空腔尖劈结构吸声性能的实验研究

空腔尖劈结构吸声性能的实验研究

孙明;李炜伟;包岩;姚熊亮

【摘要】对尖劈结构的吸声性能进行了实验测试,进而研究了含空腔尖劈吸声结构的吸声性能.根据变截面波导理论建立的吸声系数方程,计算了尖劈结构的吸声系数,讨论了尖劈结构吸声性能随频率、静水压力及空腔结构的变化规律,并将计算值与实验值进行了对比.研究结果表明:随着静水压力的增大,尖劈结构吸声系数曲线的形状基本不变,但其数值有所下降;同种材料不同空腔类型尖劈结构的吸声性能差别较大,在低频段尤为明显,而对于同种腔型尖劈结构,其吸声性能则主要由空腔尺寸决定;对于含空腔尖劈吸声结构,增大空腔尺寸可以使尖劈空腔共振加强而提高其低频吸声效果,但空腔尺寸过大反而会影响尖劈结构的整体吸声效果,这对水下尖劈吸声结构的设计及其在实艇减振降噪中的应用具有一定的参考意义.

【期刊名称】《中国舰船研究》

【年(卷),期】2010(005)005

【总页数】7页(P27-33)

【关键词】空腔尖劈;实验测试;静水压力;空腔结构;吸声性能

【作者】孙明;李炜伟;包岩;姚熊亮

【作者单位】大连船舶重工集团有限公司船舶研究所,辽宁,大连,116001;大连船舶重工集团有限公司船舶研究所,辽宁,大连,116001;大连船舶重工集团有限公司船舶研究所,辽宁,大连,116001;哈尔滨工程大学,船舶工程学院,黑龙江,哈尔滨,150001【正文语种】中文

【中图分类】U661.43

在水下结构表面敷设水声材料是应用最广泛也是非常有效的一种提高水下航行器隐身性能的方法［1］。空腔尖劈吸声结构具有阻抗逐渐过渡的性质，在较低频率下具有优良的吸声性能，将其敷设于艇体声呐平台区的后壁板以及将声呐平台区和上层建筑艏部分开的水平平台，可以有效降低声呐平台区自噪声，具有较强的工程应用价值。

对尖劈吸声结构声场的理论研究有相当长的历史［2-3］，然而由于其截面的不规则性和吸声性能影响因素的复杂性等原因，用严格的波动理论很难给出精确解，而只能做近似计算，因此至今还没有建立严格的声场理论。计算尖劈结构吸声系数常用的方法是在其横截面上把尖劈材料和传声媒质的密度、压缩模量等声学参数按面积做某种加权平均得到等效参数，然后按分层媒质声传播理论计算吸声系数。本文通过实验得到了含空腔尖劈结构的吸声系数，讨论了尖劈结构吸声性能随频率、静水压力、空腔结构的变化而出现的变化规律，并将实验值与理论值进行了对比，所得结论对水下尖劈吸声结构设计及其在实艇减振降噪中的应用具有重要的参考意义。基于变截面波导理论［4-5］，本文对尖劈吸声结构进行分层处理，如图1所示。假设圆锥尖劈为弹性媒质，内含空腔，空腔内充空气，这里不考虑切变应力，平面声波平行于尖劈入射到尖劈顶面和侧面，将尖劈等分为 n 个环形台面，S0，S1，

S2，…，Sn分别表示尖劈底面、环面和顶端的面积。

入射到尖劈顶端和侧面的声波总能量可表示为：

式中，Ii为声强。设IrjSj为尖劈第j个环形面上的声波反射能量，则总的反射能量和吸收能量分别为：

定义第 j个环形面的声强反射系数为：rj＝ Irj／Ii，则尖劈结构的吸声系数可表示为：

尖劈吸声结构的内截面（空腔）和围壁（吸声材料）的截面积沿对称轴x轴变化，

则尖劈吸声结构的特性阻抗率ρc／S（x）是 x的函数。假定其中传播的声波波阵面按截面的规律变化，则对应的声场应满足变截面形式的波动方程，这样含空腔尖劈吸声结构顶端和各环形面的声强反射系数rj可用变截面波导的声场理论来计算：第j个截面总的输入阻抗ZAi可以由变截面波导理论得出：

由反射系数与输入阻抗的关系式求得声强反射系数rj，最后即可得到空腔尖劈结构吸声系数α的表达式为：

式中，ZAj是第j变截面波导顶端输入声阻抗。

其中ρwcw为入射声波所在介质的特性阻抗。

计算尖劈结构的吸声系数时，由于尖劈外部结构及内部空腔的不均匀性，各截面半径及截面积表达式不能进行统一，因此对尖劈吸声结构进行分段处理，每一分段的计算参数都可以用统一的表达式来描述，各分段分别应用变截面波导理论计算截面的吸声系数。

评价吸声结构吸声性能的实验方法主要有自由场法和声管测试方法，这两种方法相对而言都比较成熟，只是在低频测量时还存在些许问题。本文利用水声无源材料声脉冲管法测试系统对尖劈吸声结构试样的法向声吸收特性进行测量。

水声材料声脉冲管法测试系统主要用于水声材料试样在声软末端或声硬末端情况下复反射系数的测量，通过复反射系数的测量结果即可计算试样的吸声系数、输入阻抗、纵波声速和衰减、弹性模量等。声脉冲管测试装置分为模拟测试装置和数字测试装置两种。由于数字测试装置具有优秀的信号采集与处理能力，目前数字测试装置应用得越来越广泛。

声脉冲管法数字测试装置主要由声管、换能器和电子测量设备组成，电子测量设备包括函数发生器、功率放大器、收发转换器、带通滤波器、信号采集器和计算机系统，如图3所示。

函数发生器产生脉冲正弦信号，由带通滤波器滤掉低频噪声信号和频率高于测量频

率2倍的信号，通过位于声管一端的换能器将此脉冲调制的正弦波向声管中发射，经声管另一端的试样反射，再由同一换能器接收反射声波信号，系统的信噪比应该不小于20 Hz。收发转换器能在脉冲信号发射时关闭接收通道，发射结束后打开接收通道。计算机系统安装有测量软件，通过总线控制数字仪器，完成信号的采集与处理、测量结果的保存与打印等。

通过对比声软末端（或声硬末端）试样反射波与柔性（或刚性）标准反射体反射波声压幅值和相位测量出试样复反射系数的模，进而计算得出试样的吸声系数等声学参数。

参考标准：GB－T 5266－2006

测试条件：

声管末端类型：声软末端

室温：22℃

水温：28℃

湿度：35%

测试装置：水声无源材料声脉冲管法测试系统

实验测试两个尖劈试样的吸声系数，测试频段为1 500～8 000 Hz，两个试样总

长度相同，逐渐过渡部分和圆柱部分长度也都相同，不同的是两个试样内部含有不同形状的空腔，同时制作尖劈的材料配比也不相同。

图4和图5分别给出了上述两个尖劈试样在常压下的吸声系数测试结果与本文理

论计算结果的比较曲线。

由图4，图5可以看出，在大体变化趋势上，本文理论计算结果与实验测试结果吻合较好，只是在数值上存在一定的误差。由此说明，在常压下本文采用分层介质模型理论计算的尖劈结构吸声系数与实验所测得的结果在总体变化趋势上基本一致，这也证明了常压下本文计算吸声系数理论方法的正确性。