机理

对单一均质材料而言,根据无限厚均匀弹性体吸声材料声学理论分析,声波在界面的反射系数可表示为:

r=η2/4/4+η2/4≈η/4。(1)其中,r为反射系数;η为材料损耗因子。可见要求水下吸声材料的特性声阻抗接近水的声阻抗以实现阻抗匹配,同时又具有较大的损耗因子,对吸声材料要满足这2个条件是矛盾的。因为材料的反射系数随损耗因子的增加而上升,损耗越大,则反射系数也越大。研究表明,为了达到上述目的,必须在材料内部加入声学结构,一方面保证与水的阻抗接近匹配,另一方面增强覆盖层吸声效果,目前研究和应用最广泛的粘弹性复合吸声结构是阻抗渐变吸声结构和夹芯复合吸声结构,它们的声学性能受水压变化的影响较小。111　粘弹性复合吸声结构

阻抗渐变吸声结构解决了高损耗材料阻抗不匹配时的强反射和采用小损耗覆盖材料但需要很厚的问题。对于阻抗渐变吸声结构,如何进行阻抗梯度的设计是关键,吸声结构的表面等效阻抗应与周围水介质的阻抗匹配,并且要尽量增加材料的声能损耗,这样才能减少声能的第一次和第二次反射。Emery[2]对水下吸声材料进行的研究中指出:在高频时,阻抗匹配可以减小反射系数;低频时,通过采用不同厚度、阻抗的多层结构,可以解决因各层界面反射波的干涉而出现反射峰值的问题,如图1所示;也可采用各层填料或空气含量逐渐变化来实现阻抗的多层渐变,达到减小反射的目的,如图2所示。Beretil等人[3]研究了在去耦涂层上面覆盖一层吸声涂层而制成的双层涂层,在不增加吸声材料厚度的情况下,能极大提高材料的低频吸声性能。Forest[4]选用粒度为80μm 和31

5mm的二氧化硅气凝胶颗粒,并制成含阻抗匹配层和吸声层的双层吸声结构,研究结果表明,在低频范围内其吸声性能要高于相同厚度的均匀结构。国内也对梯度高分子材料在不同厚度及梯度阻抗情况下的声衰减效果进行了大量的研究。

关于纤维增强复合材料在潜艇声隐身结构中的应用,在国外已有30多年的历史,应用部位也由原来的舵、翼等附体结构,发展到了潜艇非耐压壳体等主要结构上[5]。利用比强度高、比刚度高、透声性能好、振动阻尼性能好、成型工艺简单的纤维增强复合

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