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多层变刚度柔性减阻降噪蒙皮的声学特性研究

摘要

水下航行器被广泛用于海洋资源探测与国防安全保障等领域。水下航行器的隐身性

能直接关系到其水下生存能力，而随着声呐探测技术的迅速发展，对水下航行器的隐身

性能提出了更高的要求。本文受海豚皮肤具有刚度可调生物特性的启发，结合多层可折

叠变刚度单元与仿生柔性表皮技术，构建了多层变刚度柔性减阻降噪蒙皮，通过调整其

变形量，使蒙皮的刚度在不同稳定水平之间切换，从而调整其水下声学性能。结合理论

建模、数值仿真以及实验测试三种手段对该蒙皮的变刚度特性及声学特性进行了研究。

本文主要进行了以下几个方面的工作：

首先，完成了多层可折叠变刚度单元的变刚度特性分析。设计了具有分阶刚度特性

的多层可折叠变刚度结构，将该结构作为单元进行阵列化排布，并与仿生柔性表皮相连

构建了一种多层变刚度柔性蒙皮结构。基于串联弹簧理论建立了多层可折叠变刚度单元

的分阶刚度理论模型，利用有限元仿真对理论分析结果进行了验证，并探究了不同结构

参数对其刚度特性的影响规律。

其次，完成了多层变刚度柔性减阻降噪蒙皮的吸声特性分析。基于等效介质理论和

传递函数法建立了蒙皮吸声特性的理论模型，利用有限元仿真对理论分析结果进行了验

证。计算得到不同参数对蒙皮吸声特性的影响规律，并通过绘制各层损耗曲线、位移云

图以及能量损耗云图探究了蒙皮的吸声机理。对蒙皮吸声性能作进一步优化，对比同质

量均质蒙皮吸声性能，评估该蒙皮的吸声性能。

然后，完成了多层变刚度柔性减阻降噪蒙皮的隔声特性分析。基于等效介质理论和

传递函数法建立了蒙皮隔声特性的理论模型，利用有限元仿真对理论分析结果进行了验

证。计算得到不同参数对蒙皮隔声特性的影响规律，并利用声能流云图、位移云图以及

能量损耗云图探究了蒙皮的隔声机理。对蒙皮隔声性能作进一步优化，对比同质量均质

蒙皮隔声性能，评估该蒙皮的隔声性能。

最后，完成了多层变刚度柔性减阻降噪蒙皮变刚度特性及吸声特性的实验验证。对

蒙皮材料的静态力学参数进行测试，并通过刚度实验验证变刚度特性仿真结果的正确性；

对蒙皮材料进行动态材料参数测试，基于时温等效原理扩展材料的频率谱范围，通过水

声声管实验验证吸声特性仿真结果的正确性及材料动态力学参数数据的可靠性。

关键词：蒙皮；吸声特性；隔声特性；变刚度特性；水下航行器

多层变刚度柔性减阻降噪蒙皮的声学特性研究

Abstract

Theunderwatervehicleiswidelyusedinfieldssuchasmarineresourceexplorationand

nationaldefensesecurity.Thestealthperformanceofunderwatervehiclesisdirectlyrelatedto

theirunderwatersurvivalcapabilities.Withtherapiddevelopmentofsonardetection

technology,higherdemandsareplacedonthestealthperformanceofunderwatervehicles.

Inspiredbytheadjustablestiffnessbiologicalcharacteristicsofdolphinskin,thispaper

combinesmultilayerfoldableadjustablestiffnessunitswithbiomimeticflexibleskin

technologytoconstructamultilayeradjustablestiffnessflexibledragreductionandnoise

reductionskin.Byadjustingitsdeformation,thestiffnessoftheskinswitchesbetween