内覆防水吸声层的海水消声器声学性能计算

周海波 李天匀 朱 翔 田华安

1华中科技大学 船舶与海洋工程学院，湖北 武汉 430074 2中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064

内覆防水吸声层的海水消声器声学性能计算

周海波1李天匀1朱 翔1田华安2

1华中科技大学 船舶与海洋工程学院，湖北 武汉 430074 2中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064

对内部进行了防水吸声处理的海水消声器进行了声学计算，提出了分析此类问题的数值仿真方法：首先运用分层媒质理论对含空腔防水吸声层的声学性能进行计算，利用ANSYS建立海水消声器的三维有限元模型，导入SYSNOISE软件中并将防水吸声层的吸声系数及表面声阻抗作为边界阻抗计算消声器内部声场的声压分布以及传递损失。对某内覆防水吸声层的海水消声器的声学特性进行了数值计算和分析，研究结果对提高含防水吸声结构海水消声器的降噪效果具有重要意义。

海水消声器；吸声系数；声阻抗；传递损失

1 引言

通海载流管道的噪声辐射是水面舰船产生水下噪声的重要方面之一［1］，海水消声器可起到较好的降噪作用［2－3］。消声器的设计一直是人们感兴趣的课题，关于空气消声器的研究较多［4］，而有关海水消声器的研究工作则多限于刚性壁的抗性消声器［5］，对阻抗性海水消声器的研究较少，有关内覆含空腔吸声层的阻抗式海水消声器的文献至今几乎没有。本文对内部进行了防水吸声处理的海水消声器进行了声学计算，着重分析含空腔吸声层的吸声性能，提出了分析此类问题的数值仿真方法。

论文首先对吸声材料的声学性能进行理论推导和计算分析，接着对含防水吸声结构海水消声器的声学性能进行计算分析。

2 防水吸声材料的声学性能计算

2.1 典型非均匀层复合吸声结构声学计算模型

海水消声器的壁及可拆挡板上的防水吸声层是典型的含腔非均匀复合结构，由于本文在SYSNOISE软件中使用声学有限元法计算防水吸声结构海水消声器内部声场的声压分布以及传递损失［6］需要对壁面施加相应的阻抗边界条件，因此首先需要对吸声结构的吸声性能进行研究。

图1所示为典型的非均匀结构吸声层——钢板，结构前面为水，后面为空气，第一层不打孔，第三层孔径不变，第二层孔径逐渐变化，其中，d为孔距。

利用声波在分层吸收媒质中的传播模型，由分层媒质的传递矩阵方法求解界面的输入阻抗和相应的吸声系数。对于含有空腔的橡胶层，选用空腔层中橡胶单元近似为高粘性液体的变截面波导，用波导截面变化函数作为传递矩阵单元元素，再结合吸声结构前后端的边界条件即可求得结构的输入阻抗和吸声系数。

［7］可得非均匀层传递矩阵的元素。

图1 典型非均匀层复合吸声结构

其中，S1，S2为每个分层前后端的截面积；复声速jη）为粘弹性介质模量；η为损耗因子；ρ为材料密度；ω为声波的角频率；ω＝2πf；f为声波频率。

当平面波垂直入射，各层间的边界条件为声压连续和法向质点振速连续，于是可以将各层的传递矩阵［An］（n＝1，2，…，N）相乘，得多层结构的传递矩阵［B］：

求得整个结构的总传递矩阵后，根据终端边界条件即可求得结构的输入阻抗和吸声系数。取单元表面面阻抗近似代表整个平面结构表面的平均输入阻抗Zin，结构后面为空气，终端边界条件可表示为：pN＋1＝0，即FN＋1＝0，代入上式可得输入端输入阻抗，材料的反射系数、吸声系数分别为：

根据以上理论分析，即可得到不同材料组合的非均匀层复合吸声结构的表面阻抗以及吸声系数等声学参数。

2.2 海水消声器吸声结构计算分析

海水消声器壁上的吸声材料就是典型的非均匀吸声结构，根据非均匀层理论可以算出吸声系数随入射声波频率变化的曲线如图3所示，输入端输入阻抗曲线如图2所示，计算频率从10 Hz～10 kHz。从图4中可见，吸声系数在100 Hz以下较低，然后迅速升高至最高值0.63附近后下降逐渐稳定。

根据声在分层介质中的传播理论，可以认为吸声结构的吸声性能除了与基材声衰减有关外，主要与声阻抗和声波入射媒质的特性阻抗匹配情况以及阻抗沿吸声结构轴向变化梯度有关。

图2 海水消声器壁结构表面阻抗曲线

图3 海水消声器壁结构吸声系数曲线

海水消声器可拆挡板上的吸声材料由于结构后面是水，终端边界条件可以认为是和cw分别为水的密度及声在水中的传播速度，整个结构的传递矩阵为［B］，材料的输入端输入阻抗，材料的反射系数、吸声系数分别为：

得到可拆挡板上吸声结构表面阻抗曲线和吸声系数曲线分别如图4、图5所示。

图4 可拆挡板结构表面阻抗曲线

图5 可拆挡板结构吸声系数曲线

由于结构后面是水，因此阻抗特性、吸声系数和结构后端是空气的情况有显著区别。在频率非常低时，结构厚度远小于声波波长，因此如同吸声结构不存在一样。这样对于海水消声器壁，在很低的频率下，板后为空气，反声系数接近0；而对于可拆挡板，板后为水，阻抗匹配、反声系数为0，则吸声系数为1。对于可拆挡板，随着频率的增大，吸声系数也逐渐降低，但在频率很高时，则有一定波动。

根据以上分析得到的不同模型的输入端面阻抗，可以用于在声学有限元法的声场分析中，直接据此对壁面施加相应的阻抗边界条件，即可方便地模拟吸声材料的特性和功能。

3 海水消声器的声学仿真计算

由于海水消声器结构的内部声场比较复杂，平面波理论无法准确预测其分布，对于这种复杂的结构，运用数值分析软件进行计算和分析较为合适。传统的声振环境数值计算方法基于有限元、边界元技术，目前已有许多大型商用软件：ANSYS、SYSNOISE等。

为了计算复杂结构消声器的消声特性，并进一步提高消声器的声学性能，在基本假设的前提下，施加合理的进出口及壁面边界条件，利用ANSYS建立防水吸声结构海水消声器内部声场的三维有限元模型，在SYSNOISE软件中使用声学有限元法计算防水吸声结构海水消声器内部声场的声压分布以及传递损失。然后，研究不含防水吸声结构对海水消声器传递损失的影响，根据分析结果和防水吸声结构海水消声器的声学特点，提高防水吸声结构海水消声器的降噪效果。

3.1 声场有限元建模

防水吸声结构海水消声器的进水口是海底门格栅，内部有挡板，出水口为内插管，另外在海水消声器内壁以及挡板和出水口管壁上还敷有吸声材料，因此可将其看作是一种水下阻抗式消声器。

认为防水吸声结构海水消声器内部为非耦合的声场，忽略流体与结构的耦合作用，所以仅对防水吸声结构海水消声器内的流体建模。模型网格密度必须足够细致到能分辨最高主频，即每个波长里至少要有6个线形单元或3个二次单元。

根据已有的海水消声器资料，在ANSYS中建立了海水消声器内部流体的实体模型。采用四面体实体单元划分了有限元网格，模型如图6所示。

图6 ANSYS中流体有限元模型

将划分好单元的声学有限元模型导入到SYSNOISE中进行声场和传递损失的计算。导入到SYSNOISE中的声场网格如图7所示。

3.2 声学计算

防水吸声结构海水消声器的消声性能通常用传递损失来衡量，其定义为防水吸声结构海水消声器入口与出口的声功率的比值，计算公式如下［8－10］：

图7 SYSNOISE中流体有限元模型

其中Win和Wout分别为防水吸声结构海水消声器的输入和输出声功率，pin和pout分别为防水吸声结构海水消声器输入和输出的声压；Sin和Sout分别为防水吸声结构海水消声器进口和出口的截面积。已知进口面积是出口总面积的3.5倍。

采用声学有限元法求解海水消声器的进出口声压与传递损失。计算频率20~2 000 Hz，步长为2 Hz。

对含防水吸声结构海水消声器的声特性进行计算。取频率分别为20 Hz、50 Hz、100 Hz、500 Hz、1 000 Hz和2 000 Hz，其中1 000 Hz和2 000 Hz的声场法向振速的分布云图如图8所示，声压云图分布如图9所示。

图8 海水消声器声场的振速云图

图9 海水消声器声场的声压云图

由图8、图9可以看出，在入口处的质点振速有最大值。由于采用了防水吸声结构，除了在海水消声器壁面上的单元的法向速度基本为0，在出口管的法向速度也较小，表明振动得到了较好的衰减。对流场声压的计算表明在大部分频率上，入口处的声压都比较大，出口管的声压都很小，表明消声效果较好。

进一步对无防水吸声结构海水消声器的声学特性进行计算，含有吸声材料和不含吸声材料的海水消声器的传递损失曲线如图10所示。从图中可见：对于有防水吸声材料结构的海水消声器，其在几乎所有的频段上都有消声效果，且在低频率下的效果相当显著，而无防水吸声材料的海水消声器在部分频率上消声效果不明显。

图10 海水消声器的传递损失曲线（□：含吸声材料，△：不含吸声材料）

4结论

对不含防水吸声结构和含有防水吸声结构的海水消声器的声波特性进行了数值计算和分析。主要结论如下：

1）对于含防水吸声结构的海水消声器，其可看作为阻抗式消声器。在大部分频率上，入口处的声压都比较大，出口管的声压都很小，表明消声效果较好。

2）从传递损失曲线来看，无防水吸声海水消声器在大部分频率成分有消声作用，而另一些频率的声波可以无衰减地通过。对于有防水吸声材料结构的海水消声器，其在绝大多数频段上都有比无吸声结构海水消声器好的消声效果，且在低频率下的效果相当显著，而无防水吸声材料的海水消声器在部分频率上消声效果不明显。

参考文献：

［1］ 程广福，张文平，柳贡民，等.船舶水管路噪声及其控制研究［J］.噪声与振动控制，2003，24（2）：31－33，44.

［2］ 舒国良.潜艇的噪声及其降低的途径［J］.噪声与振动控制，1988（2）：22－26.

［3］ 李英.大口径水消声器的设计与实验研究［D］.哈尔滨工程大学硕士论文，2004.

［4］ 毕嵘，刘正士，王敏，等.排气消声器声学及阻力特性数值仿真研究［J］.噪声与振动控制，2008，28（1）：111－114.

［5］ 田华安.水消声器降噪效果及流场动态特性研究［D］.哈尔滨工程大学硕士论文，2004.

［6］ 李英，柳贡民，马文彬，等.SYSNOISE软件在消声器的传递损失特性分析中的应用［C］.中国内燃机学会大功率柴油机分会五届二次学术年会，2004.

［7］ 何祚庸，王曼.水下非均匀复合层结构吸声的理论研究［J］.应用声学，1996，15（5）：12－19.

［8］ 封海波.海水管路系统中阀门动态特性和噪声控制研究［D］.哈尔滨工程大学硕士论文，2003.

［9］ 田华安，荀振宇，郑超凡，等.水消声器声学性能仿真分析研究［J］.中国舰船研究，2007，2（6）：62－64，77.

［10］ 马大猷.现代声学理论基础［M］.北京：科学出版社，2004.

Computation of Acoustic Characteristics of Seawater Muffler with Waterproof and Sound Absorption Layers

Zhou Hai－bo1Li Tian－yun1Zhu Xiang1Tian Hua－an2
1 School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China 2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

In this paper，the acoustic characteristics of the seawater muffler with waterproof and sound absorption layer covered inside are computed，thus the numerical simulation method is established to handle such problems.First，based on the layered－media theory，the acoustic characteristics of the waterproof layer with cavity are analyzed，the three－dimensional finite element model of the seawater muffler is built up by using ANSYS.Then the acoustic pressure distribution and translation loss of the seawater muffler is obtained in SYSNOISE with the sound absorption coefficient and surface impedance of the waterproof and sound absorption layer as the boundary condition.The acoustic characteristics of the seawater muffler are analyzed and calculated.The results can be useful to improve the noise reduction effort of seawater mufflers with waterproof and sound absorption treatment.

seawater silencer；absorption coefficient；acoustic impedance；transmission loss

U667.7

A

1673－3185（2009）03－08－05

2008-11-03

海军装备预研项目（1010501020402）

周海波（1987－），男，硕士研究生。研究方向：船舶振动与噪声控制。E-mail：278165184@qq.com

李天匀（1969－），男，教授，博士生导师。研究方向：船舶振动与噪声控制