吸聲尖劈對聲納平臺聲場影響試驗(yàn)研究*

朱 理， 李海超, 龐福振,， 繆旭弘

(1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.中國人民解放軍92857部隊(duì)，北京 100007)

吸聲尖劈對聲納平臺聲場影響試驗(yàn)研究*

朱 理1， 李海超1, 龐福振1,2， 繆旭弘2

(1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.中國人民解放軍92857部隊(duì)，北京 100007)

為研究吸聲尖劈對船舶聲納平臺聲學(xué)環(huán)境的影響，開展了吸聲尖劈對聲納平臺水下聲場影響的模型試驗(yàn)研究；通過在聲納平臺結(jié)構(gòu)0 %,100 %敷設(shè)吸聲尖劈的情況，聲波分0°,90°,180°方向入射，討論了尖劈敷設(shè)方式、聲波入射方式對聲納平臺散射聲場的影響，得到了聲納平臺典型部位的聲壓分布。研究表明：吸聲尖劈可明顯改變聲納平臺的聲場分布，使聲納平臺自噪聲降低至少5 dB,局部區(qū)域可降20 dB以上，但其抑制效果隨考核位置、聲波頻率的不同而各有變化。

吸聲尖劈； 聲納平臺； 聲場； 試驗(yàn)研究； 聲學(xué)特性

0 引 言

吸聲尖劈通過在內(nèi)部設(shè)置空腔結(jié)構(gòu)，使其兼具諧振吸聲和阻抗過渡吸聲的優(yōu)點(diǎn)，因而,它是一種性能良好的吸聲結(jié)構(gòu)[1,2]。吸聲尖劈可有效降低艦船聲納平臺的自噪聲，目前已廣泛應(yīng)用于各類船舶中。自20世紀(jì)70年代，我國已有多名學(xué)者開展了吸聲尖劈的研究工作[3～5]，且該類研究的重點(diǎn)多集中于單個尖劈的微觀聲學(xué)性能分析，這對于指導(dǎo)型吸聲材料的設(shè)計(jì)無疑是有益的。但就吸聲尖劈的工程應(yīng)用，人們往往更關(guān)心吸聲尖劈對結(jié)構(gòu)聲場影響的宏觀效果，而國內(nèi)在該方面公開發(fā)表的文獻(xiàn)又相對較少[6～8]。

為表現(xiàn)吸聲尖劈對實(shí)際結(jié)構(gòu)聲學(xué)環(huán)境宏觀影響的真實(shí)性，準(zhǔn)確評價吸聲尖劈的實(shí)際降噪效果，本文采用試驗(yàn)方法開展了吸聲尖劈對聲納平臺結(jié)構(gòu)聲學(xué)環(huán)境的影響分析，討論了在不同聲波入射角度情況下聲納平臺水下聲場的分布，通過分析得到了吸聲尖劈對聲納平臺結(jié)構(gòu)聲場的影響。

1 模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕晌暭馀吐暭{平臺結(jié)構(gòu)模型兩部分組成。吸聲尖劈主要由基體結(jié)構(gòu)和階梯形復(fù)合空腔組成，通過改變基體材料的儲能模量和損耗模量，合理設(shè)計(jì)空腔形式，可有效改善吸聲尖劈的低頻吸聲性能，吸聲尖劈結(jié)構(gòu)形式和試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D1。

圖1 吸聲尖劈材料與試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

1.2 試驗(yàn)原理與試驗(yàn)工況

為保證模型水下狀態(tài)穩(wěn)定性和聲源設(shè)備布置的方便，真實(shí)反映實(shí)際海洋環(huán)境下空腔吸聲尖劈與聲吶平臺的耦合特性，本試驗(yàn)選擇在大連測控技術(shù)研究所碼頭試驗(yàn)海區(qū)進(jìn)行。為減小壁面效應(yīng)，降低波浪與海流的影響，模型通過吊車固定于碼頭水下3 m處，并將無指向性發(fā)聲換能器固定于同一水深固定距離處(見圖2)。為便于分析，本次試驗(yàn)共設(shè)置三個水聽器(見圖3)，1#，3#水聽器分別位于支撐圓筒前后端，2#水聽器位于支撐圓筒左側(cè)，與1#，3#水聽器連線呈90°。

圖2 試驗(yàn)原理圖

圖3 水聽器布置與安裝圖

試驗(yàn)工況主要根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)定，本試驗(yàn)主要考慮在上下平臺、后壁等處設(shè)置吸聲尖劈，分0 %，100 %尖劈敷設(shè)兩種狀態(tài)，各狀態(tài)下聲波分別以0°，90°，180°三種情況入射，各工況下聲源距離試驗(yàn)?zāi)Ｐ?0 m，各敷設(shè)狀態(tài)下的試驗(yàn)工況見表1，聲源布置與吸聲尖劈敷設(shè)狀態(tài)如圖4所示。

表1 試驗(yàn)工況表

*注：各試驗(yàn)工況下發(fā)生換能器峰—峰電壓始終為4 V。

圖4 聲源與各工況吸聲尖劈布置示意圖

2 吸聲尖劈對聲納平臺聲場的影響

當(dāng)聲波以一定角度進(jìn)入聲納平臺結(jié)構(gòu)時，部分聲波在上下平臺、后壁和支撐圓筒等表面處產(chǎn)生多反射；部分聲波進(jìn)入空腔吸聲尖劈且被吸收耗散掉。由于平臺結(jié)構(gòu)的幾何復(fù)雜性，聲波在聲納平臺結(jié)構(gòu)的反射異常復(fù)雜，此時聲納平臺結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)部的聲場分布將有很大差異，聲納平臺結(jié)構(gòu)的混響特性也有很大改變。為便于討論，現(xiàn)討論聲波以不同角度入射時其對聲吶平臺聲場的影響情況。

2.1 聲波0°方向入射時聲納平臺的聲場分布

圖5給出了聲波以0°角入射時，尖劈不同敷設(shè)密度下各水聽器的聲壓隨頻率的變化曲線。

圖5 聲波0°方向入射時吸聲尖劈敷設(shè)前后各水聽器聲壓曲線

由圖5可知，敷設(shè)吸聲尖劈后，聲波以0°角入射時，聲納平臺結(jié)構(gòu)內(nèi)部各點(diǎn)聲壓在逐步減小，但位置不同、頻率不同，各點(diǎn)聲壓的變化又略有差異：一方面，不敷設(shè)尖劈時，1#，2#處測點(diǎn)的聲壓大致相同，3#處與1#，2#處的差異較大；敷設(shè)吸聲尖劈后，1#，2#處測點(diǎn)聲壓的差異在逐漸加大，由此可見，影響1#，2#處的主要是聲源直達(dá)聲和支撐圓柱、后壁的反射聲；另一方面，吸聲尖劈對平臺自噪聲具有較好的抑制效果，多數(shù)頻點(diǎn)10～20 dB，局部頻點(diǎn)可達(dá)25 dB。

實(shí)際上，未敷設(shè)吸聲尖劈時，后壁和支撐圓柱的反射聲大致相同，故1#，2#處測點(diǎn)的聲壓基本相同；但敷設(shè)吸聲尖劈后，后壁的反射聲逐漸減弱，2#處的聲壓也隨之有較大衰減，故而1#，2#處的聲壓曲線差異較大。對于3#處而言，后壁的直接反射聲、后壁與支撐圓柱的多次反射聲是其主要因素，后壁反射聲與后壁及支撐圓柱的反射聲將發(fā)生很大改變，故而3#處聲壓變化較為大。

2.2 聲波90°方向入射時聲納平臺的聲場分布

圖6給出了聲波以90°角入射時，尖劈不同敷設(shè)密度下各水聽器的聲壓隨頻率變化曲線。

圖6 聲波90°方向入射時吸聲尖劈敷設(shè)前后各水聽器聲壓曲線

聲波以90°方向入射不敷設(shè)尖劈時，1#，3#測點(diǎn)的聲壓大致相同，2#處與1#，3#處的差異相對較大；敷設(shè)吸聲尖劈后，1#，2#處測點(diǎn)聲壓逐漸降低，但其變化規(guī)律基本相似；3#處的聲壓在不同頻段有一定起伏，但總體變化不大；另一方面，敷設(shè)吸聲尖劈后聲納平臺自噪聲水平有較大下降，吸聲尖其降噪效果普遍在10 dB以上，局部頻點(diǎn)降噪效果可達(dá)20 dB以上。造成上述現(xiàn)象的原因主要有：對于1#，3#測點(diǎn)而言，入射直達(dá)聲、支撐圓柱與后壁的反射聲是其主要因素，對于2#測點(diǎn)而言，入射聲、支撐圓筒與尖劈的反射聲是其聲壓的主要因素；聲波頻率改變時，后壁、上下平臺與支撐圓筒的反射聲在聲納平臺結(jié)構(gòu)的空間分布將發(fā)生改變，并最終導(dǎo)致各測點(diǎn)聲壓的差異。

2.3 聲波180°方向入射時聲納平臺的聲場分布

聲波180°方向入射時，敷設(shè)尖劈前后聲納平臺的聲場分布變化較大(見圖7)：敷設(shè)吸聲尖劈后，各測點(diǎn)聲壓除逐漸變小外其變化規(guī)律也逐漸趨于一致。對1#，2#處測點(diǎn)而言，不敷設(shè)吸聲尖劈時兩者聲壓的差異較大；敷設(shè)吸聲尖劈后其聲壓逐漸趨于一致。對于3#處而言，不敷設(shè)吸聲尖劈時后壁的輻射噪聲相對較大，0 %敷設(shè)時3#處噪聲較1#處偏大。但敷設(shè)吸聲尖劈后，后壁的輻射噪聲迅速下降，此時3#處測點(diǎn)的噪聲也在迅速降低；且此時聲納平臺結(jié)構(gòu)內(nèi)部的聲場已成為入射聲波的衍射聲場，故各水聽器的噪聲水平較為相近。對比圖7可以發(fā)現(xiàn)，此時尖劈的降噪效果約5 dB，其降噪效果較聲波0°，90°方向入射時顯著偏小。

實(shí)際上，聲波180°方向入射時，各水聽器接收的信號為聲源在聲納平臺結(jié)構(gòu)周圍形成的衍射聲和結(jié)構(gòu)受激振動產(chǎn)生的次級輻射聲，由于各測點(diǎn)位置不同，衍射聲與輻射聲大小各不相同，故各測點(diǎn)的差異也相對較大。1#測點(diǎn)距離后壁較遠(yuǎn)，且后壁產(chǎn)生的輻射噪聲被支撐圓柱所遮蔽，故1#處測點(diǎn)的噪聲主要為入射聲波的衍射聲和上下平臺受激振動產(chǎn)生的輻射噪聲；2#水聽器位于支撐圓柱側(cè)部，其接收到的聲信號為入射聲波的衍射聲和后壁的輻射聲，故該處聲壓最大；3#水聽器位于后壁和支撐圓筒之間，后壁產(chǎn)生的輻射噪聲是該處噪聲的主要因素，故其量值相對較小。

圖7 聲波180°方向入射時吸聲尖劈敷設(shè)前后各水聽器聲壓曲線

3 結(jié) 論

1)吸聲尖劈會改變聲納平臺結(jié)構(gòu)的聲場分布，并能有效降低聲納平臺結(jié)構(gòu)的自噪聲，但其抑制效果隨考核位置、聲波頻率的不同而各有變化。

2)聲波以0°角入射時，吸聲尖劈會降低聲納平臺結(jié)構(gòu)的自噪聲水平，但各點(diǎn)的聲壓變化隨考核部位、聲波頻率的不同又各有差異，不敷設(shè)尖劈時，1#，2#處的聲壓大致相同，3#處與1#，2#處差異較大；敷設(shè)吸聲尖劈后，各測點(diǎn)聲壓降低，但1#，2#水聽器測點(diǎn)聲壓的差異在加大，3#水聽器聲壓在不同頻段起伏較大；吸聲尖劈降噪效果約為10～20 dB，局部頻點(diǎn)降噪效果達(dá)25 dB。

3)聲波以90°角入射時，不敷設(shè)吸聲尖劈時1#，3#水聽器測點(diǎn)的聲壓大致相同，2#水聽器與1#，3#水聽器的差異相對較大；敷設(shè)吸聲尖劈后，1#，2#水聽器測點(diǎn)聲壓逐漸降低，且其變化規(guī)律基本相似；而3#水聽器在不同頻段有一定起伏，但總體變化不大；吸聲尖劈的降噪效果約為10 dB以上，局部頻點(diǎn)降噪效果達(dá)20 dB以上。

4)聲波以180°角入射時，敷設(shè)吸聲尖劈前，聲納平臺各處聲壓受聲波頻率的影響較大；敷設(shè)吸聲尖劈后，聲納平臺自噪聲有一定下降，且各水聽器測點(diǎn)的聲壓逐漸趨于一致；此種情況下吸聲尖劈的降噪效果約為5 dB，其降噪效果較聲波0°，90°方向入射顯著偏小。

[1] 周 洪,黃光速.高分子吸聲材料[J].化學(xué)進(jìn)展,2004,16(3):450-455.

[2] 王仁乾，馬黎黎，繆旭弘．帶空腔尖劈吸聲器吸聲性能的研究[J]．聲學(xué)技術(shù)，1999,18(4)：146-148．

[3] 朱金華,王源升.水聲吸聲高分子材料的發(fā)展及應(yīng)用[J].高分子材料科學(xué)與工程,2005,21(4):46-50.

[4] 唐海清，繆榮興，李君清．高壓消聲水池端部松木尖劈吸聲性能研究[J]．聲學(xué)與電子工程，2001,62 (2)：23-27．

[5] 魏軍光，喬冬平，張 霞,等．消聲水池用低頻吸聲尖劈的研制[J]．材料開發(fā)與應(yīng)用，2002,17(4)：32-34．

[6] 郭華林，駱東平，陳美霞,等．潛艇首部聲吶平臺區(qū)低頻自噪聲預(yù)報[J]．艦船科學(xué)技術(shù)，2005,27(4)：74-77．

[7] 龐福振，姚熊亮，孫龍泉,等．敷設(shè)吸聲尖劈的聲納平臺水下聲學(xué)特性試驗(yàn)研究[J]．華中科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011，39(4)：106-109．

[8] 龐福振，姚熊亮，孫龍泉，等．吸聲尖劈對板柱組合結(jié)構(gòu)水下聲學(xué)特性影響的試驗(yàn)研究[J]．船舶力學(xué)，2011，15(5)：570-576．

朱 理 (1986-)，男，遼寧葫蘆島人，博士研究生，工程師，主要從事船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造。

Experimental research of influence of sound absorption wedges on acoustic field of sonar platform*

ZHU Li1， LI Hai-chao1， PANG Fu-zhen1,2， MIAO Xu-hong2

(1.College of Shipbuilding Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001, China; 2.92857 Unit of PLA,Beijing 100007,China)

In order to study influence of sound absorption wedge on acoustic environment of ship sonar platform,experimental research of influence of sound absorption wedge on sound scattering field of sonar platform is carried out,by supposing entry angles of incident waves are 0°,90°,180°,respectively;while the arrangement density of sound absorption wedge is 0 %,100 %,sound pressure distribution of typical part is thus obtained.Study also shows that sound absorption wedge can change pressure distribution of sonar platform,and reduce self-noise level at least 5 dB,and over 20 dB with special location,however,the effect varies with the hot spot location and the frequency of acoustic wave.

sound absorption wedges; sonar platform; sound field; experimental research; acoustic characteristic

10.13873/J.1000—9787(2015)03—0051—03

2015—01—06

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51209052)；黑龍江省青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(QC2011C013)；哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2011RFQXG021)；上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(1307)；工信部高技術(shù)船舶項(xiàng)目;中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(HEUCF140117)；國防預(yù)研項(xiàng)目(4010403010103)；中國博士后基金資助項(xiàng)目(2014M552661)

U 661.4

A

1000—9787(2015)03—0051—03