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原文传递基于多机制协同的水下复合声学结构设计与吸声性能研究

论文题名：	基于多机制协同的水下复合声学结构设计与吸声性能研究
关键词：	潜水艇;吸声覆盖层;复合声学结构;吸声特性
摘要：	吸声覆盖层是潜艇声隐身的一项关键技术，能同时兼具抑制艇体回波和声振响应。随着水下声纳探测技术的发展，探测能力不断增强，对应声纳探测的频段也向低频拓展。传统水下声学结构受限于质量密度定律难以解决低频吸声问题，新型水下声学结构可以实现小尺寸控制低频声波，但是由于其结构内部局域共振机制的固有属性，吸声频带较窄是制约其水下吸声应用的一个关键因素。为此，本文针对传统声学结构和新型声学结构在水下吸声应用中存在的不足，在现有水下复合声学结构声学特性研究的基础上，开展基于多机制协同的水下复合声学结构设计与吸声特性研究，为水下低频宽带吸声覆盖层的研制提供设计方法和技术支撑，开展的研究工作如下: 　　基于有限元法推导了水下复合声学结构声-固耦合有限元方程，针对复合声学结构物理模型中存在的多处耦合边界做了等效简化处理。考虑到吸声材料的损耗机制、无限流体的无反射边界条件以及周期性边界条件，编写有限元计算程序，建立水下复合声学结构声学特性计算模型。在数值计算中，分别以均匀介质吸声结构、含空腔的吸声结构以及含有局域共振单元的吸声结构为分析对象，验证了所建立数值计算模型的正确性。　　针对局域共振声学结构的吸声频带过窄的问题，通过在声学结构单元内部引入多层分布的振子结构，提出了一种水下多振子复合声学结构。首先，基于单元内部多层分布的振子之间的耦合共振效应，建立了多振子复合声学结构带隙特性计算模型，开展振子的耦合共振效应对复合声学结构带隙特性影响规律研究;然后，基于所建立的水下复合结构声学特性计算模型，开展水下多振子复合声学结构吸声特性研究，建立了复合声学结构的带隙与其吸声频段的关系，揭示了多振子复合声学结构的吸声机制;最后，分析了多振子复合声学结构的材料参数、结构参数及背衬形式对其吸声性能的影响规律。数值计算结果表明，多振子复合声学结构内部振子之间的耦合共振效应能够产生更多的振动模态，可以有效改善声学结构高频段的吸声性能，拓宽声学结构的吸声频带。　　根据功能梯度材料的特点设计了一种含有空腔的水下功能梯度声学覆盖层结构，通过引入梯度单元网格，采用梯度有限元法建立了水下功能梯度声学覆盖层的声学模型，并且验证了该方法的可行性以及所建立的声学计算模型的正确性。考虑静水压作用，建立了压力作用下的功能梯度声学结构的声学计算模型。基于所建立的功能梯度声学覆盖层的声学计算模型，从材料梯度渐变以及几何梯度渐变的角度，分别开展了功能梯度材料的声学结构、几何梯度型声学结构以及复合梯度型声学结构的水下吸声特性研究，此外，通过数值计算探究了水下梯度型复合声学结构吸声特性调控规律。数值计算结果表明，本文基于梯度有限元法所建立的水下声学计算模型的收敛性以及精确度优于传统有限元法，并且本文中的建模方法有效简化了针对静水压力作用的建模过程;此外，本文所设计的复合梯度型声学结构在保持低频吸声性能的同时，可以有效改善声学结构在高频范围的吸声性能。　　结合传统声学结构以及新型声学结构，设计了一种多机制协同作用复合声学结构，采用梯度有限元法建立了水下多机制协同作用复合结构的声学计算模型，分别开展了空腔-振子耦合共振型声学结构、功能梯度-局域共振复合型声学结构以及多机制协同复合声学结构吸声性能研究，并且探究了多机制协同复合声学结构吸声特性的调控规律。然后，采用优化算法对多机制协同复合声学结构吸声性能进行优化。最后，基于插板类型声学超材料的设计思想，设计了一种含有多重插板的多机制复合声学结构，开展了含有多重插板的多机制复合声学结构的水下吸声特性研究，探究了各子结构对含有多重插板的多机制复合声学结构吸声性能的影响规律。数值结果表明，各机制之间的协同作用增多了声波的作用模式，可以有效拓宽声学结构的吸声频带，从而可以实现水下低频宽带吸声性能。
作者：	师康康
专业：	轮机工程
导师：	靳国永
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2022