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声学覆盖层腔型结构优化设计研究
| 论文题名： | 声学覆盖层腔型结构优化设计研究 |
| 关键词： | 潜水艇;声学覆盖层;腔型结构;优化设计 |
| 摘要： | 潜艇凭借其特殊的隐蔽性和机动性，获得了世界各国海军的青睐，逐步成为国家捍卫领海主权的利器。受到声呐技术的低频化的驱动，积极推进潜艇声隐身性能的研究，对增强中国现役潜艇的攻击性、隐身性及寿命有着重要意义。具有周期性空腔排布的声学覆盖层已经被广泛应用于水下航行器，以满足减小声辐射和降低结构自噪声的需求。故而设计出一系列满足某种特定工况的具有较高吸声或隔声性能的声学覆盖层具有十分重大的意义。 本文以具有轴对称空腔结构的声学覆盖层为研究对象，采用理论分析和数值仿真的研究手段，对声学覆盖层吸声和隔声性能的优化以及吸声和隔声机理做了详尽研究。论文介绍了空腔结构声学覆盖层吸声系数和隔声量计算的传递矩阵理论和有限元仿真技术，使用两种方法计算了材料参数、腔体大小及位置等因素对覆盖层声学性能的影响规律，两种方法计算结果吻合较好，互相验证了两种方法的准确性。提出一种优化方法，建立了表征轴对称空腔结构空腔母线形状的插值函数，将声学优化问题转化为寻找组成母线各个点的最优位置问题，使用Nelder-Mead算法对模型的腔体结构和材料参数进行优化，采用不同的加权策略成功地将吸声和隔声曲线峰值频率移动至目标位置，进而得到了低频声学性能较好的腔型结构。研究结果表明，腔型结构的优化对有效吸声和隔声频段的低频优化效果有限，耦合材料参数优化可以拓宽吸声和隔声范围，并且可以极大改善低频声学性能。由于水下声学覆盖层的特殊工作环境，本文基于移动网格技术预测了模型在1MPa和3MPa下的声学性能，并且将不同压力工况下的隔声量仿真结果与实验值进行对比，两者吻合较好。研究结果表明覆盖层的吸声性能受腔体变形的影响大于隔声性能，常压下隔声性能优越的模型在其他压力工况下仍能保持相对优越的隔声性能，但吸声性能在较大腔体形变下则变得不可预测。 最后通过绘制峰值频率下的位移模式图，对覆盖层的吸声和隔声声学机理进行了分析。吸声系数较高的频率处覆盖层空腔内的共振较为剧烈，而隔声性能较好的频段内覆盖层表层的共振较为明显，这说明空腔共振耗散是良好吸声性能的基础，而声波入射域端面的反射和空腔的耗散是影响隔声量的大小的重要因素。 |
| 作者： | 周帅龙 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 方智;王浩 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华中科技大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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