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消声瓦的吸声机理研究

作　者: 商超
导　师: 黄文虎；张嘉钟
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 一般力学与力学基础
关键词: 消声瓦吸声机理有限元法多重散射理论 Mie散射非同心球
分类号: U674.76
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

消声瓦作为一种广泛应用于潜艇的声隐身装备,可以有效降低主动声纳的反射强度。深入研究消声瓦的吸声机理,优化消声瓦的材料参数和结构形式,设计特定区域或特定频段的专用型消声瓦,对于提高潜艇的生存率和突发攻击的成功率具有重要意义。本文以实现消声瓦的宽频高效吸声为目标,采用有限元法和多次散射法,以钢板和空气为背衬的水下消声瓦为研究对象,深入分析了材料的损耗因子和结构参数对消声瓦吸声性能的影响规律。主要研究内容及成果包括以下几个方面:基于有限元法,研究了穿孔率对消声瓦吸声性能的影响,在相同穿孔率的基础上,提出一种小腔环绕大腔的混合型空腔结构。这种结构增大了空腔总的表面积,使得孔壁径向振动的范围扩大,消声瓦的振动整体加剧,谐振吸声效果更好。在此基础上,研究了含圆台型空腔和椭圆型空腔消声瓦的吸声特性及单、双层壳体背衬对消声瓦吸声性能的影响。研究结果表明,在相同穿孔率的情况下,含混合圆台型空腔消声瓦能使全频段的吸声性能得到提升;含扁率较大椭圆空腔的能够降低消声瓦的谐振频率。这分别符合消声瓦消声频率向宽频方向和低频方向发展的要求。采用Mie散射理论,分析了无限橡胶介质中含单个球形空腔、单个薄球壳结构或局域共振结构时,其内表面上动应力集中因子和归一化位移的大小及分布随频率的变化规律。揭示了空腔的谐振吸声机制中,不同波形所做贡献的大小;采用多重散射理论,具体分析了球腔大小、位置、搭配,球壳的厚度,散射体的周期间隔,橡胶层厚度及钢板厚度等结构参数对含空腔或球壳消声瓦吸声性能的影响。通过对Lamé常数损耗因子的讨论,发现在空腔谐振吸声中起主导作用的是剪切模量的损耗因子ημ;而在高频段的声损耗主要是依靠损耗因子ηλ的作用。并依据获得的吸声机理,设计了包含多层球形空腔的消声瓦。在损耗因子水平不高的薄层消声瓦上,实现了侧重中高频或低频吸声的消声瓦的宽带高效吸声。揭示了含多层介质散射体的材料和结构参数对结构共振频率的影响规律。当各种介质的材料参数确定后,含单个局域共振散射体的基体内表面的应力和位移只与波数和半径的乘积kro及半径的相对大小r_i /r_o有关。在空芯结构中,当硅橡胶层较薄,以至于它的波数和半径的乘积kri大于橡胶的kro时,可以降低结构的共振频率。采用实心芯体的局域共振结构,消声瓦的第一阶吸声峰必会向高频方向移动,从而不利于低频段声波的吸收。推导了非同心球散射体关于弹性波的Mie散射矩阵。研究了含非同心球散射体消声瓦的吸声特性。研究结果表明,偏心距的存在能够拓宽消声瓦的吸声峰并缓解其吸声谷。相对含有同心球散射体的结构,该类消声瓦在大多数情况下的吸声效果更佳。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
第1章绪论  14-28
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  14-15
    1.1.1 课题背景  14
    1.1.2 课题研究的目的和意义  14-15
  1.2 国内外消声瓦的应用现状  15-19
    1.2.1 国外消声瓦的应用现状  15-18
    1.2.2 国内消声瓦的应用现状  18-19
  1.3 国内外消声瓦吸声机理的研究现状  19-26
    1.3.1 消声瓦的工作原理  19-20
    1.3.3 消声瓦吸声机理的研究方法  20-26
  1.4 本文的主要研究内容  26-28
第2章声学有限元和多重散射理论  28-55
  2.1 引言  28
  2.2 声学有限元的理论基础  28-35
    2.2.1 有限元的一般介绍  28-30
    2.2.2 基本假设  30
    2.2.3 声学的有限元方程  30-32
    2.2.4 吸声材料的损耗处理  32-33
    2.2.5 无限流体的无反射边界  33-34
    2.2.6 吸收系数  34-35
  2.3 多重散射法的理论基础  35-40
    2.3.1 控制方程  35-37
    2.3.2 Bloch 定理  37-38
    2.3.3 加法定理  38-40
  2.4 三维多重散射理论  40-49
    2.4.1 Mie 散射矩阵  40-44
    2.4.2 单层球散射体的散射矩阵  44-47
    2.4.3 均质平板的散射矩阵  47-48
    2.4.4 多层平行板的散射矩阵及吸声系数  48-49
  2.5 程序算法及有效性  49-53
    2.5.1 程序算法  49-51
    2.5.2 程序有效性  51-53
  2.6 本章小结  53-55
第3章混合型空腔结构消声瓦的吸声性能  55-73
  3.1 引言  55
  3.2 混合型空腔结构消声瓦的吸声特性  55-60
    3.2.1 穿孔率对吸声特性的影响  56-58
    3.2.2 混合型空腔结构对吸声特性的影响  58-60
  3.3 消声瓦吸声性能的优化设计  60-63
  3.4 空腔外形对消声瓦吸声性能的影响  63-69
    3.4.1 圆台型空腔结构  63-66
    3.4.2 椭圆型空腔结构  66-69
  3.5 双层壳体背衬对消声瓦吸声性能的影响  69-71
  3.6 本章小结  71-73
第4章基于散射理论的消声瓦吸声机理研究  73-95
  4.1 引言  73
  4.2 单个球形散射体的散射特性  73-86
    4.2.1 单个球形空腔的散射特性  74-81
    4.2.2 单个薄球壳的散射特性  81-86
  4.3 多重散射对吸声性能的影响  86-92
    4.3.1 谐波阶数和损耗因子对吸声性能的影响  86-88
    4.3.2 散射体的结构参数对吸声性能的影响  88-90
    4.3.3 其他结构参数对吸声性能的影响  90-92
  4.4 球腔的组合对吸声性能影响  92-94
  4.5 本章小结  94-95
第5章局域共振结构对消声瓦吸声性能的影响  95-115
  5.1 引言  95
  5.2 非同心球散射体的Mie 散射矩阵  95-99
  5.3 局域共振结构的Mie 散射特性  99-108
    5.3.1 同心局域共振结构的Mie 散射特性  99-104
    5.3.2 非同心局域共振结构的Mie 散射特性  104-108
  5.4 多重散射下局域共振结构消声瓦的吸声性能  108-114
    5.4.1 同心局域共振结构  108-111
    5.4.2 非同心局域共振结构  111-114
  5.5 本章小结  114-115
结论  115-118
参考文献  118-127
攻读博士学位期间发表的论文  127-129
致谢  129-130
个人简历  130

消声瓦的吸声机理研究

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