声障板对单双壳体近表面声压增益影响的计算与分析.pdf
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1、第 42 卷第 4 期2023 年 8 月Vol.42,No.4Aug.,2023声学技术Technical Acoustics声障板对单双壳体近表面声压增益影响的计算与分析罗马奇,郝浩琦,寇红军,汲长远,吴友亮(杭州应用声学研究所,浙江杭州 311400)摘要:根据单双壳体声场的特点,采用不同的反声或吸声障板,对贴覆障板前后壳体近表面处声压增益的变化进行了数值计算,分析声障板对壳体近表面声场的影响,分析不同类型声障板解决双壳体在某些频点增益的正负突变问题的能力以及单壳体贴覆障板的效果。计算结果表明,声障板对于提高双壳体前表面的声压增益有明显效果,且多层橡胶复合反声障板优于泡沫反声障板,总体上
2、吸声障板比反声障板更具优势。对于单壳体,从提高近表面声压增益的角度,不加障板更好。关键词:单壳体;双壳体;声障板;声压增益中图分类号:TB56 文献标志码:A 文章编号:1000-3630(2023)-04-0431-09Calculation and analysis of the influence of acoustic baffle on the near-surface sound pressure gain of single and double shellsLUO Maqi,HAO Haoqi,KOU Hongjun,JI Changyuan,WU Youliang(Hangz
3、hou Applied Acoustics Research Institute,Hangzhou 311400,Zhejiang,China)Abstract:According to the sound field characteristics of single and double shells,the numerically calculations of the change of sound pressure gain of the shells before and after attaching different sound-reflection baffles or s
4、ound-absorption baffles are performed in this paper.The influence of acoustic baffles on the sound field near the shell surface is analyzed,and the abilities of different types of acoustic baffles to solve the positive and negative gain mutation problem of double shells at some frequency points are
5、investigated.The calculation results show that the acoustic baffle has obvious effect on improving the sound pressure gain of the front surface of the double shell,and the multi-layer rubber composite sound-reflection baffle is superior to the foam sound-reflection baffle,and the sound-absorption ba
6、ffle has more advantages than the sound-reflection baffles on the whole.For a single shell,no baffle is better from the perspective of near-surface sound pressure gain.Key words:single shell;double shells;acoustic baffles;sound pressure gain0引 言单壳体和双壳体是潜艇的两种典型结构形式。单壳体潜艇壳体内侧为空气时,反射波与入射波相干会形成连续变化的声压信号
7、增益。双壳体潜艇的耐压壳外还有一层薄外壳,两层壳体间含有水层,在外壳附近反射声波和入射声波叠加形成的驻波使声压信号增益在某些频点处会产生正负突变。当水听器阵直接安装于外壳上时,会带来水听器接收声信号的明显起伏。声障板是水下声系统的关键部件之一,在水听器阵中起屏蔽噪声、隔振去耦、反射或吸收声波的作用,可改善水听器的指向性、提高信号增益。从功能上划分,声障板主要可分为反声障板和吸声障板。反声障板为了能够将入射声波尽可能地反射出去,要求其特性阻抗与水的特性阻抗严重失配且声衰减较小。对于水声中的运用,低密度和低声速的反声材料比高密度和高声速的反声材料更具使用价值。由于空气中的密度和声速比水中的密度和声
8、速小很多,对水声来说空气是理想的反声材料,尤其对于低频段,大型空气腔障板具备明显的优势,但不耐压。硬质泡沫塑料是一类应用较为广泛的反声材料,其中经预压缩的硬质聚氨酯泡沫,其声速可降低到420480 ms-1,特性阻抗小于0.135106 kgm-2s,能够满足300 m水深使用要求1。还有一种带圆柱引用格式:罗马奇,郝浩琦,寇红军,等.声障板对单双壳体近表面声压增益影响的计算与分析J.声学技术,2023,42(4):431-439.LUO Maqi,HAO Haoqi,KOU Hongjun,et al.Calculation and analysis of the influence of
9、acoustic baffle on the near-surface sound pressure gain of single and double shellsJ.Technical Acoustics,2023,42(4):431-439.DOI:10.16300/ki.1000-3630.2023.04.004收稿日期:2023-05-05;修回日期:2023-06-13作者简介:罗马奇(1977),男,浙江杭州人,高级工程师,研究方向为水声无源材料。通信作者:罗马奇,E-mail:2023 年声学技术空腔结构橡胶层的复合障板,通过其内部的空腔尺寸和穿孔系数的设计,在降低障板等效密度
10、的同时有效降低障板的等效声速,使障板与水的特性阻抗明显失配,以获得较好的应用2-3。吸声障板为了能更好地吸收声能,要求障板材料特性阻抗与水的特性阻抗匹配,使声波能无反射地进入障板,同时要求材料有足够的内部损耗,使进入材料内部的声波有效地衰减。从材料本身来说,既要特性阻抗与水匹配,又要高内耗,这是难以实现的,需要结合障板的结构设计来达到。目前吸声构件主要有两种类型,一种是阻抗过渡型,以尖劈和圆锥为代表;另一种是空腔谐振型,其表面为平板,内部均匀分布各类空腔结构4-8。受尺寸限制,吸声障板的低频吸声效果不够理想,为提高低频的吸声性能,目前超材料在水下的应用研究较为活跃9-13。本文根据单双壳体声场
11、特点,采用不同的反声和吸声障板,计算贴覆障板前后壳体近表面处的声场,分析声障板对声压增益的影响,为水听器阵背面声障板设计提供参考。1理论推导为简化计算,设平面声波以垂直角度入射多层结构,其声压反射系数可以通过多层介质中声波传递特性进行推导14。多层介质中的声传播示意图如图1所示,假设0和n+1为两种半无限介质,中间为n层介质,当平面声波pin从介质0中垂直入射到n层介质时,由于相邻介质之间特性阻抗c不一样,会在分界面上产生反射波pr和透射波pt,经多次的反射和透射后,有一部分声波pr0反射回介质0中,而另一部分声波pt(n+1)透过n层介质进入其背面的n+1介质中。在半无限介质0中声场声压p0
12、可表示为p0=pin+pr0=pinaexpj(t-k0 x)+pr0aexpj(t+k0 x)(1)式中:pina、pr0a分别为入射波pin和介质0中反射波pr0的幅度,k0为介质0的波数。介质1中声场声压p1可表示为p1=pt1+pr1=pt1aexpj(t-k1x)+pr1aexpj(t+k1x)(2)式中:pt1a,pr1a分别为介质1中透射波pt1和反射波pr1的幅度,k1为介质1的波数。依次类推,对于中间任意第i层中声场声压pi可表示为pi=pti+pri=ptiaexpjt-ki(x-x(i-1)+priaexpjt+ki(x-x(i-1)(3)对于半无限介质n+1中声场,因无
13、反射波,声压pn+1可表示为pn+1=pt(n+1)=pt(n+1)aexpjt-kn+1(x-xn)(4)由平面波性质,相应介质0,1,i,n+1中的质点速度0,1,i,n+1分别表示为0=in+r0=pinaZ0expj()t-k0 x-pr0aZ0expj()t+k0 x1=t1+r1=pt1aZ1expj()t-k1x-pr1aZ1expj()t+k1xi=ti+ri=ptiaZiexpjt-ki()x-x(i-1)-priaZiexpjt+ki()x-x(i-1)n+1=t(n+1)=pt(n+1)aZn+1expjt-kn+1()x-xn(5)式中:Z0、Z1和Zn+1为对应层介质
14、的特性阻抗,Zi为中间任意第i层介质的特性阻抗。由声学边界条件可知,介质0边界上的阻抗Z|0 x=0与介质1前边界上的输入阻抗Z(1)in相等,即:Z|0 x=0=p00|x=0=Z(1)in=p11|x=0(6)将式(1)和式(5)代入式(6),可得:Z(1)in=Z0pina+pr0apina-pr0a=Z1pt1a+pr1apt1a-pr1a(7)由式(7),平面声波垂直入射多层介质时的声压反射系数r可表示为r=pr0pin=pr0apina=Z(1)in-Z0Z(1)in+Z0(8)同样,介质1后边界上的阻抗Z|1x=x1与介质2前边界上的输入阻抗Z(2)in相等,可得:Z|1x=x1
15、=p11|x=x1=p22|x=x1=Z(2)in(9)图1 多层介质中声传播示意图Fig.1 Schematic diagram of sound propagation in multilayer medium432第 4 期罗马奇等:声障板对单双壳体近表面声压增益影响的计算与分析将式(2)和式(5)代入式(9),且x1=d1,可得:Z(2)in=Z1pt1aexp()-jk1d1+pr1aexp()jk1d1pt1aexp()-jk1d1-pr1aexp()jk1d1(10)由和(7)和式(10)可推导出阻抗转移定理15:Z(1)in=Z1()Z(2)in+Z1exp()jk1d1+()
16、Z(2)in-Z1exp()-jk1d1()Z(2)in+Z1exp()jk1d1-()Z(2)in-Z1exp()-jk1d1(11)式(11)经换算可表示为Z(1)in=Z1Z(2)in+jZ1tan(k1d1)Z1+jZ(2)intan(k1d1)(12)从式(12)可以看出,Z(1)in除了与Z1、Z(2)in有关,还与介质1中的声波波数k1以及该层的厚度d1有关。以此类推,对于中间其他任意第i层的Z(i)in,可表示为Z(i)in=ZiZ(i+1)in+jZitan(kidi)Zi+jZ(i+1)intan(kidi)(13)式中:Zi为第i层介质的特性阻抗,ki为第i层介质中声波波
17、数,di为第i层介质的厚度;Z(i+1)in为介质i+1前边界的输入阻抗,其中Z(n+1)in为介质n+1的特性阻抗Zn+1。通过式(8)、(12)、(13),确定了各层介质的特性阻抗、波数和厚度,即可求得声波垂直入射多层结构时的声压反射系数。相对于入射声波,经多层介质反射后,在介质0中距x=0边界d0(x=-d0)处的声压增益G可表示为G=20lg()pin+pr0pin=20lg1+rexp()-jk0d0exp()jk0d0(14)这里需要指出的是,当某层介质的声衰减可忽略时,其波数为k=c。若某层介质的声衰减不可忽略时,其声速c和波数k均为复数,c可表示为16c=c1+jc2=SRe+
18、jSIm=SRe1+js(15)式中:SRe、SIm分别为体积纵波模量的实部和虚部;s=SImSRe,为体积纵波模量损耗因子。对式(15)中复数进行开方运算可得:c=SRe12()1+2s+1+jSRe12()1+2s-1(16)k可表示为16k=-j=c(17)式中:为相位常数,为衰减常数。将式(16)代入式(17)可得:=cl=c1+2s+12()1+2s=c1+2s-12()1+2scl=c2()1+2s1+2s+1c=SRe(18)式中:c为损耗因子等于0时介质中的声速,cl为有损耗介质中纵波的传播速度(相速度)。由式(17)、(18)可知,确定了介质的密度、纵波模量及损耗因子,或介质
19、中的声传播速度及衰减常数即可求得介质中声波波数。另外,均匀材料的体积纵波模量、杨氏模量、剪切模量、泊松比等之间的换算关系在水声材料相关著作16-17中都有表述,在已知其他弹性模量、泊松比、密度的情况下也可求得介质中的声速和波数。2单双壳体的声场特性计算及分析利用上文中推导的公式,计算单双壳体前表面附近的声场特性,分析单双壳体结构尺寸变化对声信号增益的影响。单层壳体的结构如图2所示,壳体的材料为钢板,外侧是水,内侧是空气。设水的声速和密度分别为1 500 ms-1和1 000 kgm-3,钢的声速和密度分别为5 940 ms-1和7 840 kgm-3,空气的声速和密度分别为340 ms-1和1
20、.29 kgm-3。当平面声波从水中垂直入射壳体时,经计算在距壳体d0=20 mm处(水听器安装位置)不同壳体厚度时声场的声压增益G如图3所示,平面声波频率范围为10010 000 Hz、分辨率为10 Hz(下文相同)。从图3可以看出,受壳体反射声波的影响,频率在图2 单层壳体结构示意图Fig.2 Schematic diagram of single-layer shell structure4332023 年声学技术1 kHz以上声压为正增益,且增益变化比较平缓,频率在1 kHz以下随着频率降低声压增益逐步变为负值。不同厚度壳体对频率为2 kHz以上的声压增益影响不大,2 kHz以下随着壳
21、体厚度的增加正增益向低频扩展。单壳体内部空间对于安装在其外表面的水听器阵来说,相当于大型空气反声障板。假设壳体的厚度为30 mm,图4为壳体近表面不同距离处声场的声压增益G的变化情况。从图4中可以看出,在20 mm以内,间距变化对分析频段内声压增益的影响较小。随着间距的增加,对高频段声压增益的影响会加大,间距为40 mm时频率10 kHz附近会出现凹点、产生正负突变,间距为50 mm时凹点出现在频率8 kHz附近,可以推测当间距继续变大时凹点会向低频移动。因此,在安装水听器时,水听器距壳体间距不宜过大,否则该处某频点附近声信号起伏太大,会对水听器接收声信号带来不利影响。双层壳体的结构如图5所示
22、,耐压内壳外还有一层薄的非耐压外壳,二者之间为水介质层。当平面声波从水中垂直入射双层壳体时,声波一部分从非耐压外壳壳体反射回水中,另一部分进入中间水层,并在耐压内壳处反射回到非耐压外壳,再经非耐压外壳壳体进入水中,计算距壳体d0=20 mm处(水听器安装位置)声场的声压增益G。设耐压内壳和非耐压外壳间的间距为800 mm,采用不同厚度的耐压内壳和非耐压外壳,声压增益G的变化情况如图6所示。从图6中可以看出,不同厚度耐压内壳和非耐压外壳组合,其声压增益变化基本相同,声压增益都存在周期性的正负突变且发生突变的频率点接近。这种情况主要是由于在选取的厚度范围内,耐压内壳反射波相位变化较小,非耐压外壳在
23、该频段内透声系数较高,入射波和耐压内壳处反射波相干叠加引起了声压增益突变,非耐压外壳主要起改变反射波相位的作用。设耐压内壳厚度为30 mm,非耐压外壳厚度为10 mm。耐压内壳和非耐压外壳之间的间距变化对声压增益G的影响情况如图7所示。从图7中可以看出,随着非耐压壳和耐压壳体之间的间距变大,声压增益的正负突变周期变小。该情况主要由反射波与入射波相位的变化引起。对于极低频率,壳体、障板所选取厚度远远小于波长,基本为全透,声波到达空气界面时,作为软边界则相位反相,与入射波形成反相消干涉叠加,当与入射波同相则相长干涉叠加逐渐到达极大值,当间距一定时,继续增大频率则又会出现反相干涉叠加形成第1个凹点。
24、此时内外壳体间距(加上近表面距离)约为该频率处水中波长的1/4,同时可知在该频率的倍频程图4 距离壳体不同位置处声压增益Fig.4 Sound pressure gains at different positions from the shell图6 不同厚度的双壳体在距前表面20 mm处声压增益Fig.6 Sound pressure gains at 20 mm from the front surface of double-layer shells with different thicknesses图3 不同厚度的壳体在距前表面20 mm处声压增益Fig.3 Sound press
25、ure gains at 20 mm from the front surface of shells with different thicknesses图5 双层壳体结构示意图Fig.5 Schematic diagram of double-layer shell structure434第 4 期罗马奇等:声障板对单双壳体近表面声压增益影响的计算与分析附近同样会出现凹点,整体呈周期性变化,双壳体间距越大,则第1个凹点出现对应的频率也越小,周期变小。3壳体贴覆反声障板的声场特性计算及分析第2节计算分析了单双壳体近表面声场特性,单壳体在频率1 kHz以上声压为正增益,且增益变化比较平缓,内
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