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IJMSD | 南京航空航天大学卢天健教授、西安交通大学辛锋先教授等:用于宽带水声吸收的栅状消声层

已有 1467 次阅读 2023-8-23 11:18 |个人分类:IJMSD|系统分类:论文交流

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图 文 导 读

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声波是目前最有效的水下信息远距离传输手段,常被应用于水下目标侦察。而为了实现反侦察,通常在水下航行器表面铺设消声层来对抗声呐探测技术。传统的消声层为内嵌共振单元的粘弹性材料层,利用粘弹性材料内部分子链之间的相互摩擦损耗能量。通过在内部嵌入共振单元的方式可有效提高低频吸声性能。然而,随着声呐技术的发展以及航行器下潜深度的增加,设计具有低频、宽带以及静水压力不敏感的水下吸声结构已成为设计水下航行器迫切需要解决的问题。

为克服传统水下吸声材料低频宽带吸声性能不足,以及静水压力使吸声性能弱化的问题,南京航天航空大学卢天健教授和西安交通大学辛锋先教授等组成的研究团队通过理论和有限元方法,研究了内置空气层的橡胶-金属格栅混杂结构的水下吸声性能。研究成果以“用于宽带水声吸收的栅状消声层”为题发表于《国际机械系统动力学学报》(International Journal of Mechanical System Dynamics, IJMSD)。该研究表明,在声波作用下由橡胶与金属格栅之间的剪切造成橡胶内部能量的损耗是主要的吸声机理。引入橡胶块下方的空气层可有效增强低频能量转化为橡胶振动动能的能力,从而改善低频声吸收,实现1 294—10 000 Hz范围内的吸声系数超过0.8。此外,讨论了有限尺寸结构边界条件和背衬条件对结构吸声性能的影响。研究结果对设计新型宽带低频水声吸声材料具有一定的理论指导意义。

To address the challenging task of effective sound absorption in the low and broad frequency band for underwater structures, we propose a novel grating-like anechoic layer by filling rubber blocks and an air backing layer into metallic grating. The metallic gratings are incorporated into the anechoic layer as a skeleton for enhanced viscoelastic dissipation by promoting shear deformation between rubber and metal plates. The introduction of an air backing layer releases the bottom constraint of the rubber, thus intensifying its deformation under acoustic excitation. Based on the homogenization method and the transfer matrix method, a theoretical model is developed to evaluate the sound absorption performance of the proposed anechoic layer, which is validated against finite element simulation results. It is demonstrated that a sound absorption coefficient of the grating-like anechoic layer of 0.8 can be achieved in the frequency range of 1 294–10 000 Hz. Given the importance of sound absorption at varying frequencies, the weighted average method is subsequently used to comprehensively evaluate the performance of the anechoic layer. Then, with structural density taken into consideration, an integrated index is proposed to further evaluate the acoustic properties of the proposed anechoic layer. Finally, the backing conditions and the boundary conditions of finite-size structures are discussed. The results provide helpful theoretical guidance for designing novel acoustic metamaterials with broadband low-frequency underwater sound absorption.

Keywords:

underwater sound absorption, broadband, transfer matrix method, rubber coating

DOI: 10.1002/msd2.12053

Share this article:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/msd2.12053

Cite this article: Yu C, Duan M, He W, Chen X, Xin F, Lu TJ. Grating-like anechoic layer for broadband underwatersound absorption. Int J Mech Syst Dyn. 2022;2(3): 265-277.


该文亮点:

  1. 提出了一种通过内置空气层提高金属格栅-橡胶复合结构低频吸声性能的方法;

  2. 揭示了金属格栅-橡胶复合结构的水下吸声机制;

  3. 提供了一种复粘度模型用于水下吸声系数计算方法;

  4. 分析了有限尺寸结构的边界条件以及背衬条件对结构吸声性能的影响。


Highlights:

  1. A method to improve the low frequency sound absorption performance of metal grate-rubber composite structure by built-in air layer is proposed.

  2. The underwater sound absorption mechanism of grating-like anechoic layer is revealed.

  3. A method for calculating underwater sound absorption coefficient using complex viscosity model is provided.

  4. The influence of boundary conditions and backing conditions of finite size structure on the sound absorption performance of the grating-like anechoic layer is analyzed.

 

作 者 简 介

1.jpg于晨磊  西安交通大学航天航空学院博士研究生。2018年取得西安交通大学学士学位。主要从事水下吸声结构设计研究。近年来研究了金属-橡胶混杂结构水下吸声结构。


2.jpg段明宇  北京大学工学院博士研究生。发表论文9篇,其中以第一作者在应用物理旗舰刊Applied Physics Letters (APL)、Journal of Applied Physics (JAP)发文3篇。授权国家发明专利3项。主要从事振动与噪声控制、软物质物理与力学的研究。近年来主要关注声学超构材料的吸声机理,揭示了粗糙效应对超构材料吸声性能的作用机制,以及损耗型亥姆霍兹共振超构材料的水下吸声机理,提出了低频宽带可调谐的吸声超构材料的结构设计方案。

 

3.jpg何  伟  西安交通大学航天航空学院博士研究生。2016年取得西安交通大学学士学位。目前主要研究规则多孔材料的声学行为。



4.jpg陈  昕  西安现代化学研究所工程师。2020年取得西安交通大学航天航空学院博士学位。目前主要研究多孔复合材料的力学行为。


5.jpg辛锋先  西安交通大学航天航空学院教授、博士生导师,青年拔尖人才计划学者,哈佛大学访问学者,MIT访问学者。研究方向为声波波动力学,主要研究软介质多场耦合力学、多孔介质减振降噪、水声材料多功能设计等,研究涉及固体力学、流体力学、声学、传热学等多学科交叉领域。主持基金委国际合作、面上、联合及国家基础加强等多个国家项目,入选西安交通大学青拔A人才计划及青年教师跟踪支持计划,作为学术骨干参加国家基础研究计划(“973”计划)项目和国家自然科学基金创新群体项目。在各领域专业顶刊发表SCI论文100余篇(其中一作/通讯90余篇),合作出版学术专著2部,申报/授权发明专利50余项。研究工作获19位中外院士正面积极评价,应用技术成果获得型号装备应用。担任2种国际学术期刊编委。获全国百篇优秀博士论文提名奖、中国科协优秀科技论文奖和中国机械工业科学技术奖等。


6.png卢天健  南京航空航天大学航空学院教授,教育部多功能材料与结构重点实验室(LMMS)和工信部多功能轻质材料与结构关键实验室(MLMS)创始主任。使用理论、实验和数值方法研究工程科学的关键研究前沿,解决材料力学、噪声和振动、传热和生物力学方面的挑战。1996—2006年任剑桥大学工程系讲师、准教授和材料工程学教授,剑桥大学皇后学院研究员和研究主任。2005—2016年为中国国家基础研究计划(“973”计划)项目首席科学家。获中国国家自然科学奖、中国青年科学家奖等奖项。任Acta Mechanica Sinica (AMS)主编,International Journal of Applied Mechanics创刊主编,和10余种学术期刊副主编或编委。2010—2014年任中国理论与应用力学学会(CSTAM)副会长。


期 刊 简 介

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IJMSD由来自18个国家的20位院士、17位国际学会主席、20位其他国际期刊主编等69位科学家和国际出版巨头美国Wiley出版社合作创立。主编为南京理工大学芮筱亭院士,3位合作主编分别是加拿大皇家学会会士、加拿大工程院院士、欧洲科学院院士、加拿大麦吉尔大学Marco Amabili院士,国际理论与应用力学联盟(IUTAM)前司库、国际多体系统动力学协会(IMSD)前主席、德国斯图加特大学Peter Eberhard教授和美国工程院及科学院两院院士、欧洲科学院外籍院士、中国科学院外籍院士、美国工程科学协会前主席、美国西北大学Yonggang Huang院士

IJMSD旨在用机械系统动力学科学与技术为现代装备设计、制造、试验、评估和使用全生命周期性能的提升提供先进的理论、软件、方法、器件、标准,为全球科学家和工程专家提供广泛的机械系统动力学国际交流平台。IJMSD强调从“系统”视角及系统级工具理解动力学,所涉及的机械系统不仅包括各种不同尺度的机械系统和结构,还包括具有多物理场/多学科特征的综合机械系统。

目前,IJMSD已被ESCl, Scopus, Inspec, DOAJ等收录。2023年免收出版费,并为已录用稿件免费提供专业语言润色服务,欢迎全球科学家投稿交流。


期刊主页:

https://onlinelibrary.wiley.com/journal/27671402

投稿网址:

https://mc.manuscriptcentral.com/ijmsd‍

编辑部邮箱:office@ijmsd.net


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