内嵌多尺度局域共振板阵列的周期覆盖层结构低频宽带水声学特性研究

Flank-array sonar is an advanced low-frequency sonar developed worldwide in recent years. It is mainly used for weak acoustic signal detection in a distant range. This project aims to improve the poor signal-to-noise ratio confronted by the flank arrays in the low-frequency and broadband range due to the low signal-gain and high mechanical-noise at the related frequencies. Taking advantages of broadband locally-resonant theory based on multi-scale locally-resonant-plate (LRP) arrays and gradient design method, the low-frequency and broadband acoustic properties of the flank-array coating structure is investigated intensively to realize the multiple goals of acoustic signal enhancement, mechanical-noise reduction and sound absorption enhancement. By combining methods of mathematical analytical modeling, finite element simulation and experiment testing, the following contents are investigated: 1) the broadband vibro-acoustic modeling of the underwater coated plate periodically embedded with multi-scale LRP arrays; 2) the low frequency band-gap widening mechanism of the underwater coated plate periodically embedded with multi-scale LRP arrays; 3) the optimal structural design of the periodically composite-coated plate aiming at multiple goals of acoustic signal enhancement, mechanical noise reduction and sound absorption enhancement; 4) the experiment validation of the underwater acoustic performance of the periodic composite-coated plate. This project offers new thoughts and methods for the flank-array coating design. The outcomes are expected to offer theoretical and technical guidelines for improving the underwater acoustic detection and stealth performances of the current flank-array sonar, and developing underwater coating with multiple functions.

舷侧阵声呐是近年各国竞相发展的一类先进低频声纳，主要用于远距离微弱水声信号探测。针对舷侧阵目前低频宽带水声信号拾取能力差、及难以降低的低频机械噪声带来的低信噪比问题，本项目利用基于多尺度局域共振板(LRP)阵列的宽带局域共振原理，结合梯度化结构设计，深入开展舷侧阵覆盖层板结构低频宽带水声学特性研究，以实现增强水声信号、降低结构噪声辐射及增加声吸收的多重水声目标。采用数理解析、有限元仿真及实验测试的方法，主要研究:1)内嵌多尺度LRP阵列的水下周期覆盖层板宽带声振耦合建模;2)内嵌多尺度LRP阵列的周期覆盖层板低频宽带带隙调控机理;3)集水声信号增强、吸声及降噪一体的周期复合覆盖层板结构优化设计;4)周期复合覆盖层板的水声性能实验验证。本项目为舷侧阵覆盖层的设计提供了新的思路和方法，具有原创性。研究成果能为改善现有舷侧阵声纳的声探测及声隐身性能、开发水下多功能覆盖层提供理论和技术支撑。

本项目针对舷侧阵覆盖层结构水声调控的几个关键性科学难题即低频宽带水声信号拾取能力差、及难以降低的低频机械噪声带来的低信噪比问题，提出覆盖层内嵌多尺度局域共振板（LRP）阵列来实现对低频宽带范围内水声的有效操控，包括水声信号增强、降噪及吸声的多目标。通过建立内嵌多尺度LRP数理模型和有限元模型，并通过试验测试的方法，研究了内嵌多尺度LRP阵列的水下周期覆盖层板宽带声振耦合建模、低频宽带水声调控机理、集水声信号增强、吸声及降噪一体的周期复合覆盖层板结构优化设计及周期复合覆盖层板的水声性能实验验证。研究结果表明：覆盖层内嵌多尺度LRP阵列，相比均匀覆盖层，吸声系数及吸声带宽均有提升。吸声系数的增加主要由于当LPR的宽度远小于声波长时，LPR的嵌入使得声速变慢，导致四分之一波长处的吸声系数峰值向低频显著移动。对更大的LPR宽度，内嵌多尺度LPR可引起多个不同类型的局域模式的共振激发，不仅包括和LRP相关的各阶弯曲模式，还包括覆盖层中引起的纵波模式。通过合理调节内嵌的LPR及其阵列参数，结构内多个不同类型的局域共振模式可被有效激发，产生多个亚波长厚度范围内低频频带（近似）完美吸声。并通过这些多个不同类型的局域共振模式的耦合作用产生低频宽带范围内的（近似）完美吸声。相比均匀覆盖层对水声信号的增强在5kHz以内最大不到5 dB, 内嵌多尺度LPR后，对水声信号的增强最大可达10dB以上。相比均匀覆盖层，内嵌多尺度LPR可引起低频辐射声功率的降低，高频辐射声功率的增加。并可通过优化（增加）覆盖层的阻尼进一步对（尤其是高频）声功率进行抑制。即可通过优化设计实现舷侧阵覆盖层结构水声信号增强、降噪及吸声的多目标。研究结果能为改善现有舷侧阵低频宽带声隐身及声探测性能及开发水下多功能覆盖层提供科学依据和支撑；对于安静型水下航行器的设计也有重要的工程意义。