吸声尖劈对板柱组合结构水下声学特性影响的试验研究

庞福振，姚熊亮，贾 地，于丹竹

（1哈尔滨工程大学 船舶工程学院，哈尔滨 150001；2中国人民解放军92857部队，北京 100007）

吸声尖劈对板柱组合结构水下声学特性影响的试验研究

庞福振1，姚熊亮1，贾 地2，于丹竹1

（1哈尔滨工程大学 船舶工程学院，哈尔滨 150001；2中国人民解放军92857部队，北京 100007）

为考察吸声尖劈对船舶声纳平台水下声学环境的影响，开展了吸声尖劈对板柱组合结构水下声学特性影响的模型试验研究。通过对板柱组合结构0%、36%、60%、100%敷设吸声尖劈材料，在声波以0°、90°、180°方向入射板柱组合结构时，研究了尖劈敷设方式、声波入射角度对板柱组合结构水下声场及散射声场的影响，得到了不同工况下板柱组合结构典型部位的声场分布。研究表明：吸声尖劈可明显改变板柱组合结构的声场分布，降低板柱组合结构的自噪声；但其抑制效果随考核位置、声波频率、敷设密度的不同而各有变化。

吸声尖劈；声纳平台；板柱组合结构；水下声学特性；散射声场；试验研究

1 引 言

吸声尖劈作为一种吸声结构可有效降低舰船声纳平台的自噪声，目前已被广泛地应用于各类船舶

中。在吸声尖劈的研究领域我国已有多名学者开展了相关的研究工作[1-5]，文献[6]采用试验方法研究了高压消声水池端部松木尖劈的吸声性能，分析了尖劈长度及浸润处理方式对尖劈吸声性能的影响。文献[7-8]对带有空腔的锥形尖劈吸声性能进行了研究，给出了空腔吸声尖劈吸声系数的一种计算方法，并就空腔吸声尖劈的低、高频吸声性能进行了讨论。上述研究多是针对吸声尖劈吸声性能的分析，而在吸声尖劈的实际降噪效果研究方面，国内公开发表的文献相对较少[9-10]。

为真实揭示吸声尖劈对实际声纳平台结构水下声学环境的影响，准确评价吸声尖劈材料的实际降噪效果，本文采用试验方法开展了吸声尖劈对板柱组合结构声学环境的影响分析，讨论了声波不同入射角度、尖劈不同敷设工况下板柱组合结构的水下声场分布，得到了吸声尖劈对板柱组合结构水下声场的影响。

2 模型试验简介

2.1 试验模型

试验模型主要由吸声尖劈及板柱组合结构两部分组成。吸声尖劈由基体结构和阶梯形复合空腔组成（见图1.a），通过改变吸声尖劈基体材料的杨氏模量及损耗因子，合理设计空腔形式，可有效改善吸声尖劈的低频吸声性能；试验中吸声尖劈的吸声系数曲线见图1.b。

板柱组合结构模型由上平台、后壁、下平台及支撑圆柱壳等组成，其主尺度为1 600mm×1 200mm×800mm，支撑圆柱支撑于上下平台中心位置，为保证板柱组合结构的刚度，上下平台及后壁处均设置了加强筋，吸声尖劈均敷设于板柱组合结构内表面，板柱组合结构模型见图1.c及图1.d所示。

图1 吸声尖劈材料及板柱组合结构图Fig.1 Schematic of sound absorption wedge and CPCSS

2.2 试验工况

试验主要对比和测量同一入射声波、不同尖劈敷设状况下板柱组合结构典型考核部位的自噪声变化。对比吸声尖劈不同敷设密度下板柱组合结构典型部位的自噪声变化，可得到尖劈型吸声材料对板柱组合结构自噪声及水下声场的影响。为便于分析，试验共设置了三个考核部位，1#、3#水听器分别位于支撑圆柱前后端，2#水听器位于支撑圆柱左侧，与1#、3#水听器连线呈90度方向布置，水听器布置如图2所示。

试验工况主要依据试验目的设定。本试验主要考虑在上下平台、后壁等结构以不同面积比设置吸声尖劈，为便于对比，试验中分0%尖劈敷设（即不敷设尖劈）、36%尖劈敷设、60%尖劈敷设、100%尖劈敷设共计四种状态，各状态下声源分别在0°、90°、180°方向三种情况入射组合板柱结构进行试验。各敷设状态下的试验工况见表1，声源布置及吸声尖劈材料敷设状态如图3所示。

*注：各试验工况下发射换能器电压峰—峰值Vpp始终保持为4V。

3 吸声尖劈对板柱组合结构水下声场的影响

声波以一定角度进入板柱组合结构时，部分声波在上下平台、后壁及支撑圆柱壳表面等处产生多途反射；部分声波进入空腔尖劈吸声材料并被吸声尖劈材料耗散吸收。但由于板柱组合结构的几何复杂性及吸声尖劈敷设方式的差异，因此，声压在板柱组合结构内部的空间分布将十分复杂。为便于讨论，现以声波不同角度入射情况分别讨论如下。

3.1 声波在0°方向入射时，吸声尖劈对板柱组合结构水下声场的影响分析

声波在0°方向入射时，1#水听器接收的声信号主要是入射直达声与支撑圆柱受激产生的次级反射声；2#水听器接收的声信号主要是入射声及后壁受激产生的次级反射声；3#水听器由于位于支撑圆柱与后壁的中间位置，试验频段内声源发出的声波将被支撑圆柱遮挡而无法直接传至水听器；且由于支撑圆柱直径相对较大（D=0.2m），支撑圆柱与后壁间距（间距为0.4m）也相对较小，试验频段（500Hz≤f≤20kHz）内入射声波的衍射声对3#水听器声压的影响相对较小，故3#水听器接收的主要是后壁的一次反射声、后壁与支撑圆柱间的多次反射声。由于吸声尖劈的敷设密度不同，同一入射声波在各结构表面的反射也有很大差异，因此，板柱组合结构的声场分布较为复杂。图4给出了声波0°方向入射板柱组合结构时，尖劈不同敷设密度下各水听器声压的变化曲线，图中横坐标为频率，纵坐标声压级，参考声压为 p0=1×10-6Pa。

由图4可知，声波在0°方向入射板柱组合结构时，随着尖劈敷设密度的增加，多数频率下板柱组合结构各考核点声压在逐步减小；但考核部位不同、声波频率不同、尖劈敷设方式不同，各点声压变化又略有差异。对于支撑圆柱正前方的1#水听器测点而言，当500Hz≤f≤1.5kHz时，该点声压随尖劈敷设密度的增大而降低，100%敷设工况时，该点的声压最小；1.5kHz≤f≤6kHz频段内，36%的敷设方式可使该点声压偏大，而当敷设密度再加大时，该点的声压又有所下降；f≥6kHz时，部分敷设尖劈可导致该点声压偏大。对于2#水听器测点而言，f≤6kHz时，其声压变化规律同1#水听器相同，f≥6kHz时，敷设吸声尖劈导致该处声压偏大。对于3#水听器而言，当f≤10kHz时，随着敷设密度的增加，考核点声压在逐渐降低。

造成上述现象的原因是：敷设吸声尖劈后，板柱组合结构内部的声场分布发生了改变，不同敷设面积的吸声尖劈对声场的影响不尽相同。声波在0°方向入射板柱组合结构时，对于1#测点而言，入射声、后壁及支撑圆柱反射声为主要成分；对于2#测点而言，入射声及后壁反射声是主要成分；对于3#水听器而言，后壁反射声及后壁与支撑圆柱的反射声是主要成分。为直观给出板柱组合结构的声学特性变化，图5给出了各敷设工况下不同水听器声压随频率的变化曲线。

由图5可知，敷设尖劈前后板柱组合结构的声场分布有较大变化：不敷设尖劈时，1#、2#水听器测点的声压大致相同，3#水听器与1#、2#水听器的差异较大；但随着尖劈敷设密度的增加，1#、2#水听器测点声压的差异在逐渐加大。由此可见，影响1#、2#水听器的主要是入射声、支撑圆柱及后壁的反射声。

实际上，尖劈敷设密度较低时，后壁及支撑圆柱的反射声大致相同，故1#、2#水听器测点的声压基本相同；但随着尖劈敷设密度的增加，后壁的反射声逐渐减弱，2#水听器的声压也随之有较大衰减，故而1#、2#水听器的声压曲线差异较大。对于3#水听器而言，后壁的直接反射声、后壁与支撑圆柱的多次反射声是其主要因素，随着尖劈敷设比例的增加，后壁反射声及后壁与支撑圆柱的反射声将发生很大改变，故而3#水听器声压变化较为剧烈。

3.2 声波在90°方向入射时，吸声尖劈对板柱组合结构水下声场的影响分析

图6给出了声波在90°方向入射板柱组合结构，不同尖劈敷设密度下各水听器声压随频率的变化曲线。

由图6可以看出，声波在90°方向入射板柱组合结构时，板柱组合结构声压随考核位置、声波频率、尖劈敷设状况的不同而各有变化。对于1#水听器而言，当500Hz≤f≤1.5kHz时，测点声压随尖劈敷设密度的增大而下降；1.5kHz≤f≤6kHz时，部分敷设尖劈将导致该处声压偏大，但随着尖劈敷设比例的提高，该处声压又有所下降；入射声波频率高于6kHz时，敷设吸声尖劈将导致该处声压偏大。对于2#测点而言，f≤6kHz时，部分敷设尖劈将导致该处声压偏大，100%敷设尖劈可有效降低该处声压；f＞6kHz时，敷设尖劈将导致该处声压偏大；但随着尖劈敷设密度的不断增加，该处的声压又会有所下降。对于3#水听器而言，f≤10kHz时，100%敷设尖劈可降低该处声压，部分敷设尖劈可导致该处声压偏大；f＞10kHz时，部分敷设尖劈导致该处声压偏大，但随着敷设密度的增大，该处声压又将逐渐减小。

造成上述现象的原因是多方面的。对于1#、3#测点而言，入射声、支撑圆柱及后壁反射声是其声压的主要来源，对于2#测点而言，入射声、支撑圆柱反射声是其声压的主要来源。尖劈敷设密度、声波频率改变时，后壁、上下平台及支撑圆柱反射声在板柱组合结构的空间分布将发生改变，并最终导致各测点声压的差异。图7给出了不同敷设方式下各水听器声压的变化曲线。

由图7可以看出，声波在90°方向入射时，板柱组合结构声场分布的改变较声波在0°方向入射时偏小：不敷设尖劈时，1#、3#测点的声压大致相同，2#水听器与1#、3#水听器的差异相对较大；随着尖劈敷设密度的增加，1#、2#水听器测点声压逐渐降低，但其变化规律基本相似；3#水听器的声压在不同频段有一定起伏，但总体变化不大。

3.3 声波在180°方向入射时，吸声尖劈对板柱组合结构声场的影响分析

声波在180°方向入射板柱组合结构时，各水听器声压随敷设密度的变化见图8所示。

由图8可以看出，此种情况下，板柱组合结构的声压随尖劈敷设密度的变化较为复杂，各点声压随尖劈敷设密度的增加不再单调下降，板柱组合结构内部声场分布随尖劈敷设密度、声波频率的变化较大。对于1#水听器测点而言，500Hz≤f≤1kHz时，测点声压大致随尖劈敷设密度的增大而降低；f≤1.5kHz时，敷设尖劈将导致该点声压偏大；f≥1.5kHz时，60%尖劈敷设密度时该处声压最大，0%敷设次之，36%敷设及100%敷设时最小。对于2#水听器测点而言，500Hz≤f≤1.5kHz时，该处声压随尖劈敷设密度的增加而降低；f≥1.5kHz时，0%敷设工况时该处声压最大，60%敷设工况次之，100%敷设时该处声压最小。对于3#水听器测点而言，在试验频段内，0%敷设工况时该处声压最大；100%敷设工况时该处声压最小；36%敷设工况及60%敷设工况次之。

图9给出了各敷设工况下不同水听器测点的声压随频率的变化曲线。从图中可以看出，声波在180°方向入射时，敷设尖劈前后板柱组合结构的声场分布变化较大：随着敷设密度的不断提高，各测点的声压除逐渐降低外，其声压变化规律也逐渐趋于一致。对1#、2#水听器而言，不敷设吸声尖劈时两者声压的差异较大；但随着敷设密度的提高，1#、2#水听器的声压逐渐趋于一致。对于3#水听器而言，0%敷设时3#水听器声压较1#水听器偏大，但随着尖劈敷设密度的增加，3#水听器的声压水平将迅速降低；当敷设密度为100%时，各水听器的声压较为相近。

4 结 语

本文基于模型试验开展了吸声尖劈对板柱组合结构水下声学特性的影响研究，针对声波不同入射方向、尖劈不同敷设方式时板柱组合结构的水下声学特性进行了讨论，通过上述分析可得到如下主要结论：

（1）吸声尖劈会改变板柱组合结构的水下声场分布，如设计合理则可有效降低板柱组合结构的自噪声水平，但其抑制效果随考核位置、声波频率、敷设方式不同而各有变化。

（2）声波在0°方向入射板柱组合结构时，随着吸声尖劈敷设密度的增加，其内部声压在逐步降低；但各点声压随考核部位、声波频率、敷设方式的不同又各有差异。不敷设吸声尖时，1#、2#水听器的声压大致相同，3#水听器与1#、2#水听器差异较大；随着敷设密度的增加，各测点声压有所降低，但1#、2#水听器测点声压的差异在加大，3#水听器的声压在不同频段起伏较大。

（3）声波在90°方向入射板柱组合结构时，不敷设吸声尖劈时1#、3#水听器测点声压大致相同，2#水听器与1#、3#水听器的差异相对较大；随着敷设密度的不断增加，1#、2#水听器测点声压大致成下降趋势，且其变化规律基本相似；而3#水听器在不同频段有一定起伏，但总体变化不大。

（4）声波在180°方向入射时，板柱组合结构各处声压随尖劈敷设密度的增加不再单调下降，其内部声场分布受尖劈敷设密度、声波频率的影响较大；随着尖劈敷设密度的提高，各测点声压在逐渐降低，且各水听器测点声压逐渐趋于一致。

本文仅对声波在0°、90°、180°方向入射板柱组合结构时的典型工况进行了讨论，而实际船舶声纳平台尖劈敷设状况、声波入射情况同试验有一定差异，欲进一步了解真实环境下吸声尖劈对实船声纳平台声学环境的影响，需开展进一步的研究。另外，本试验是在大连测控技术研究所试验海区进行的，并充分利用了该所国防科技重点试验室的仪器设备和人员力量，作者在此表示感谢。

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Experimental investigation of the effects of sound absorption wedges on the underwater acoustic characteristic within a Compound Plate&Cylindrical Shell Structure

PANG Fu-zhen1,YAO Xiong-liang1,JIA Di2,YU Dan-zhu1
(1 College of shipbuilding Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;
2 Unit 92857 of People’s Liberation Army,Beijing 100007,China)

In order to study the influence of sound absorption wedge on the underwater sound environment of a ship sonar platform,the experiment investigation of sound absorption wedge on the underwater acoustic characteristic within a Compound Plate&Cylindrical Shell Structure(CPCSS)is carried out.By supposing sound incident wave’s entry angle is 0°,90°,180°,respectively;while the arrangement density of sound absorption wedge is 0%,36%,60%,100%,sound pressure distribution of hotspot points is obtained.Study shows that sound absorption wedge can change pressure distribution of CPCSS,and reduce self-noise level of the CPCSS.However,the effect varies with hotspot location,with the frequency of incident wave,and with the arrangement density of sound absorption wedge.

sound absorption wedge;sonar platform;a Compound Plate&Cylindrical Shell Structure(CPCSS);underwater acoustic characteristic;scattering acoustic field;experimental investigation

表1各敷设状态试验工况表
Tab.1 Experimental cases of each arrangement of sound absorption wedges

U666.7 TB564

A

1007-7294（2011）05-0570-07

2010-11-11 修改日期：2011-04-01

国防预研项目（1010××××10302）；哈尔滨工程大学校基金（GK2010260105）

庞福振（1980-），男，哈尔滨工程大学博士研究生，讲师。