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1、第48卷第1期2016年1月力 学 学 报Chinese Journal of Theoretical and Applied MechanicsVbl48，NO1Jan，2016研究论寓基于传递函数法的水下消声层声学性能研究D叶昌铮对孟晗甜辛锋先蚶2)卢天健时+(两安交通大学航天航空学院，多功能材料和结构教育部重点实验室，西安710049)+(西安交通大学航天航空学院，机械结构强度与振动国家重点实验室，西安710049)摘要潜艇在水下潜航时，为防止敌方声呐的探测，需要采用各种主被动手段来降低自身的噪声，其中主要手段就是在潜艇外壳覆盖黏弹性消声瓦结构针对潜艇消声瓦结构降噪问题，考虑结构两侧的流
2、体负载，建立了潜艇壁面水下消声覆盖层的消声理论模型将潜艇壁面结构简化为无曲率的无限大薄板，基于基尔霍夫(Kirchhoff)薄板理论和声波方程，应用传递函数法导出了消声覆盖层的声压插入损失利用所建理论模型进行了数值计算，讨论了不同的内侧流体介质、艇壳厚度、消声层厚度和孔腔形状对壁面结构振动与声学性能的影响研究发现，内侧介质为空气时，在低频段，消声层对结构振动的削弱量小于消声层加入后艇壳振动的增强量，故消声层的加入反而使壁面结构的振动增大；在高频段，覆盖消声层后壁面结构的振动明显减小内侧介质为水时，覆盖消声层后，壁面结构的振动在全频段均减小，且减小量随频率的增加而增加增大艇壳厚度及消声层厚度有利
3、于潜艇壁面结构的减振降噪当消声层孔腔内径沿潜艇内侧至外侧的方向先减小再增大时，消声层在高频段减振降噪效果较佳；当孔腔内径沿潜艇内侧至外侧的方向先增大再减小时，消声层在中频段的减振降噪效果更好关键词水下消声层，传递函数法，减振降噪，声学性能中图分类号：0326 文献标识码：A doi：1060520459187915087TRANSFER FUNCTIoN METHoD FOR ACOUSTIC PROPERTY STUDY OFUNDERATER ANECHOIC LAYER 1)Ye Changzheng+，+Meng Han+，+Xin Fengxian+，+，2)Lu Ti刎ian+，+
4、(MOEKeyLaboratoryforMultifunctfDnalMaterialsandStructures，崩allJiaotong University，Xian 710049，China】+(StateKeyLaboratoryforMechanicalStrengthand Vibration，SchoolofAerospace，艇anJiaotongUniversity，Xian 710049，China)Abstract This paper investigates theoretically the noise reduction property of a submar
5、ine wall structure consistingof submarine hull and underwater anechoic layers that contain inner holesThe case that both sides of the submarinewall structure are excited by fluids is consideredBuilt upon the transfer function method，an analytical anechoic model isdeveloped to determine the pressure
6、insertion loss induced by the anechoic layerNumerical calculations are subsequentlycarried out to investigate the influence of fluid medium type，thickness of submarine hull，thickness of anechoic layer aswell as shape of inner holes upon the vibroacoustic properties of the structureWhen the fluid med
7、ium inside is air,atlow frequencies，the reduced vibration due to the anechoic layer is smaller than the increased vibration of submarine hullcaused by the anechoic layer,and hence the vibration of the whole structure is increased；at high frequencies，however,2015_03一18收稿，2015-0821录用，2015_09_07网络版发表1)
8、国家基础研究计划(2011CB610300)，国家自然科学基金(51528501，11321062)，中央高校基本科研专项基金(2014qngzl2)和国家留学基金资助项目2)辛锋先，副教授，主要研究方向：轻质材料结构流固耦合动力学、声振耦合理论j实验Email：fengxian，xingmailcom，fxxinmailxjtueducn引用格式：叶昌铮，孟晗，辛锋先，卢天健基于传递函数法的水下消声层声学性能研究力学学报，2016，48(1)：213224Ye Changzheng，Meng Han，Xin Fengxian，Lu TianjianTransfer function meth
9、od for acoustic property study of underwater anechoiclaveL ChineseJournalofTheoreticalandAm，liedMechanics201648(1)：213224万方数据214 力 学 学 报 2016年第48卷the anechoic layer leads to significant aaenuation in vibration of the whole structureWhen the fluid inside is water,the anechoic layer attenuates the vib
10、ration of the whole structure at all frequencies，with the attenuation increasing withincreasing frequencyIncreasing the thickness of submarine hull or anechoic layer reduces the vibration of the wholestructureWhen the hole diameter first decreases and then increases in the direction from inside to o
11、utside the submarine，the anechoic layer exhibits the best auenuation effect at high frequencies；when the hole diameter first increases and thendecreasesthe best attenuation is achieved at medium frequenciesKey words anechoic layer,transfer function method，vibration and noise reduction，acoustic prope
12、rty引言潜艇具有隐蔽性好、突袭力强等特点，是海战中的重要威慑力量，各国海军对其发展极为重视11但是，伴随着声纳技术的不断发展，潜艇的隐蔽性已经成为了其最重要的性能之一，也是潜艇技术需要优先考虑的发展方向【21潜艇的辐射噪声每降低610dB，敌方被动声纳的作用距离就可降低约50，而己方被动声纳的作用距离可提高1倍左右【31在潜艇壳体表面覆盖消声层是提高潜艇声隐身性能最常用的方法。消声层既能吸收敌方声纳探测声波的能量，减少其反射，又可减少潜艇内部机械振动产生的噪声辐射，同时还可改善艇体表面的流体动力特性，减小阻力【4】因此，针对水下消声结构声学性能开展研究，对提高潜艇的声隐身效果起着至关重要的作
13、用水下消声结构得到了各海洋军事大国的重视，并被广泛运用于潜艇结构降噪【5】在诸多材料中，高分子黏弹性材料在消声结构中的应用最广，包括共振式、阻抗渐变式、夹芯层式、微粒复合式和压电复合式结构等典型结构【6】，主要消声机理有4,71：黏弹性损耗吸声、波型转换吸声、周期散射吸声、低频谐振吸声等针对包含有颗粒夹杂物的消声层，有学者从理论上求解了颗粒复合材料的等效参数【引赵敏兰等【9】基于文献8】的理论，求解了含球形孑L腔弹性体的等效参数，研究了这种消声层的消声性能有人进一步研究了背衬对含球形夹杂物消声层的影响，指出背衬在低频段的影响较明显，当背衬质量增加时，吸声峰值向低频方向移动【10】还有人利用波导
14、法研究了含多重柔性管栅的黏弹性消声层的声学特性【1l_12】；朱锡等131提出了夹芯复合材料在消声层中的应用，指出这种结构具有结构承载和声隐身一体化的优点，避免了传统消声层容易脱落的问题另外，文献【14】提出了一种名为声子玻璃(phononicglass)的材料结构，这是一种在传统的具有网络状结构的泡沫铝中填充聚氨酯材料的结构，其在很高的水压下还能保持较宽的消声频带目前，在众多类别的消声结构中，内部含有渐变孔腔的开孔型消声层运用最广由于消声层孔腔的尺寸沿厚度方向变化，故消声层内的声学参数也沿厚度方向变化理论分析时，有必要把开孔型消声层等效为多层均质结构，然后利用传递函数法开展研究例如，有学者从
15、理论上推导出了由固体层和液体层组成的多层系统在声波入射下的传递矩阵【15】；杨雪等【16】运用三维传递矩阵的数学模型，计算了多层复合结构的吸声系数，发现外层材料的性能参数变化对吸声性能的影响更为明显；还有学者对多层黏弹性结构的声波反射和透射性能进行了综合分析与计算【17-18】；有人针对声波的斜入射问题，对多层结构进行了研究1191。此外，何世平等【20】通过解析计算，给出了含变截面圆柱形孔腔消声层的二维近似解；文献【21】运用有限元法，以阿尔贝里西(A1berich)型开孔消声层为例，分析了双重周期结构的消声层的声学性能；陶猛等【22】则研究了阿尔贝里西消声层的低频消声特性及其与内部孔腔共振
16、之间的关系在相同穿孔率的情况下，有人对消声层内孔腔的形状进行了分析比较，发现含圆台型空腔优于含圆柱型空腔123；有人从理论和实验两个方面对含有方形截面和圆形截面孔腔的消声层迸行了声学性能的分析与比较【24】；还有人运用马尔可夫链蒙特卡尔理论(MCMC)对消声层进行了优化分析，比较了不同孔腔截面形状对消声性能的影响251；文献26】则主要通过有限元法，研究了含圆柱形孔腔的消声层的声学性能上述研究大多是针对消声层自身的研究，未考虑潜艇壳体与消声层的耦合振动对整个壁面结构的影响针对覆盖有消声层的平板，在平板受到激振力时，有学者采用弹性理论研究了整个结构的声学性万方数据第1期 叶昌铮等：基于传递函数法
17、的水下消声层声学性能研究 215能27】；针对开孔型消声层与潜艇壳体相连的潜艇壁面结构，文献【28】研究了当艇壳受到激振力时壁面结构的振动与声学性能，指出整个结构的减振降噪效果来自于消声层对结构振动的削弱作用，并非平板自身振动的减弱在文献28】工作基础上，本文进一步考虑潜艇壁面结构两侧流体负载对水下消声覆盖层声学性能的影响本文考虑潜艇的外壁面结构，可以是潜艇中人员生活工作的舱室或放置艇用设备器械的舱室，其壁面结构的内侧介质为空气，外侧介质为水；也可以是控制潜艇升降、平衡的水舱，其壁面结构的内外侧介质均为水因此，本文在壁面结构两侧均考虑流体负载，相比文献28只考虑外侧水介质的工况更符合实际另外，
18、在相同的激振力作用下，本文还比较了相同的壁面结构应用于不同的介质工况(内侧介质为空气或水)时，结构振动与声学性能的异同，而这在其它文献中很少涉及下文将选取由艇壳和开孔型消声层两部分组成的潜艇壁面结构为研究对象，建立其消声理论模型，应用传递函数法进行解析求解随后，根据具体的材料、介质参数，利用理论模型进行数值计算，讨论内侧介质、艇壳厚度、消声层厚度和孔腔形状等因素对潜艇壁面结构振动与声学性能的影响1理论分析11无消声层时潜艇壳体的声学性能如图1所示，由于艇壳的曲率较小，且其厚度远小于壁面尺寸，为简化分析将其考虑为无曲率的无限大薄板，其厚度为h，内侧介质记为介质1，外侧介质记为介质2假设潜艇内部传
19、给艇壳的振动为点激振力Fe一一有鉴于结构的轴对称性，采用圆柱图1无消声层时潜艇壁结构示意图Fig1 Schematic of submarine wall structure without soundanechoic layer坐标系，Dr平面位于艇壳的中面，俄轴位于激振力的作用线上，方向指向潜艇外部介质2中任意一点(r，z)离原点0的距离为R，原点与该点连成的向量与Dz轴的夹角为0基于薄板理论，艇壳的振动方程为D(V4一霹)w。(r)=Pl(ro)一P2(o)+F丽6(r)(1)式中，w。(r)为艇壳上各点在其法向上的位移，P1(r，o)与P2(r，o)分别为介质1与介质2中艇壳处的声压值
20、，D=Eh3l 12(1一v2)I为艇壳的抗弯刚度，其中E和y分别为其母体材料的杨氏模量、泊松比kf=12w2(4h2)14为艇壳中的弯曲波波数，叫为圆频率，Cp=棚可而=了历习为艇壳中的压缩波波速，P。为艇壳的密度介质1和2中的声波控制方程为【291h筹啊m相=。 (V；+面02+琏krz)=。 (3)式中，pl(，z)和P2(z)分别为介质1和2中的声压，kl=uc1和k2=山c2分别为介质1和2中的声波波数，cl和c2分别为介质1和2中的声速利用汉克尔变换，可分别把式(1)式(3)变换到波数域中off4一碍)话。(y)=p1(y，o)一P2(，o)+磊F (4)嘉+(炙；)暴+(忌；)p
21、l，z)P2(y，z)0O(5)(6)式中，y为波数，访。，卢l和p2分别为W。，Pl和P2在波数域中的值下文中，若把某一物理量x记为贾，则贾为x在波数域中的值。联立求解式(4)一式(6)，可得在波数域中，艇壳位移和介质1和2中的声压分别为；F 1砜)-盖丽万杀石丽 (7)p1(y，z)=i“应1(，)茹。(y)eiz谰一y2 (8)p2(7，z)=一iwZ2(y)谛w(7)elz镌一r (9)式中，毛(y)，21(y)和之(y)分别为波数域中艇壳的机械阻抗、介质1的声阻抗、介质2的声阻抗，其表达式分别为万方数据216 力 学 学 报 2016年第48卷Zw(y)：-i训(，一号) ，2t(7
22、)=芒(11)牛一7222(7)：；竺 (12)碍一y2式中，P1和P2分别为介质1和2的密度对式(7)式(9)分别进行反汉克尔变换可得波数域中，艇壳位移和介质1和2中声压的如下无穷积分形式 圳=羔C丽碱1矗1(7r)yd， (13)州=石F C丽eiz啊聃yr)，曲 (14)蹦=嘉C丽eiz疳矗1(7r)7d7 (15)对式(13)式(15)，其无穷积分可变换为在复平面中的周线积分，然后运用稳相法可得介质2中存原始举标系下的远场声乐为P2(R，0)= 一百itop2Feik2R2w(70疆专万百丽16)2丌R +21(y。)+磊(y。) 、1。7式中，y。=k2 sin 0为稳相点处y的值1
23、2有消声层时潜艇壁面结构的声学性能有消声层时，潜艇壁面结构由潜艇壳体和消声层组成，如图2所示考虑基于黏弹性高分子材料(橡胶)的开孔型消声层，其内的孔腔周期性排列，孔腔的横截面沿其轴向渐变声波传入时，材料中的高分子链产生形变与相互之间的内摩擦，从而声能转化为热能而被损耗另外，由于流体介质只能传播纵波，而固体介质可以传播纵波与横波，故在基底材料靠近孔腔表面的区域内，由孔腔内流体部分传来的纵波会部分转换为横波由于横波剪切变形比纵波体积变形更易使黏弹性高分子材料产生热能损耗，故开孔后产生的这种波形转换作用可以增强消声层对声能的损耗【4，71图2有消声层时潜艇壁面结构Fig2 Schematic of
24、submarine wall structure with sound anechoic layer如图3所示，由于开孔型消声层中的孔腔呈周期性分布，建模计算时可仅分析含单个孔腔的胞元(单元胞)简便起见，考虑正六棱柱胞元并将其近似为圆柱胞元，如图4所示，近似的原则是孔腔在胞元中所占的体积分数不变该近似已被证明足够精确【30】1101 izontaprofile阁3消声层的剖面图Fig3 Profile of anechoic layerH 4消-jdjf!iFig4 Unit cell in anechoic layer考虑单元中孔腔的横截面大小沿其轴向渐变，如图5(a)所示该渐变孔腔可简化为
25、如图5(b)所示的多层等间距声学圆管结构，邻近层界面满足声压连续和质点振速连续的条件20，311，夕m小盯eaUa万方数据第1期 I铮譬：JL j二f0递函数法的水下消声层声学性能研究 217(a)孔腔剖而I訇a1 Profile of hole in anechoic layerj jj、th segment ith segment 1 st segment(b)孔腔轴向分层示意图(b)Axial hole segments in anechoic layer图5消声层胞冗剖面Fig5 Crosssection of unit cell in anechoic layer有消声层覆盖时的潜艇
26、壁面结构如图6所示与图1所示的无消声层潜艇壁结构相比，内外部的介质依然分别记为介质1、介质2，激振力不变，坐标系的选取不变艇壳的厚度为h，消声层的厚度记为H消声层与艇壳问的界面记为消声层前界面，而消声层与介质2间的界面记为消声层后界面介质2中任意一点(r，z)离0z轴与消声层后界面的交点的距离为尺7，Dz轴与消声层后界面的交点与该点连成的iU双 Z。V取j_n淼 暨， 把n“rl outside：medium 2 ?(=)二图6有消声层时潜艇壁面结构Fig6 Schematic of submarine wall structure with sound anechoic layer向量和oz
27、轴的夹角为07潜艇壁结构的总阻抗之(y)为之(y)=Zw(y)+2；(7)+之1(y) (17)其中输入阻抗之(y)为消声层与介质2之合的等效无限厚介质总阻抗，等于消声层前界面上的阻抗根据声学中阻抗的物理含义，消声层前界面上的阻抗应等于该界面上的声压与该界面上的振速之比，即她)=嬲 (18)式中，声为声压，哥为振速，上标(f)代表该物理量是消声层前界面上的相应物理量与此类似，上标(b)代表该物理量是消声层后界面上的相应物理量根据声振耦合原理，有消声层时艇壳的法向位移为渺(7)=瓦iF 1=一Z、v(y)+zr(y)+ZI(y) (19)与式(7)相比，上式只是在等号右边用输入阻抗之(y)代替了
28、介质2的声阻抗磊(y)采用与前文类似的推导，利用汉克尔变换，可得介质2中的声压(7，z)与消声层后界面处的法向位移形(6(y)的如下关系式卢m z)：一iu磊(7)(y)ei(：一H)疳(20)根据传递函数法，消声层前后界面的声压和振俐川们 ，式中，丁(y)为消声层的总传递矩阵，即m坡z锶糍引 ，如图5(b)所示，本文将消声层近似为N个分层根据传递矩阵的性质，消声层的总传递矩阵T(y)可表T(7)=Tf(y) (23)式中，Tj(y)为第i个分层的传递矩阵消声层的每一分层均可用等效参数法表征为均质材料20,311，由此万方数据218 力 学 学 报 2016年第48卷可得第i分层的传递矩阵为卜
29、。s(靠矗f)一远sin(驰)正卜li丁sin(毒ihi)cos(鼽)lQ4L Z “ J其中hr为第i层厚度，毒和Z分别为毒=砰一72 (25)2=_呈竺 (26)砰一俨其中，ki为第i层等效复波数，Pf为第i层等效密度由于黏弹性对声波产生的能量损耗，对黏弹性材料进行声学分析时，常常把与之相关的物理量表示为复数形式，用复数的虚部来刻画能量的耗散3 21消声层中的声速C可表示为如下复数形式C=C，(1一iq。) (27)式中，C，为复声速C的实部，町。为声速的损耗因子将式(22)代入式(21)可得鬻=鬟，铽吼们酬鞣忆 V叫鳓=鞣 (31)她，=筠黼 ，对式(28)，在等号两边同时除以p(b(y
30、)后，再代入式(31)，可得消声层前后界面上的声压之比为黧洲卅掣Zz(y) (33)万嘶刮11+一 同样地，对式(29)，在等号两边同时除以哥(6(7)，再代入式(31)，可得消声层前后界面上的振速之比为鞣铴(y蜥忆 (34)由于嬲=器，结合却4闸得枞y)=以y)币砸丽1面35)把式(19)代入式(35)后可得 以y)=瓦iF丽潭丽1琢丽丽1瓦丽 36疋l(y)z2(7)+乃2(y)、再把式(36)代入式(20)可得 ，z)=磊Fi丽丽ZE(而y)I =ei(z咖调孑 (371Zw(y)+Z；(y)+ZlOt)、最后，在原始的坐标系中，由反汉克尔变换和稳相法可得介质2中的远场声压为 蹦雕)=一
31、百i09p2Feik2Rn(伯磊()+丁2()+【21(碟)+毛()【死l(y：)磊()+r22 03 (38式中，Z=k2 sin0为稳相点处y坐标的值13有无消声层时潜艇壁面结构的声学性能比较有无消声层两种情况下，前文分别给出了潜艇壁面结构声学性能表达式，主要由介质2中的远场声压评估无消声层时，介质2中的远场声压P2由式(16)给出；有消声层时，介质2中的远场声压P：由式(38)给出因此，对比两种情况下介质2中的远场声压，可以量化消声层对结构声学性能的影响在远场处，zH，故RR，矿0，磋y。式(38)除以式(16)，可得鬻=卅-(小鼬丁忧)丕忧)+丁-z雠)+p，雠)+氖(碟)【T2(磋)
32、易(以)+死z(碟)】 (39)声压插入损失为有消声层和无消声层时的远场声压比值，以分贝的形式表示为屿=20lg I鬻l ，万方数据第1期 叶昌铮等：基于传递函数法的水下消声层声学性能研究 219据式(20)和式(9)，可得 幽一竺塑一塑盟竺塑、卢2(y，z) 茹。(y) 1；c，。(y) 谛【f)(y)、 故声压插入损失也可表达为，Lp=20lgI篇l+20lgI业谛m(TDI(42，式(42)中，霄(D(y：)是消声层前界面上的法向位移，访。(ys)是无消声层时艇壳的法向位移；由于消声层与艇壳紧密相连，1=【，(n()也是有消声层时艇壳的法向位移因此，位移比茹(D(碟)谛。(y。)代表消声
33、层加入前后艇壳的振动变化，位移比茹(6(磋)茹(D(以)则是消声层后界面位移与其前界面位移之比，代表消声层对结构振动的削弱程度由式(19)与式(7)可得谛(o(y) 毛(7)+2l(y)+磊(7)一=：一1：【，。(y) 毛(7)+之(y)+之1(，)由式(35)可得1：【，(6(y)茹(D(y)T2l丕(y)+乃2将式(43)和式(44)代入式(42)中，可得2吨I篇|=20l刮糍葛豢鬻2吨l鬻J=20lg l丽瓜斋丽(43)(44)(45)在下文的计算分析中，选取声学中常用的法向，即统一的方位角0=0来比较不同参数对潜艇壁面结构声学性能的影响，此时弧=y，=0另外，把1；【，(D(碟)访。
34、(弘)与谛(6(磋)霄(o()分别简记为w棚gJ篇卜g J鬻协简记为dBWFw与dBWBF至此，利用声压插入损失儿。可以刻画消声层的加入对潜艇壁面结构声学性能的影响，其值可由式(39)与式(40)求得，厶自身可表示为两个位移比dBwFw与dBWBF的叠加，其计算式为式(45)2数值计算与结果分析本节的数值计算讨论了相关系统参数对潜艇壁面结构振动与声学性能的影响，具体包括不同的介质1、艇壳厚度、消声层厚度和孔腔形状计算时，艇壳考虑为钢材(密度P。=7 800kgm3)，厚度h=002m如图5(b)所示，将消声层近似为4层，从前界面到后界面依次记为第1到第4层，各层均等效为均质材料，其等效密度Pf
35、、等效复声速实部Cr,i、损耗因子以及厚度hf列入表1此外，空气介质和水介质的物理参数均取20。C(室温)时的值，如表2表1消声层各分层的材料参数Table l Material parameters of different anechoiclayer segments表2流体介质参数Table 2 Medium parameters21理论模型的检验为检验理论模型，把本文中考虑的潜艇壁面结构所处的工况退化为文献【28】中潜艇壁面结构所处的工况，即不考虑内侧介质的存在(可认为P1=0)，外侧介质考虑为水，所用物理参数见表2在0到10kHz频率范围内，声压插入损失儿。以及位移比dBWew和dB
36、WBF的变化曲线，如图7所示；计算时所取的结构以及材料参数与文献28】给出的一致图7结果表明，本文计算结果与文献28结果吻合良好，这检验了本文理论模型的合理性0 二 4 6 8 10frequencykHz图7介质1不存在时潜艇壁面结构的声振性能Fig7 Vibroacoustic properties of submarine wall structure in theabsence of medium 1万方数据220 力 学 学 报 2016年第48卷22不同介质1时的潜艇壁面结构声学性能本文考虑的潜艇壁面结构可以是潜艇中人员生活工作的舱室或放置艇用设备器械的舱室，此时壁面结构的内侧介质
37、为空气，外侧介质为水；也可以是控制潜艇升降、平衡的水舱，此时壁面结构的内外侧介质均为水针对壁面结构用于不同的舱室时所处的不同工况，本小节把介质1(内侧介质)考虑为空气或水，分析比较这两种工况下壁面结构的声学性能，如图8所示其中，介质1为空气时的声学参量，厶和dBW冈v，用下标(1)标出，介质1为水时的相应参量用下标(2)标出据式(45)，位移比dBWBF与介质1的性质无关，故介质l不同时，dBWBF不变，图8以一条曲线(黑色实线)标出其值从图8可以看出，随着频率增大，dBWBF呈现负向增大的趋势，表明消声层的引入削弱了艇壳的振动，且随着频率的增大，削弱程度逐渐增大 ：4 6 8 lnfrequ
38、encykIlz图8介质1对潜艇壁向结构卢振性能的影响Fig8 Influence of medium 1 on vibroacoustic properties of submarinewall structure从图8可以看出，当介质l为空气时，dB孵Y始终为正值，且在频率约为06kHz时存在峰值，这说明，在低频段，消声层的加入增强了艇壳的振动，在约o6kHz时最为明显在高频段，dB碟随频率增大而递减，直至逐渐趋于0，换言之，消声层对艇壳振动的增强作用逐渐减小，最终趋于0另外，在低频时，声压插入损失儿口(1)为较小的正值；在中高频段，儿D(】)随频率增大而负向增大声压插入损失儿。是两个位移
39、比dBwFw与dBWBF的叠加低频时，ldB彬IIdBWBFI，故声压插入损失为正值，即消声层的加入加强了潜艇壁面结构的振动，中高频时，IdB蝶IldBWBFI，因此声压插入损失为负值，即消声层的加入使潜艇壁面结构的振动减弱由此说明，当介质为1空气时，消声层在中高频段能起到不错的减振降噪效果当介质l为水时，儿。(2)曲线在全频段均为负值，且随着频率的增大负向增大，这说明在该工况下，壁面结构在全频段均有不错的减振降噪效果，且频率越高，效果越好这主要是因为，相较于介质1为空气时的dB彬曲线，介质1为水时的dBW癸曲线有类似的变化趋势，但低频段的峰值大幅降低，故声压插入损失儿D(2)始终为负值因此，
40、与介质1为空气的工况相比较，本文考虑的潜艇壁面结构用于介质1为水的工况时在低频段的减振降噪效果更好，在高频段的区别则不大23艇壳厚度的影响以下分析艇壳厚度对潜艇壁面结构声学性能的影响其它材料、介质参数保持不变(表1和表2)，仅改变艇壳厚度h，分别取h=001 m，002m和004m，结果如图9所示其中，图9(a)是介质1为空气时各声学参量随h变化的对比示意图，3种艇壳厚度从小到大所对应的声学参量依次用下标(1)，(2)和(3)标出；图9(b)是介质l为水时，各声学参量随h变化的对比示意图，艇壳厚度从小到大所对应的声学参量依次用下标(1)，(2)和(3)标出从图9可以看出，艇壳厚度越大，dBWF
41、w的值越小，即由于消声层加入引起的艇壳振动增强作用越小；与此同时，声压插入损失儿。随厚度的增大而负向增大，即壁面结构的减振降噪性能随艇壳厚度的增大而增大兽j lo董芒g 0羔宝刁宅-10要兰墨一2()专篓f】 二 4 O Hfrequencykllz(a)介质1为空气(a)Medium 1 is air图9艇壳厚度对潜艇壁面结构声振性能的影响Fig9 Influence of submarine hull thickness onvibro-acoustic properties万方数据第1期2 4 6 8frequencykHz(b)Medium 1 is water图9艇壳厚度对潜艇壁面结
42、构声振性能的影响(续)Fig9 Influence of submarine hull thickness ON vibroacousticproperties(continued)据式(10)，艇壳厚度的增大反映的是其机械阻抗的增大结合上述分析，可得如下结论：增加艇壳厚度增大了其机械阻抗，有利于潜艇壁面结构的减振降噪24消声层厚度的影响本小节分析消声层厚度对潜艇壁面结构声学性能的影响相关材料、介质参数不变(表1和表2)，依然把消声层分为4个分层，选取各分层的厚度均为0005m，均为001m，和均为0015m 3种情况，计算结果如图10所示其中，图10(a)是介质l为空气时，各声学参量随消声层
43、厚度变化的对比示意图，消声层分层的厚度从小到大所对应的各声学参量依次用下标(1)，(2)和(3)标出；图lO(b)对应介质1为水时工况，消声层分层的厚度从小到大所对应的各声学参量依次用下标(1)，(2)和(3)标出O 2 4 6 8frequencykHz(a)介质l为审气alMedium l iS air0 2 4 6 8 10 2frequencykHz(b)介质1为水图IO消声层厚度对潜艇壁面结构声振性能的影响Fig10 Influence of anechoic layer thickness on vibroacousticproperties of submarine wall s
44、tructure图10结果表明，随着消声层厚度的增大，dBWFw在低频段的峰值逐渐增大且逐渐向低频方向移动，即消声层对艇壳振动的增强作用增大此外，伴随着消声层厚度的增大，dBWBF和儿。曲线向低频偏移，dBWBF和儿。在低频与高频段负向增大，在中频段有波动但也呈负向增大趋势，即潜艇壁面结构的减振降噪性能随消声层厚度的增大而增大综合上述分析，增大消声层厚度总体上有利于改善潜艇壁面结构的声振性能，且在高频段可显著增强减振降噪效果25子L腔形状的影响本文考虑的消声层被近似为4个分层，各层均等效为均质材料，每一分层的孔腔内径大小可采用该层的等效复声速的实部进行表征根据参数等效的原理，孔径越大，则该层的
45、等效复声速的实部越小，反之亦然1311在上文中，从前界面至后界面，消声层各分层等效复声速的实部依次取为300ms，400ms，500ms和600ms(即孔径逐渐减小)以下将这4个分层进行不同顺序的排列(其它材料、介质参数保持不变)，以探讨不同排列顺序(臣PTL腔形状)对潜艇壁面结构的振动和声学性能的影响就含4个分层的消声层而言，共有4 1=24种不同排列顺序比较所有24种排列顺序所对应的声压插入损失，LD后，选取其中典型的9条曲线分析其规律，如图I 1所示其中，图l I(a)和图11(b)分别是介质1为空气和水时，不同空腔排布顺序对应的声压插入损失比较，图中曲线19所代表的孔腔形状的各层声速如
46、表3mo圳珊瑚poIl罂lUuEouBlA：；lp口蠢oco芒。害万方数据学 报 2016年第48卷0 2 4 6 8 10 2ffequencykHz(a)介质1为空气(a)Medium 1 iS air() 2 4 n 8 10 I二frequencykIlz(b)介质l为水(b)Medium 1 is water图1l不同7L腔形状对插入损失的影响Fig1l Influence of hole topology on vibroacoustic proper【ies ofsubmarine wall structure表3不同孔腔形状的声速分布Table 3 Sound speed di
47、stribution for differenthole topologiesCurveinFig11比较图ll(a)和图11(b)可发现，低频时，随各分层排布顺序变化，声压插入损失的变化很小，中高频段时，随各分层排布顺序变化，声压插入损失发生明显变化：其中，25kHz左右的中频与5kHz以上的高频，曲线变化规律正好相反接下来以5 kHz以上的高频段为例，分析孔腔形状的声速分布规律；25kHz左右的中频段规律与之相反图11中，同一颜色的曲线代表其第1层的等效复声速具有相同的实部比较图中的9条曲线可以发现，无论对空气或水介质，第1层的等效复声速实部越小，对应的曲线在高频段越低，即潜艇壁面结构的减
48、振降噪效果越好：比较24种不同排列顺序，结果呈同样趋势第l层相同的情况下，比较曲线l，2和3，或比较曲线4，5和6，或比较曲线7和8，发现第2层的等效复声速实部相对于第1层的增量较大时，曲线在高频段较低，而其负增量较大时，曲线在高频段较高对曲线9而言，其第1层的等效复声速实部较大，第2层相对于第1层的负增量也较大，故在9条曲线中，其在高频段具有最高值进一步比较曲线2和3，或比较曲线5和6，发现在第2层的等效复声速实部比第1层的值的增加量较大的基础上，第24层的等效复声速实部依次减小的排列顺序可以使曲线在高频段更低最后，将等效复声速实部对应为孔径，即可得如下结论：沿前界面至后界面方向，当消声层中孔腔的内径在第1层中较大，在第2层中相对于第1层的减小量较大，在第24层中依次增大时，潜艇壁面结构的减振降噪效果在高频段更佳3结论针对潜艇的减振降噪问题，本文选取由潜艇壳体和开孔型消声层组成的潜艇壁面结构为研究对象，考虑结构两侧的流体负载