敷設某種吸聲材料的聲誘餌簡化模型隔離度仿真計算

宋君才

(海軍駐上海地區水聲導航系統軍事代表室，上海201108)

0 引 言

隨著水聲電子對抗技術的不斷發展，對聲誘餌系統的性能要求也日益增高。采用實時收發技術，即邊收邊發技術可以有效減少轉發信號的時延，提高聲誘餌系統的模擬逼真度[1]。實現此技術的難點在于如何減小聲誘餌發射端對于接收端的干擾，即如何增大聲誘餌發射端和接收端的隔離度。隔離度為從發射端到接收端的總損耗，對于聲誘餌系統，可定義為聲誘餌發射端到接收端的聲壓級損失。根據以往的經驗，增大聲誘餌系統發射端與接收端隔離度的主要方式為增大聲誘餌發射端與接收端距離的空間隔離、設計利用接收換能器和發射換能器的指向性隔離、利用聲障板結構進行隔離以及發射信號的自適應抵消等[2]。

隨著高分子水聲吸聲材料的發展，也可以考慮采用在聲誘餌發射端或接收端敷設吸聲材料的方式，對聲誘餌系統的隔離度進行改善。吸聲材料是指敷設在物體表面的特殊材料或特殊結構，能夠吸收入射聲波的能量，從而消除或減弱由物體表面產生的反射聲波。吸聲材料的吸聲原理為：一方面其結構的表面阻抗與介質的阻抗相匹配，可以減少聲誘餌表面的反射聲波；另一方面，其材料內部存在一定的內損耗，可以將聲能轉化為熱能損耗掉[3]。根據以往的經驗，在水下設備表面敷設吸聲材料，可以有效地減弱其表面的反射回聲。

本文對表面敷設某種吸聲材料的聲誘餌簡化模型的隔離度進行了數值仿真計算。首先對吸聲材料的吸聲機理進行了簡單介紹，接下來利用有限元軟件建立簡化的聲誘餌模型，并對其隔離度進行數值仿真計算。在此基礎上，計算在聲誘餌模型接收端敷設不同厚度的吸聲材料時，聲誘餌系統的隔離度，從而分析聲誘餌模型接收端敷設吸聲材料的厚度對聲誘餌系統隔離度的影響。計算結果表明，在聲誘餌接收端敷設吸聲材料時，可以增大聲誘餌系統發射端與接收端的隔離度；但當吸聲材料達到一定厚度以后，其厚度變化對聲誘餌系統隔離度的影響幾乎不變。

1 均勻彈性吸聲材料吸聲機理[4]

彈性吸聲材料雖然在常溫下為固態，但其某些力學性質卻與固體材料有著明顯的不同，而與高粘性液體更為相近。如彈性模量值只有金屬彈性模量的幾十萬分之一，且其材料的內阻尼也比金屬大。

與一般金屬材料不同，根據高分子化學理論，橡膠等高分子聚合物彈性材料在外力的作用下會產生高彈性形變，具有極明顯的彈性滯后現象，即高彈性形變會表現為弛豫過程。因此，當彈性形變在聲波作用下，材料進行交替的壓縮伸張形變時，會使得部分聲能轉變為熱能被損耗掉，這便是由彈性弛豫作用引起的介質吸收。

設聲波垂直入射至彈性材料表面，在材料中會產生壓縮波。考慮材料中平行于其表面的一片無限大薄片，其兩面受到材料其他部分作用的壓力為。由于粘彈性材料的彈性形變表現為弛豫過程，所以會使得其形變落后于加在其上應力的變化。因此，其形變相對應力會存在相位落后δ，于是長度變化ε(x,t)可以表示為

式中，p(x,t)為入射聲波的聲壓；κ為實數比例常數。

將式(1)改寫為類似于胡克定律的形式：

式中，為動態彈性模量，將展開可以得到：

其中：Eε=κc o sδ，為縱向形變等效的彈性模量；η= t anδ為材料的損耗系數，它直接決定介質的吸收系數。

式(3)表明，具有彈性滯后的彈性材料的動態彈性模型為復數。

除弛豫過程引起的介質吸收外，彈性材料中存在的粘滯性吸收也會對聲波有吸收作用，其吸收作用與稠密的粘滯性液體情況類似。

2 數值計算

利用有限元計算軟件COMSOL Multiphysics對簡化聲誘餌模型進行數值仿真計算。首先建立簡化的聲誘餌計算模型。簡化后的聲誘餌模型具有二維軸對稱結構，總長度為3 m，殼體厚度10 mm，材料為鋁。發射換能器位于聲誘餌尾部正下方 0.1m處，等效近似為一個半徑0.05 m的小球，表面聲壓為 1 Pa(即發射端聲壓級為 120 dB)，計算頻率為10 kHz，接收端位于聲誘餌模型頭部。簡化聲誘餌模型示意圖如圖1所示。

圖1 簡化聲誘餌模型示意圖Fig.1 Diagram of simplified acoustic decoy model

計算聲誘餌接收端未敷設吸聲材料時，聲誘餌表面附近區域的聲場分布情況，結果如圖2所示。圖2中圓圈標識位置為聲誘餌頭部附近聲場，即為觀察區域。單獨計算出聲誘餌接收端即聲誘餌頭部處的聲壓級為Lp=111.9 dB，此時的隔離度為-8.1 dB。

圖2 聲誘餌模型表面附近區域聲場計算結果Fig.2 Calculation of sound field near the surface of acoustic decoy model

接下來計算在聲誘餌系統接收端敷設某種吸聲材料時，接收端的聲壓級。所敷設的吸聲材料的泊松比與橡膠接近，同時根據第1節的推導過程可以知道，其彈性模量為一復數，且數值遠小于金屬材料。

為了計算敷設的吸聲材料厚度對聲誘餌系統隔離度的影響，分別計算聲誘餌系統接收端敷設吸聲材料厚度為10、20 mm和30 mm時，聲誘餌系統接收端的聲壓級.敷設吸聲材料的示意圖和計算結果分別如圖3和圖4所示。圖3中藍色部分為在聲誘餌接收端處敷設的吸聲材料。

圖3 接收端敷設不同厚度吸聲材料示意圖Fig.3 Diagrams of the sound-absorbing material with different thickness laid at the receiving end

圖4 敷設不同厚度吸聲材料后接收端的聲壓級分布云圖Fig.4 Nephograms of sound pressure level at the receiving end after laying sound-absorbing material of different thickness

將圖4的計算結果與圖2中的計算結果進行對比。可以看出，聲誘餌頭部敷設吸聲材料后，圖 4中圓圈所標識的觀察區域內即聲誘餌頭部附近的聲壓級明顯地減小，且當所敷設的吸聲材料厚度分別為20 mm和30 mm時，其聲壓級明顯小于敷設吸聲材料厚度為10 mm時的聲壓級。為了更準確地得到吸聲材料厚度對聲誘餌系統隔離度的影響，下面單獨計算出聲誘餌接收端即聲誘餌頭部處的聲壓級，并將結果與未敷設吸聲材料時的計算結果對比，結果如表1所示。

表1 敷設不同厚度吸聲材料時接收端聲壓級Table 1 Sound pressure levels (Lp) at the receiving end after laying sound-absorbing material of different thickness

根據表1的計算結果，可以得到與圖4中計算結果一致的結論，即在聲誘餌系統接收端敷設吸聲材料時，接收端聲壓級較未敷設吸聲材料時明顯減小，隔離度有明顯改善。當吸聲材料厚度為10 mm時，接收端聲壓級較未敷設吸聲材料時減小14.8 dB；當吸聲材料厚度為 20 mm時，接收端聲壓級較未敷設吸聲材料時減小31.2 dB；當吸聲材料厚度為30 mm，接收端聲壓級較未敷設吸聲材料時減小31.8 dB，與接收端敷設吸聲材料厚度為20 mm時相比，其聲壓級變化不明顯。

3 結 論

本文首先對彈性材料的吸聲機理進行了簡單的介紹和推導。彈性材料中的彈性弛豫吸收和粘滯性吸收可以將聲能轉化為熱能損耗掉，具有彈性滯后的彈性材料的動態彈性模型為復數，其虛部為材料的損耗系數，直接決定了介質的吸收系數。然后建立了表面敷設某種吸聲材料的聲誘餌簡化模型隔離度數值仿真計算模型，簡化后的聲誘餌模型具有二維軸對稱結構，聲誘餌頭部所敷設吸聲材料的泊松比與橡膠接近，且其彈性模量為復數，數值遠小于金屬材料。利用該模型，分別計算了聲誘餌系統接收端未敷設吸聲材料時和分別敷設10、20 mm和30 mm厚的某種吸聲材料時聲誘餌頭部附近區域的聲場和接收端聲壓級。計算結果表明，在聲誘餌接收端敷設吸聲材料時，其接收端聲壓級較未敷設時明顯減小，聲誘餌系統發射端與接收端的隔離度增大；當吸聲材料厚度分別為10 mm和20 mm時，接收端聲壓級較未敷設吸聲材料時分別減小14.8 dB和31.2 dB；但當吸聲材料厚度繼續增加至30 mm時，接收端聲壓級減小31.8 dB，與接收端敷設吸聲材料厚度為 20 mm時相比無明顯變化。這說明當聲誘餌頭部敷設吸聲材料厚度達到一定后，再繼續增加其厚度，將不會對聲誘餌頭部處的聲壓級產生明顯影響，對聲誘餌系統的隔離度改善也不會產生明顯影響。

本文在計算模型中進行了簡化處理，僅考慮發射端聲壓級到達接收端時的能量損耗(聲壓級的降低)，尚未計及接收端敷設吸聲材料后對接收端接收靈敏度的影響。考慮到聲誘餌的工作原理，這將作為下一步的研究內容開展。