水下离散空腔粒子隔声层低频隔声机理研究

A new underwater cavity-particles sound isolation layer is presented. The sound isolation mechanics of the layer is exhibited by theoretical analysis and experimental analysis. At present the cavities of the ordinary layer are compressed in the deep water, so that the low frequency sound isolation ability is reduced markedly. Therefore a new sound isolation layer is presented, which is formed by connected flexibly many discrete cavity-particles which are rigid spherical shells，filled with air and covered with damped layer. The rigid spherical shell which have good pressure-bearing ability guarantees the cavity not to be compressed in deep water, so that a thick air impedance mismatching layer is kept and much sound energy is reflected. Flecible-connecting decreases the rigidity of layer, that is helpful to deformation energe loss. In other point many sound reflectings among the particles lengthen the sound path and increase the sound energy loss. Additionally different dimensional particles have different resonant frequency that makes the sound energy is consumed effectively in large frequency range. In this subject, the sound scattering properties of single cavity-particle are researched firstly by the modal analysis. Then the sound isolated properties of cavity-particles layer are explored by the FEM and multiple scattering method. Lastly the experiments in the pool and in the lake are launched successively.

本课题提出了一种新型水下空腔粒子隔声层，通过理论研究和实验研究，揭示水下空腔粒子的隔声机理。目前，普通隔声层在较深水域其空腔被压小，使得其低频隔声性能显著降低。为此，本课题提出了一种新型的水下空腔粒子隔声层，空腔粒子为刚性球壳结构，内充空气，外敷粘弹性阻尼层，大量离散的空腔粒子通过柔性连接形成隔声层。刚性球壳具有良好的承压能力，能够保证在较大深度下，空腔不被明显压缩，从而保证了隔声层具有一定厚度的空气阻抗失配层；粒子间柔性连接降低了隔声层整体刚度，利于低频变形耗能；另外，声波在空腔粒子间多次反射，增加声传播路程的同时也进一步增大了声能损耗；还有，不同尺寸的空腔粒子具有不同的共振频率，使得声波在较宽频带范围内能够有较好的耗能效果。本课题首先采用模态法研究单个空腔粒子的声散射特性，然后分别采用有限元和多重声散射理论研究空腔粒子隔声层的隔声特性，最后开展水池实验和外场实验。

对于水下航行体而言，由于低频波长较长，静水压大，低频隔声技术目前还没有很好的突破。本课题提出了一种新型的水下空腔粒子隔声层，空腔粒子为刚性球壳结构，内充空气，外敷粘弹性阻尼层，大量离散的空腔粒子通过柔性连接形成隔声层。刚性球壳具有良好的承压能力，保证了空气阻抗失配层不被压缩。本课题开展了该新型隔声层隔声机理的理论和实验方面的研究。.单空腔粒子声散射理论建模和仿真计算。采用模态叠加法，建立了水下单个粘弹性空腔球壳的声散射计算模型，编制了计算程序，与经典解析解进行了比对验证，计算了球壳的散射声场分布，研究了球壳参数对声散射场的影响，研究表明球壳厚度和材料的不同主要影响低频声散射，球壳越软声散射越弱，球壳越大声散射越强。.大量离散空腔粒子隔声层数值建模和隔声机理分析。分别采用周期结构有限单元法和多重声散射理论建立了大量离散空腔粒子隔声层的数值计算模型。研究了空腔粒子大小、材料、分布、阻尼材料、连接结构、附属结构等参数对隔声层隔声特性的影响规律，结果表明，空腔粒子增大半径、降低刚性、增大密度、采用阻尼和其它弹性连接结构可有效改善低频隔声效果。发现空腔共振是影响低频隔声的重要因素，在球壳共振频率附近会依次出现强隔声现象和高透声现象，这是均匀层所不具备的，球壳共振时纵横方向交替形变，形成偶极子声源，是形成强隔声现象的机理，偶极子失衡和大的共振振幅是形成高透声现象的机理。合理设计粒子可实现频率针对性隔声。.水下离散空腔粒子层隔声试验研究。以乒乓球为隔声粒子，搭建了小尺度和大尺度两种隔声试验模型，在消声水池开展了隔声试验研究。通过实验验证了空腔粒子隔声层的低频隔声效果，研究表明增加隔声层厚度、包覆铅皮可有效改善低频隔声效果，3kHz隔声量达到15dB，1kHz隔声量达到5dB。.离散空腔共振可以显著改善低频隔声效果，项目提出的空腔粒子隔声层为水下隔声层设计提供了新的思路。