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粘弹性材料对降低水下大型航行器的目标强度有着重要的意义,设计合适的基体材料与空腔结构是提高粘弹性材料吸声性能有效途径。动态力学参数是联系声学材料配方设计与声学结构设计之间的桥梁和纽带,因此确定力学参数的范围对工程上指导基体材料配方设计十分关键。另外一方面由于粘弹性材料中空腔结构设计越趋复杂,建立能够分析复杂空腔结构声学性能同时计算量较小的物理模型,将对水下吸声材料的研究有着很大促进意义。
本文利用分层介质声传播理论和优化算法确定了动态力学参数范围,发展了可计算轴对称空腔结构声学性能的多重散射方法,同时对动态力学参数和粘弹性材料吸声性能进行了相应的实验研究,论文的主要工作如下:
(1)基于传递矩阵和等效参数方法计算了均匀材料和发泡材料的声学性能,使用拟牛顿法和遗化算法优化了粘弹性材料的动态力学参数,结果表明粘弹性材料参数经过优化后其吸声性能可以得到显著改善。以吸声系数0.8为复弹性模量作为优化基准,通过对不同条件下吸声系数等值线分析表明低频弹性模量数值较小且范围狭窄,因此调控的难度比较大,而损耗因子在低频则不需要太大而且范围更宽。
(2)通过对不同背衬条件下吸声系数大于0.8复弹性模量范围的分析,结果表明一定厚度钢背衬下其弹性模量幅值在低频增加了一个数量级,而且范围有所拓宽,当背衬为水时吸声材料的复弹性模量范围由于声波向水层透射的原因变小。对发泡材料的复模量优化表明粘弹性材料内部结构可以在一定程度上放宽对动态力学参数的要求。
(3)在传统的多重散射方法、周期性结构Bloch理论和分层结构传递矩阵的基础上,计算并分析了球形空腔波型变换机理、局域共振机理和影响吸声性能的主要因素。研究结果表明散射主要影响较高的频率,剪切模量与空腔大小均对散射系数有较大影响。材料的动态力学参数、空腔体积、背衬和声波入射角度也会对吸声系数有不同程度的影响。
(4)比较并分析了等效介质方法、有限元方法和多重散射方法优缺点。多重散射方法与等效介质方法相比其优势在于可以计算较大空气体积含量的粘弹性材料声学性能,同时可以反映纵横波之间的转换特性,理论模型求解的推导更为严格,并具有更好的应用性。多重散射方法与有限元方法相比其优势在于计算速度快,适合对粘弹性材料吸声机理的分析和对结构与材料参数的优化。有限元方法的主要优点是可以计算任意形状空腔的粘弹性材料声学性能,因而更适合工程上水下吸声材料的仿真研究,但在研究粘弹性材料高频的声学特性时效率比较低。
(5)发展了一种基于分层多重散射方法计算声学结构性能的半数值半解析模型,分析了水下声波入射情况下粘弹性材料含周期性分布结构的反射、透射和吸声性能。在弹性波多重散射理论基础上推导出球坐标条件下轴对称声腔结构散射体位移和应力场的基函数,结合对散射体表面的数值积分,得到散射波和入射波之间的传输矩阵方程,同时应用分层介质声传播理论计算复杂结构材料的声学性能。该模型和通用的有限元方法计算结果相比一致性符合地比较好,但计算量却可以大幅度降低。
(6)通过动态力学热分析方法和时温等效原理测量了粘弹性材料复杨氏模量,同时利用万能材料试验机测量了泊松比,并给出了两种橡胶材料的刚度以及随温度变化的动态力学参数曲线。制作了两种粘弹性材料含圆柱形空腔结构的原理性样品,通过传递函数法在水声声管中测量了样品的低频吸声性能。测试结果验证了多重散射方法的正确性,同时也表明调节力学参数是提高粘弹性材料吸声性能的有效技术手段。