水下多层均匀材料垂直入射的声特性分析

　　引言

　　由于声波在水下传播的有效性,通常需要在水下结构表面敷设吸声材料,以提高水下结构的吸声特性。水下结构在敷设吸声材料后,不仅能够降低目标强度,而且还能降低自身的声辐射,达到目标主、被动隐身目的。因此,研究多层均匀复合结构的吸声特性有重要的现实意义。

　　本文利用分层介质中波的传播理论[1],采用传递矩阵法对声波垂直入射到任意多层均匀复合结构的声特性进行了研究,给出了理论公式;并对声波垂直入射到橡胶材料、钢板及水层等的多层均匀声吸收结构的声特性进行了计算仿真,给出了仿真结果。

　　1 理论模型

　　由橡胶材料、钢板及水层等组成的多层均匀复合结构在垂直入射情况下的声传播如图1所示。

　　当平面波垂直入射到复合多层结构时,在结构内仅产生纵波[2]。对复合均匀的多层结构系统,每层的边界条件均为声压连续、法向振速连续。所以,浸入水中的均匀复合结构的传递函数如下

　　所以复合多层均匀结构的吸声系数为

　　其中;ki为第i层中波数;di为第i层层厚;zi(i+1)为层中第i层与第i+1层的特性阻抗之比。

　　如图1所示的结构中,若其中某层为橡胶材料[3],那么上式中的波数须用复波数替换,复波数表达式如下

　　这时的Q即为粘弹性材料的密度;?E=E(1+jG)为介质的复弹性模量;M为粘弹性材料的泊松比;G为粘弹性材料的损耗因子。

　　2 仿真计算

　　本文在计算中采用的参数如下:钢板的密度为7700kg/m³,杨氏模量E=1.97x10¹¹N/m²,泊松比为0.28,厚度记为h;水的密度和声速分别是1000kg/m³,1500m/s,水层的厚度为钢板厚度的1~2倍;橡胶材料的密度为1143kg/m³,泊松比为0.

　　4~0.49,橡胶材料的厚度为钢板厚度的3~8倍。由于橡胶材料为粘弹性材料,粘弹性材料的一个显著的特点就是它的物理参数(弹性模量和损耗因子)是温度及频率的函数。本文在研究中采用了两种橡胶材料,其材料特性如下:a).橡胶材料1的弹性模量及损耗因子随着频率的增大而增大;b).橡胶材料2的弹性模量随着频率的升高增大不明显,而橡胶材料2的损耗因子却随着频率的增大而减小。

　　2.1 本文首先分析了相同几何参数下,不同橡胶材料对二层结构(橡胶板-钢板)吸声性能的影响,如图2所示。不同橡胶材料对应的二层结构的吸声性能差异很大,由于橡胶材料1的特性阻抗与水的特性阻抗匹配,而橡胶材料2的特性阻抗与水的特性阻抗匹配较差,因此橡胶材料1比橡胶材料2具有更好的吸声性能。由此为了提高结构的吸声性能,需要选择与水的特性阻抗相匹配的橡胶材料。在以下的分析中橡胶板均采用橡胶材料1。