消聲瓦的吸聲機理研究

海軍工程大學 振動與噪聲研究所 武漢 430033

現代戰場上的主要矛盾已經從“打擊”和“抗打擊”逐步向“發現”和“抗發現”轉化。消聲瓦技術是提高潛艇隱身性能，提高其戰斗力和生存能力的最有效措施之一。潛艇的特征是隱蔽、突襲，在現代反潛技術高度發展的今天，沒有良好的隱身性能的潛艇其后果是不可設想的。高性能的消聲瓦不僅具有優良的吸聲性能，而且具備優良的隔聲性能和抑振性能[1]，也就是說使用消聲瓦不僅能吸收敵方聲納的探測聲波，也能最大限度地隔離本艇的輻射聲波。高性能的消聲瓦還可用于聲納艙的非窗口艙壁,作為吸聲障板，消除回波干擾和艇的輻射噪聲干擾，提高聲納的探測性能[2,3]。因此對于新型消聲瓦的研究，開發擁有自主知識產權的、性能優越的消聲瓦是提高我軍潛艇戰斗力和生存能力的關鍵[4]。

針對這種強烈的軍事需求， 對消聲瓦的三個主要吸聲機理進行研究，為設計生產新型消聲瓦，提高我軍潛艇隱身性能提供了理論支持。

1 波散射或反射

消聲瓦內部的漸變過渡型空腔有兩個作用：一是使得阻抗從水到艇殼有一個漸變，使得聲波在水與消聲瓦的界面上反射減小，大部分能進入消聲瓦內部；另一作用是傾斜的界面使得波在傳播過程中不斷發生反射或散射，改變了傳播方向，這對較高頻率的吸聲十分有利。

根據散射理論，喇叭空腔對于彈性波來說可看成是彈性散射體。以彈性球狀散射體為例來定性分析一下喇叭空腔對散射的貢獻。當一列縱波入射到彈性球體上，從波矢ka= 0.2開始，球體處于寬帶諧振狀態，散射總功率迅速增大，到ka= 0.4左右，散射因子幾乎為3，其中95%為剪切波，其散射方向變為入射方向軸的兩側。在ka= 1.2處，只有25%的散射能發生波型轉換并變換了傳播方向，見圖1。

圖1 入射波為縱波時球形散射子散射場強

散射場的存在對提高消聲瓦吸聲性能有兩點好處：一是增加了從縱波到剪切波的變換，二是改變了彈性波傳播方向，由縱向變為斜向甚至徑向，增加了它們在消聲瓦內傳播距離。按目前消聲瓦的結構，假設空腔的當量半徑為5 mm，則從5 kHz開始有散射的影響，10～13 kHz左右剪切波散射場最為強烈。空腔的存在改善了第二吸聲平臺的吸聲性能，主要是散射的貢獻(在更高的頻段，則有反射存在)。

2 波形轉換

彈性波在橡膠中傳播時主要存在兩種形式：縱波和剪切波。縱波碰到摻入的雜質或小尺度空腔形成的各種界面時便會發生波型變換，由縱波變換成剪切波，增加了損耗。同時，在橡膠與水的界面上剪切波很難再從橡膠體內折射到水中去。所以增加橡膠體內剪切波是水聲吸聲結構的首選方案。

消聲瓦內的空腔可看成是變截面的圓柱管，均勻圓柱通道是其基本結構。本研究從均勻圓柱通道開始。均勻圓柱通道結構如圖2、3所示。在橡膠體內穿有成正三角形排列的互相平行的圓柱通道。現考察彈性波在具有這種結構的不均勻介質中的傳播特點。

圖2 均勻圓柱通道結

圖3 一個獨立的彈性管坐

彈性管振動方程為：

式中：ur——沿r方向的振動位移；

uz——沿z方向的振動位移。

聲學邊界條件為：內界面(r=a)為自由面，應力為零；外界面(r=b)處由于結構的對稱和重復，在正入射情況下可看成是靜止的，即徑向位移和介質內切應力均為零。

根據這個模型，研究在細管結構體中傳播的彈性波的復波數，推出結構內質點位移表達式為：

kL——橡膠材料的縱波波數；

C——待定系數，由初始條件決定。

圖4 剪切波位移

分析細管結構體內質點振動位移可以清楚地說明波型變換主要的吸聲機理。當水中聲波進入消聲瓦時，以縱波為主。縱波在橡膠體中沿細管界面傳播過程中，不斷地轉變為剪切波。這樣在消聲瓦內傳播的彈性波中縱波的成份越來越少，剪切波成份越來越多。所以細管在消聲瓦結構體內要有一定的長度(即占有一定的比例)才能保證有足夠多的縱波變換成剪切波。同時消聲瓦材料應該具有較高的剪切損耗因子和適當的模量值。這樣既能保證與水的良好匹配，又保證能大量地消耗進入消聲瓦內的彈性波的能量，達到良好的吸聲效果。

波型轉換效率與材料參數、結構參數均有關，并存在一個最佳值范圍。一般說來，聲波頻率越高，波型轉換效率也越高。在頻率為2 kHz時大約有3%的彈性波能量轉變為剪切波能量；當頻率為4 kHz時有10%的彈性波能量轉變剪切波。所以在消聲瓦吸聲的中高頻段波形變換起的作用較大。

3 空腔諧振

復合過渡型消聲瓦是早年諧振腔式消聲瓦的變型。對消聲瓦聲學性能的研究發現，其第一吸聲峰的大小和位置主要由變截面圓柱通道的諧振決定。諧振峰的位置隨著細管長度的增加向低頻移動，隨著穿孔系數的變大也向低頻移動，在移動同時吸聲帶寬變窄；喇叭空腔容積變大時吸聲峰也向低頻移動，但影響較小[5]；另一個影響諧振的是復剪切模量。理論分析指出：圓柱空腔的縱向諧振頻率大體上與剪切波的波速成比例，當剪切模量增大時，諧振峰往高頻移；剪切損耗因子不會改變諧振頻率位置，但較大的損耗因子會大大地改善諧振時的吸聲性能(圖5)。

因此，在低頻可以把消聲瓦的空腔結構看成是粘彈性阻抗壁面的諧振器。同時應當強調的是，這種粘彈性阻抗壁面的空腔諧振的吸聲機理是利用諧振時橡膠發生大的剪切形變，使其對聲波的吸收大大增加。

圖5 復剪切模量對諧振性能的影響

4 結論

1) 散射場的存在對提高消聲瓦吸聲性能有兩個好處：一是增加了從縱波到剪切波的變換，二是改變了彈性波傳播方向。

2) 細管在消聲瓦結構體內要有一定的長度，同時消聲瓦材料應該具有較高的剪切損耗因子和適當的模量值。

3) 當剪切模量增大時，諧振峰往高頻移；較大的損耗因子會大大地改善諧振時的吸聲性能。

由此可見對消聲瓦吸聲性能的研究， 對于研制出高性能的消聲瓦有著重要的理論意義。

[1] V.Easwaran， M.L.Munjal, Analysis of reflection characteristics of a normal incidence plane wave on resonant sound absorbers:A finite element approach[J]. Journal of Acoustical Society of America, 1993 93(3): 1308-1318.

[2] E.Meyeretal, Pulsation oscillations of cavities in rubber[J]. JASA, 1958,30(12):1116-1124.

[3] G.Gaunaurd, One-dimensional model for acoustic absorption in a viscoelastic medium containing short cylindrical cavities[J]. JASA, 1977,62(2):298-307.

[4] A.C..Hennion, J.N.Decarpigny, Note on the validity of using plane-wave type relations to characterize Alberich anechoic coatings[J]. Journal of Acoustical Society of America, 1992,92(5):2878-2882.

[5] 朱蓓麗.等效參數法研究帶圓柱通道橡膠體的聲學性能[J]. 上海交通大學學報,1997,67(7)：20-25.