薄膜型声学超材料水下低频吸声性能研究.pdfVIP

摘要

随着世界各国的声纳探测技术逐渐向着低频宽带方向发展，现有水下声学

覆盖层技术难以满足水下声波的低频、宽频吸收要求。为此，本文主要针对水

下低频声学隐身问题，开展了一种新型声学超材料结构的设计，并从数值模拟

与实验测试两个角度完成了薄膜型声学超材料的水下低频吸声性能研究。

首先，建立了薄膜型声学超材料吸声性能计算的声-固耦合有限元模型，并

通过数值模拟得到了结构在不同介质中的吸声系数曲线。在此基础上，从模态

分析、能量分析和声阻抗特性分析三个角度，揭示了薄膜型声学超材料的吸声

机理，即结构能够实现对低频声波有效吸收主要与结构的本征振型有关。接着

通过数值模拟研究了薄膜几何参数、腔体几何参数和质量块几何参数对结构吸

声性能的影响，揭示了薄膜型声学超材料的吸声性能调控机理。

在此基础上，根据薄膜型声学超材料的吸声性能调控机理，针对结构吸声

频带窄的显著缺点，提出了单腔体杂化设计、多腔体串联组合设计和多腔体并

联组合设计三种优化设计方案，并进行数值模拟。通过对比三种优化设计方案

的数值模拟结果，由于多腔体并联组合设计能够在不显著增大结构厚度的前提

下，利用腔体间的耦合效应与声学虹吸效应实现吸声性能的提高和吸声频带的

扩宽，因此将其选定为薄膜型声学超材料吸声性能优化设计的最优方案。基于

该设计思路，将19个具有不同吸声性能的薄膜型声学超材料单腔进行并联组合

设计并通过数值模拟计算了结构的水下低频吸声性能，计算结果表明，该结构

能够对250Hz-750Hz频段内的水下低频声波实现宽频有效吸收且频段内的吸

声系数均在0.6以上。

最后，制备了带有19个吸声单元的薄膜型声学超材料样件，并在直径208

mm的驻波管中应用传递函数法完成了对实验样件的水下吸声性能测试，得到

了结构在200Hz-1000Hz频段内的吸声系数。通过对实验测试数据的误差分析

及并调整数值模拟模型，实验测试结果与数值模拟结果虽然在部分频率依然存

在差异，但二者的变化趋势呈现出较高的一致性，证明了本文的数值模拟方法

具有一定的准确性。

关键词：声学超材料；声隐身；水下；低频；吸声；优化设计

Abstract

Astheworldsvariouscountrieshavegraduallydevelopedtheirsonardetection

technologytowardslow-frequencybroadbanddirection,existingunderwateracoustic

overlaytechnologycannotmeettherequirementforlow-frequency,broadband

absorptionofunderwatersoundwave.Therefore,thispapermainlyfocuseson

designinganewacousticmetamaterialstructuretocircumventtheunderwaterlow-

frequencyacousticstealthproblem.Fromtheperspectivesofnumericalsimulation

andexperimentaltesting,theunderwaterlow-frequencysoundabsorption

performanceofthemembrane-typeacousticmetamaterial(MAM)isstudied.

Firstly,asound-solidcouplingfiniteelementmodelforcalculatingthesound

absorptionperformanceofMAMwasestablished,andtheabsorptioncoefficient

curvesofthestructureindifferentmediawereobtainedthroughnumericalsimulation.

O