水声覆盖层低频耦合吸声机理及调控规律研究

王佳蓓, 周 浩

水声覆盖层低频耦合吸声机理及调控规律研究

王佳蓓, 周 浩

(海军工程大学 兵器工程学院, 湖北 武汉, 430033)

水声覆盖层对于水下航行器声隐身性能的影响重大。为增强水声覆盖层的低频吸声性能, 基于有限元法建立了局域共振结构内嵌到空腔型覆盖层中的复合模型, 研究了其在10～2 000 Hz频段内的吸声性能, 采用局域共振理论分析复合模型中薄膜质量块的结构振型, 结合复合模型中空腔型覆盖层的振动位移云图分析了复合模型的吸声机理。此外, 通过调整模型的几何参数, 得到影响吸声性能变化的规律。研究结果表明: 1) 空腔型覆盖层与局域共振结构的耦合可提高低频吸声效果, 拓宽吸声频带; 2) 复合结构的吸声机理为, 下半部分空腔变形实现纵波向横波的转化, 局域共振结构的向上振动消耗声能, 二者共同作用, 提高吸声系数; 3) 耦合产生的吸声峰, 其峰值主要随覆盖层损耗因子的增大而增大, 其频率主要随薄膜面积的增大而向高频移动。研究结果可为声学覆盖层的设计提供理论依据。

水声覆盖层; 低频耦合; 局域共振; 振动位移; 吸声

0 引言

水声覆盖层是敷设在潜艇等水下航行器表面一层或多层由橡胶或聚氨酯等高分子材料组成的声学覆盖层, 用于吸收敌方主动声呐发出的探测声波, 提高水下航行器的声隐蔽性[1], 因此, 其吸声性能是影响水中兵器战斗能力的决定性因素之一。由于低频声波传播距离远, 因此低频探测声呐成为海军水下作战的高效探测设备, 这就对水声覆盖层的设计提出了新的要求。

目前, 在橡胶等黏弹性材料中加入空腔等散射体可以有效增加其吸声性能[2]。陶猛等[3]以声波在圆柱管中传播为例, 总结分析了Alberich型空腔覆盖层的低频吸声机理, 指出圆柱体共振是覆盖层吸声的主要原因; 叶韩峰等[4]研究了声波入射角度、材料和结构参数对于多层覆盖层吸声性能的影响; 商超等[5]研究了具有组合腔型的声学覆盖层, 指出其吸声性能较同等穿孔率的单一空腔声学覆盖层有较大提高; Valentin等[6]研究了“气泡元屏”对于声波吸收的问题, 指出靠近背衬一侧的“气泡元屏”对于1.6 MHz频率的声波, 吸收系数高达91%; 柯李菊等[7]研究了上下对称的圆台型组合空腔不同几何尺寸下的声学覆盖层的吸声系数, 指出吸声效果主要取决于靠近声波入射端的圆台大半径; 刘国强等[8]研究了不同材料构成的多层覆盖层的吸声性能, 发现其吸声效果优于单一材料、单一结构的覆盖层。

空腔型覆盖层对于中高频声波具有有效的声吸收能力, 但对于低频声波, 吸声能力则很弱。Zhao等[9-10]第一次在水声吸声覆盖层中利用局域共振原理, 发现在共振频率处, 吸声系数能得到有效提高。薄膜型声学超材料是由Yang等[11]在2008年提出, 并指出将一个小质量块放置在薄膜中心可以提高低频吸声性能; 当附加质量块不对称时, 可以激发多个吸声峰, 拓宽吸声频带[12-13]; 2014年, Ma等[14]设计利用不同的薄膜材料单元设计了一种复合结构, 使得吸声频带拓宽, 出现多个吸声峰。但局域共振型声学覆盖层存在吸声频带窄、长期稳定性差等缺点, 真正运用到实际水下结构中还存在较大难度。

由于空腔型覆盖层低频吸声性能有限, 而薄膜型局域共振结构需要刚性框架支撑的结构特点, 文中将局域共振结构内嵌到空腔中的复合结构, 通过多物理场软件COMSOL Multiphysics仿真发现, 二者形成耦合产生宽频带吸声峰, 提高低频吸声效果。此外, 利用局域共振理论和振动位移云图分析复合结构的吸声机理, 采用不同的结构参数, 获得影响吸声性能变化的因素。研究结果对声学覆盖层的发展具有重要意义, 为水中武器声隐身性能的提高提供了重要技术支持。

1 吸声系数计算

当平面波由流体介质垂直入射到固体介质时, 在二者交界面处, 由于阻抗相差较大, 受反作用力的原因, 会有一部分声波被反射回来, 其声压反射系数为

当背衬为空气等刚性背衬时, 透射系数非常小, 近似为0, 所以已知反射系数时, 根据能量转化及守恒原理, 可求得吸声系数为

2 模型有效性验证及复合结构有限元模型建立

2.1 模型有效性验证

图1 验证模型

在第2层水域中设置背景压力场来仿真平面波入射, 入射角度为45°。反射系数的有限元解与文献[3]仿真结果对比如图2所示。二者曲线吻合良好, 由式(2)可知, 在反射系数已知的前提下, 可求得吸声系数, 因此验证了采用COMSOL软件计算空腔覆盖层与局域共振结构相结合的吸声性能的有效性。

图2 有限元解与理论解对比曲线

2.2 复合结构有限元模型建立

图3 复合结构示意图

表1 复合结构几何参数

表2 复合结构材料参数

图4 网格划分示意图

为验证复合结构的低频吸声效果, 将与文中模型同等大小的圆锥形空腔覆盖层、局域共振结构的吸声系数与文中复合结构的吸声系数进行对比, 结果如图5所示。可以看出, 复合结构相对2种单独结构, 吸声系数有明显提高, 且吸声频带拓宽, 这与2种单独结构的耦合有关。因此, 空腔型水声覆盖层与薄膜型局域共振结构的复合, 不但提高了前者的吸声效果, 而且对于解决后者吸声频带窄的问题具有实践指导意义。

图5 吸声系数对比图

3 吸声机理分析

为研究复合结构的吸声机理, 通过有限元仿真对其振型进行分析研究。图6为局域共振结构在10 Hz和1 340 Hz处的振动位移云图。如图6(a)所示, 10 Hz处, 薄膜质量块均向下振动, 振动位移沿半径方向减小; 而在吸声峰1 340 Hz处, 如图6(b)所示, 薄膜质量块均向上振动, 中心质量块处比周围薄膜的振动位移要小, 根据局域共振结构的反共振吸声原理, 当入射声波频率与结构的振动频率相同时, 振动位移达到最大, 结构振动方向与声波振动方向相反, 由于声波为纵波, 振动方向与传播方向相同, 那么局域共振结构向上振动且振幅最大时, 吸声系数达到峰值, 由此可知薄膜质量块在10 Hz处基本无吸声作用, 而在吸声峰1 340 Hz处声波激发局域共振结构产生反共振, 消耗声能, 起到吸声的作用。由于局域共振结构与空腔型覆盖层存在耦合, 使得吸声峰处局域共振结构的振幅发生变化, 即中心质量块的振幅比其周围薄膜的位移要小。

图6 局域共振结构振动位移云图

空腔型水声覆盖层在10～2 000 Hz内的振型有2种, 一种如图7(a)所示, 覆盖层整体有竖直向下的振动位移, 振幅由上向下逐渐减小; 另一种如图7(b)所示, 覆盖层整体有竖直向上的振动位移, 振幅由上向下逐渐增大, 2种振型中空腔均无水平方向的变形, 垂直入射的声波无法在覆盖层中产生多重散射, 因此吸声效果不明显。而复合结构中空腔覆盖层在各频率点处的结构振幅无较大差异, 以吸声峰1 340 Hz处的振动情况为例, 如图8所示, 橡胶覆盖层有相同的向下振动的位移, 且振幅较大, 上半部分空腔仅有竖直向下的位移, 无水平方向的挤压变形, 而下半部分空腔虽然振幅较小, 但空腔水平向外扩张, 表明此时空腔覆盖层的吸声机理为: 下半部分空腔周围橡胶的横向振动带动空腔水平向外扩张, 使得垂直入射的纵波转化成水平方向传播的剪切波, 而剪切波具有阻尼高的特点, 能够消耗更多的声能, 以此达到吸声的目的。

图7 空腔覆盖层低频振动位移云图

图8 复合结构空腔覆盖层振动位移云图

通过分析复合结构的吸声机理可知, 复合之后空腔覆盖层振型发生根本性的变化, 下半部分空腔的扩张变形是其影响吸声效果的主要因素, 故在频率范围内进行研究, 吸声效果得到了较大提高; 而复合之后的局域共振结构, 由于耦合作用使得其反共振频率向高频移动, 因此吸声峰所处频率较高。

4 调控规律分析

为研究该复合结构吸声效果的调控规律, 分别对覆盖层厚度、穿孔率、下半部分空腔厚度、覆盖层损耗因子4个参数变化对吸声性能的影响进行了仿真分析, 曲线对比如图9所示。如图9(a)所示, 覆盖层越厚, 吸声峰越向低频移动, 吸声系数先增大后减小, 但幅值变化幅度较小, 带宽略变窄。覆盖层厚度的增大可以提高低频吸声系数, 但注意到覆盖层每增加10 mm, 吸声系数向低频移动约100 Hz, 吸声系数提高小于0.1。

图9 结构参数对吸声系数的影响

如图9(b)所示, 吸声峰频率随着穿孔率的增大而向高频移动, 吸声系数先减小后增大, 吸声频带变宽。事实上, 随着穿孔率的增大, 一方面, 使得下半部分空腔体积变大, 与周围的橡胶接触面也变大, 因此空腔变形量及其周围橡胶的变形量增大, 从而增大纵波向横波的转化, 提高吸声效果; 另一方面, 由前文吸声机理分析可知, 局域共振结构影响吸声峰的位置, 而穿孔率的增大同时使得薄膜面积增大, 根据计算, 穿孔率每增大0.1, 薄膜半径平均随之增大约1.86 mm, 而此时吸声峰向高频移动, 验证了前文吸声机理分析的准确性。

如图9(c)所示, 随着下半部分空腔厚度逐渐变大, 吸声系数先增大后减小, 吸声峰频率向低频移动, 带宽变窄。由吸声机理可知, 低频激励下, 下半部分空腔的变形使得低频吸声效果增强, 所以低频吸声系数增大; 同时薄膜面积减小, 薄膜每向上移动1 mm, 半径平均减小约0.33 mm, 与图9(b)变化规律对比可知, 吸声峰向低频移动。

如图9(d)所示, 随着损耗因子的增大, 吸声效果逐渐增强, 损耗因子每增大0.1, 吸声峰处的吸声系数约提高12%。由此可见复合结构吸声效果的强弱与橡胶覆盖层材料参数的关系较大。

5 结论

通过对比分析有限元解与解析解, 验证有限元仿真结果的有效性, 基于多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics建立了空腔型水声覆盖层与局域共振结构相结合的复合结构, 通过分析其振动模态, 揭示其吸声机理, 此外, 还分析了复合结构吸声性能在不同参数情况下的变化规律。研究可以得出如下结论。

1) 空腔覆盖层和局域共振结构的耦合能够提高低频吸声效果, 拓宽吸声频带。

2) 复合结构的吸声机理为: 复合结构中的空腔覆盖层, 其下半部分空腔向外扩张, 带动其周围橡胶产生水平方向的振动, 从而实现纵波向横波的转化, 吸收一部分声能。局域共振结构同时向上振动, 二者耦合提高覆盖层的低频吸声效果。

3) 吸声峰峰值的大小与橡胶覆盖层的材料参数有关, 其随损耗因子的增大而增大; 吸声峰所处频率随着穿孔率的变大、薄膜面积的变大而向高频移动。

该水声覆盖层有力地提高了低频吸声性能, 拓宽了吸声频带, 对于提高水下航行器的声隐身性能, 进而提高其作战能力具有重要应用价值, 但耦合吸声峰频率向高频移动较大, 如何将耦合吸声峰移动到低频还有待进一步研究。

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Low Frequency Coupling Sound Absorption Mechanism and Regulation Law of Underwater Acoustic Coating

WANG Jia-beiZHOU Hao

(College of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

The underwater acoustic coating has a significant influence on the acoustic stealth performance of underwater vehicles. To enhance the low-frequency sound absorption performance of the underwater acoustic coating, a composite model with a local resonance structure embedded into the cavity-type coating is established based on the finite element method, and its sound absorption performance is studied in the 10-2 000 Hz band. The structural vibration mode of the film quality of the composite model is analyzed using local resonance theory. The sound absorption mechanism of the composite model is analyzed in combination with the vibration displacement contour of the cavity-type coating. In addition, by adjusting the geometric parameters of the model, the law affecting the change in sound absorption performance is obtained. The results show that: 1) the coupling between the cavity-type coating and the local resonance structure can improve the low-frequency sound absorption effect and widen the sound absorption band; 2) the sound absorption mechanism of the composite structure is as follows: the cavity in the lower part deforms to realize the transformation of P-wave to S-wave and the upward vibration of the local resonance structure consumes sound energy, which work together to improve the sound absorption coefficient; 3) the sound absorption peak generated by coupling mainly increases with the increase in the loss factor of the coating, and the frequency of the sound absorption peak mainly moves to a high frequency with an increase in the film area.

underwater acoustic coating; low frequency coupling; local resonance; vibration displacement; sound absorption

TJ630.1; TB566

A

2096-3920(2021)06-0775-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.019

王佳蓓, 周浩. 水声覆盖层低频耦合吸声机理及调控规律研究[J]. 水下无人系统学报, 2021, 29(6): 775-781.

2021-03-17;

2021-04-07.

王佳蓓(1997-), 女, 在读硕士, 主要研究方向为振动与噪声控制.

(责任编辑: 许 妍)