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1、上海交通大学 硕士学位论文 非旋转对称吸声结构性能的有限元计算与分析 姓名：郝兴会 申请学位级别：硕士 专业：水声工程 指导教师：陈光冶 20080101 I 非旋转对称吸声结构性能的有限元计算与分析 非旋转对称吸声结构性能的有限元计算与分析 摘摘 要要 具有旋转对称腔体的橡胶基材吸声结构的吸声系数已经有完善的 有限元计算结果，并与实验数据相符合。但这种模型是对实际吸声结构 的一种近似， 仅当单元分布为正六边形时才与实际情况比较接近。 因此， 对具有旋转对称腔体和非对称基材单元的吸声结构进行计算分析， 不仅 是使计算分析更接近实际情况， 还可以通过数值模型寻求和扩展吸声结 构的选择范围，以适应
2、更高的应用需求。具体工作在如下两方面： （1） 具有旋转对称腔体和非对称基材单元的水下吸声结构声学特 性在数值仿真（FEM）的实现。本论文主要采用有限元方法进行数值计 算，主要解决了声学特性计算中所涉及的吸收边界条件、损耗因子和流 固耦合等问题。通过与精确理论解的对比，提出了有限元单元尺度选择 得标准。 （2） 通过数值方法研究了吸声结构内腔为圆柱腔和圆锥腔、基材 的剖面形状为正四边形和正六边形、不同背衬、基材材料特性、尺寸大 小对整体吸声效果的影响， 总结了这些情况下非旋转对称吸声结构的声 学特性变化规律，得出腔体体积越大，吸声系数最低共振频率越低；穿 孔率越大，吸声系数越大的结论。且在整个
3、计算频率范围内，非旋转对 II 称结构的吸声性能都要优于旋转对称结构。 关键词：非旋转对称，吸声结构，吸声性能，有限元关键词：非旋转对称，吸声结构，吸声性能，有限元 III FINITE ELEMENT CALCULATION AND ANALYSIS FOR ROTATIONALLY ASYMMETRIC SOUND ABSORBENT STRUCTURE ABSTRACT The finite element analysis for sound absorbent structures with rotational symmetry has been fully developed,
4、with results being in accordance with experimental data. However, symmetry model could approximate the case that the unit cross section of absorbent material is hexagonal. In order to approach practical situation and to provide more possibility for sound absorbent structure choice, finite element mo
5、dels are build for several rotationally asymmetric sound absorbent structures, and numerical simulations have been conducted. The detailed works are as follows: 1. Realization of numerical simulation for rotationally asymmetric sound absorbent structures by finite element method (FEM). Some problems
6、 involved in acoustic calculation, such as absorbent boundary, loss factor and structure-acoustics interface, are properly resolved. The criterion for element IV size choice is recommended by comparing FEM result with analytical result. 2. The influence on absorption coefficient brought from shape c
7、hoice with cylindrical or cone-shaped cavity, square or hexagonal profile, from different closure as air or water, from different material properties and structure sizes, are analyzed based on the numerical calculations. Some general characteristics are summarized. It shows that lowest resonance fre
8、quency of sound absorbent coefficient is inversely proportional to volume of cavity and sound absorbent coefficient is proportional to perforated percentage. In the whole considered frequency range, the acoustical performance of rotationally asymmetric structures is better than that of symmetric str
9、uctures. KEY WORDS: rotationally asymmetric, sound absorbent structure, sound absorbent performance, FEM 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：郝兴会 日期： 年 月
10、 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：郝兴会 指导教师签名：陈光冶 日期： 年 月 日 日期： 年 月 上海交通大学硕士学位论文 1 第一章 绪 论 第一章 绪
11、论 1.1 论文研究的内容和意义 1.1 论文研究的内容和意义 潜艇的隐蔽性是其超出其它海上舰艇而拥有致命攻击力的最大优势，而自身的 噪声辐射和作为主动声纳的探测目标是影响其隐蔽性的主要因素，消声瓦则是降低 潜艇目标强度的最关键技术，是现代潜艇的一种不可缺少的重要装备。 消声瓦技术是前苏联 60 年代首先开始研制的，正式安装消声瓦是在 1965 年。 苏联的 A 级，T 级，K 级，O 级和 D 级潜艇上都装有消声瓦，每艘艇要粘贴近千块。 在 O 级艇上，消声瓦的覆盖一直扩大到艇艏声纳阵区。由于使用消声瓦隐身效果明 显，目前世界各国海军现役和在建的潜艇中，绝大多数都已经敷设了消声瓦，如英 国的
12、“特拉法尔加”级，俄罗斯的“阿尔法”级，美国的“鲟鱼”级。消声瓦的主 要作用在于：1）能够减少对方主动声纳的探测距离；2）能够降低本艇内机械噪声 辐射。据资料报道，原苏联海军核潜艇上装备的消声瓦，使美国海军的 MK46 鱼雷 的有效探测和攻击距离减少 50%。而今俄罗斯潜艇敷设的消声瓦使得 Akula 级和 Sierraz 级潜艇的噪声降低 10-20dB。在 BQQ-5 潜艇声纳工作频率范围内造成的衰 减，使其探测距离减少约 25%-50%。国外研究及实艇使用表明:敷设消声瓦是一项能 大幅度降低潜艇声目标强度,同时抑制本艇辐射噪声的有效技术措施。 在世界各国海 军中，前苏联海军的消声瓦技术处
13、于领先地位，消声瓦种类最多,装备消声瓦的潜艇 数量也居多；英国海军正处在更新换代的时期；美、法两国海军刚开始装备部队； 日本和德国海军对消声瓦的研究刚刚起步。从总的发展趋势看，就材料而言，消声 瓦在合成材料与粘贴技术上将有新的发展。像英国海军目前使用的聚氨脂材料、法 国海军的聚硫橡胶、广泛用于声学材料的丁基橡胶等，都是发展消声瓦技术的很有 上海交通大学硕士学位论文 2 前途的合成材料。从结构而言，美国海军使用的玻璃纤维制双层薄板消声瓦，则被 认为是消声瓦未来发展的一种趋势。其他形式的复合材料与复合声学结构相结合的 消声瓦（以前苏联的系列消声瓦为代表） ，由于具有优良的吸声和减振效果，也必 然是
14、未来消声瓦设计的重点。在消声瓦结构设计多样化的同时，消声瓦的使用日趋 专用化,适于特定艇体的区域或特定频段的专用型消声瓦逐渐得到广泛应用 （前苏联 对不同活动区域的潜艇敷设不同材料的消声瓦） 。要求消声瓦既保持吸声效果，还 要使其具有减振的作用，将来还会出现并广泛应用的以降低本艇自噪声为主要目的 的“特种消声瓦” 。 消声瓦能有效地降低声反射，使声波能够最大限度的透射入内，并最大限度地 衰减，使声的反射达到最小。而橡胶类的高分子材料是消声瓦的首选基材，因为橡 胶的声阻抗和水非常接近，声波很容易从水进入其中，同时，由于橡胶类高分子材 料的特性，能够将声波等的能量转化为热能，从而达到衰减声波的目的
15、。 目前的消声瓦通常采用非均匀复合层结构，其中非均匀层为带椎孔的吸声橡胶 层，贴在钢板上形成具有过渡性的空腔结构。国内关于消声机理有两种观点，一种 认为橡胶类材料属高粘性弹性介质，在常温下是固态，但其某些力学性质与金属不 同，可以忽略切变效应，因此，结构消声瓦的吸声机理主要是在材料的粘性内摩擦 作用和弹性弛豫作用下，声能转变热能的损耗以及空腔的谐振吸收；另一观点认为 橡胶为粘弹性材料，不能忽视横波的影响，空腔的消声机理主要是波形变换，把纵 波变换为具有高吸收因子的横波而达到较大吸声作用。 关于水声吸声材料的研究国内外已经做了大量的工作，但至今还没有建立严 格，统一的理论，对于结构吸声材料，由于
16、其不规则性，只能采用近似计算方法。 对此，有的工作是将问题在一定条件下做近似后再求解，有的是将结构材料近似为 渐变的多层结构再进行求解。消声瓦技术已不再是一种完全独立的领域，而是潜艇 声隐身和减振降噪技术、艇体水动力噪声治理、艇体防污等多项技术工程综合应用 的领域。通过世界各国消声瓦的研究与应用实例可以看出，消声瓦的研究必须系统 化、系列化，要建立并遵从一个设计原则。同时要把消声瓦的研究与艇内机械噪声 的减振降噪等多学科的研究相结合。因为仅一种消声瓦并不能适用于潜艇的所有部 上海交通大学硕士学位论文 3 位，单凭消声瓦也不能解决潜艇声隐身的全部问题 1-5。 本文就将对水下物体表面的吸声材料或吸声结构的设计、计算和实验展开讨论。 具有旋转对称腔体的橡胶基材吸声结构的吸声系数已经有完善的有限元计算结果 6， 并与实验数据相符合。但这种模型是对实际吸声结构的一种近似，即使腔体具有旋 转对称性，仅当单元分布为正六边形时才与实际情况比较接近。因此，对具有旋转 对称腔体和非对称基材单元的吸声结构进行计算分析，不仅是使计算分析更接近实 际情况，还可
