工程聲學/消聲瓦

簡介

HMS Triumph (S93) 消聲瓦。

聲學研究的一個重要應用是測試、設計和建造用於水下聲學隱身的消聲瓦。消聲瓦，最早在第二次世界大戰期間由德國U型潛艇使用（代號為“阿爾貝里希” ），用於降低海軍艦艇的聲學特徵。這些瓦片減少了從耐壓殼反射的主動聲納訊號，並減少了透過耐壓殼傳播的內部噪聲，這些噪聲可能會被被動聲納拾取。在現代，幾乎所有潛艇上都裝有消聲瓦。聲納的頻率範圍，以及相應地消聲瓦為了最大限度地減少探測而感興趣的範圍，約為 1-30 kHz 。

瓦片中的主要聲音衰減機制來自由於橡膠中的空氣腔引起的聲波的共振散射。德國聲學家埃爾溫·邁耶和尤金·斯庫德里克在 1946 年寫的一份報告中首次發表了利用氣泡衰減聲音的論文，該報告於 1950 年被美國海軍翻譯成英文，並以非機密形式釋出 。氣泡透過作為共振振盪器並透過熱損失、摩擦損失和其他過程消散聲能來衰減聲音 。

在兩側都由水包圍或“自由場”的情況下，對面板聲學引數的罐體測量在理論上是簡單的測量，可以在室內實驗室環境中進行 ，並在後面的部分中進行描述。奧杜利 提出了一種將罐體聲學測量得到的自由場聲學特性結果轉換為具有任意背襯的面板聲學特性的方法，例如潛艇艇殼的剛性背襯。

平面波

透射係數和反射係數 ${\hat {T}}$ 和 ${\hat {R}}$ 以入射、反射和透射聲壓幅度的比率表示

${\hat {T}}={\frac {{\hat {P}}_{transmitted}}{{\hat {P}}_{incident}}},\quad \quad {\hat {R}}={\frac {{\hat {P}}_{reflected}}{{\hat {P}}_{incident}}}$

(1)

透過面板傳輸的聲功率守恆如下：$|{\hat {T}}|^{2}+|{\hat {R}}|^{2}+|{\hat {A}}|^{2}=1$

其中${\hat {A}}$是聲吸收係數。仔細觀察能量守恆方程，可以明顯看出，為了最小化$|{\hat {T}}|$和$|{\hat {R}}|$，應增加聲能耗散$|{\hat {A}}|$。在金屬等材料中，在本研究相關的頻率範圍內，$|{\hat {A}}|\approx 0$。在橡膠材料中，尤其是含有空氣空隙的材料 ，$|{\hat {A}}|$不再可以忽略不計。

使用術語“插入損失” ($IL$) 或“回聲衰減” ($ER$)。插入損失是指插入面板後聲功率的降低（以分貝表示），與透射係數有關：$IL=-10\log |{\hat {T}}|^{2}$，而回聲衰減是指反射後聲功率的降低（以分貝表示）：$ER=-10\log |{\hat {R}}|^{2}$.

三層介質：無面板吸收

對於具有兩個無限流體層的三層介質，每層阻抗為$r_{1/3}=\rho _{1/3}c_{1/3}$，在厚度為$L$的樣品兩側的阻抗為$r_{2}=\rho _{2}c_{2}$，$k=\omega /c_{2}$，在垂直入射的情況下，可以使用以下反射係數方程${\hat {R}}$

${\hat {R}}={\frac {(1-r_{1}/r_{3})\cos kL+j(r_{2}/r_{3}-r_{1}/r_{2})\sin kL}{(1+r_{1}/r_{3})\cos kL+j(r_{2}/r_{3}+r_{1}/r_{2})\sin kL}}$

(2)

對於第一流體和第三流體相同的對稱情況$r_{3}=r_{1}$，方程 (2) 可以簡化為以下簡化公式

$IL=10\log \left[1+{\frac {(1-m^{2})^{2}}{4m^{2}}}\sin ^{2}kL\right],\quad ER=10\log \left[1+{\frac {4m^{2}}{(1-m^{2})^{2}\sin ^{2}kL}}\right]$

(3)

其中 $m={\frac {r_{1}}{r_{2}}}$。透過觀察方程式 (3)，可以發現 ${\hat {R}}$ 最小值和 ${\hat {T}}$ 最大值出現在 $kL=n\pi$。這些無損 $IL$ 和 $ER$ 在接下來的部分（針對水中懸掛的鋁板）以黑色線條的形式繪製在 $kL$ 圖中。

三層介質：包含面板吸收

對於具有聲學衰減的面板介質，可以使用方程式 (4) 中的以下公式來描述插入損耗和回聲衰減，其中 $\alpha$ 是以 $dB/m$ 為單位的衰減常數，而 $r={\frac {\alpha }{\omega c_{2}}}$。在沒有聲學衰減的情況下，$\alpha =0$，方程式 (3) 將被恢復。

$IL=20\log \left|{\frac {(m+1-jr)^{2}\exp(2jkL)-(m-1+jr)^{2}\exp(-2\alpha L)}{4m(1-jr)\exp(jkL-\alpha L)}}\right|,\quad \quad ER=20\log \left|{\frac {{\frac {m+1-jr}{m-1+jr}}\exp(jkL+\alpha L)-{\frac {m-1+jr}{m+1-jr}}\exp(-jkL-\alpha L)}{\exp(jkL+\alpha L)-\exp(-jkL-\alpha L)}}\right|$

(4)

以下圖示了面板材料中的吸收對 $IL$ 和 $ER$ 的影響。

圖片 IL/ER IL 圖示了增加吸收的影響 ER 圖示了增加吸收的影響

對於具有吸收的 n 層固體面板的一般公式，參考文獻 中描述了相關方法。

從實驗資料中確定 α(ω)

由於 $\alpha$ 在頻率上並非恆定 ，因此使用 $\alpha$ 的二階近似（公式 (5)），如下面的鋁和丁腈橡膠的案例所示。

$\alpha (\omega )\approx a\omega +b\omega ^{2}$

(5)

圖片 α(ω) 7075 鋁合金 和丁腈橡膠 (NBR) 的近似衰減係數 α(ω)

可以透過水箱聲學測試來實驗確定 $\alpha (\omega )$。首先，根據能量守恆和 $|{\hat {T}}|$ 和 $|{\hat {R}}|$ 的測量值確定吸收係數的大小 。

$|{\hat {A}}|={\sqrt[{}]{1-|{\hat {T}}|^{2}-|{\hat {R}}|^{2}}}$

(6)

公式 (5) 中的係數 $a$ 是使用以下公式估計的，然後將 $b$ 擬合到資料中 。

$a={\frac {|{\hat {A}}|}{\omega L}}$

(7)

實驗研究

為了表徵面板材料的$|{\hat {T}}|$ 和 $|{\hat {R}}|$，進行了自由場聲學測量：在一個充滿水的儲罐中，一個引數陣列聲源 $(a)$ 產生一個高度指向性的離散聲波 ，其遠場指向性函式為 $D(\theta )$ 。為了演示，水下陣列聲源的遠場指向性包含在下面的插入損失樣本測量圖中。離散波的形狀如 所示。

$D(\theta )={\frac {2J_{1}(ka\sin \theta )}{ka\sin \theta }}$

(8)

插入損失

使用水聽器 $(c)$，進行一次有樣本 $(b)$ 的記錄，以記錄透射壓力 $P_{t}$，以及一次沒有樣本的記錄，以記錄入射壓力 $P_{i}$。以下圖示了測量配置。

圖片 IL 鋁板插入損失樣本實驗 鋁板插入損失參考實驗

回聲衰減

對於反射實驗，測量了樣本上的反射壓力 $P_{r}$，對於入射壓力 $P_{i}$ 測量，使用了泡沫反射器。泡沫反射器與水具有較高的聲阻抗失配，能夠有效地反射聲音。

圖片 ER 鋁板回聲衰減樣本實驗 回聲衰減參考實驗

壓力測量

以下圖示了隨著時間的推移測量的壓力訊號，並使用傅立葉變換記錄和處理，以確定頻率上的壓力。係數 $|{\hat {R}}|$ 和 $|{\hat {T}}|$ 隨頻率變化，僅僅是所得壓力譜的比率。

圖片 壓力 代表性壓力測量 代表性FFT分析

結果

以下圖示了鋁測試樣品的插入損失和回聲衰減圖，例如在中測量的樣品。由於鋁是一種聲學特性已知且在所研究頻率範圍內吸收率極低，因此進行鋁樣品測試。所述實驗裝置表明與理論結果高度一致 。

圖片 鋁板 13 毫米鋁板的預測插入損失 1 毫米鋁板的預測回聲衰減

其他注意事項

對於潛艇吸聲瓦的應用，潛艇周圍的環境條件會隨著下潛深度的變化而發生巨大變化。不同的壓力、鹽度、溫度都會影響橡膠、周圍水體和吸聲瓦的聲學特性。參考中描述的環境水槽可用於模擬海洋條件。引數陣產生的聲音波長受水槽的物理尺寸限制。要獲得更低頻率的測量值，需要在實驗中使用更大的水槽，或在水槽壁上使用半吸聲襯板。

參考文獻

返回主頁

---

作者：Geoffrey Chase