Applied Acoustics 带锥形空腔的碳纤维柱增强橡胶芯夹层结构的水下吸声特性

文摘   2025-01-09 12:00   江苏  

本文介绍了一种具有漏斗形空腔的多功能橡胶芯夹层结构(RCSSFC),该结构通过碳纤维柱(CFC)加固,有望满足深海环境下水下设备对耐压和声学隐身的要求。首先制造了带有CFC的RCSSFC测试样品,并通过脉管法进行了声波传播实验,以获得吸声系数。然后建立了RCSSFC的近似理论模型,通过空腔的分层梯度离散化、圆柱管的等效理论和传递矩阵法来预测吸声性能。将获得的实验和理论结果与在COMSOL软件中进行的有限元(FE)分析结果进行了比较,并取得了良好的一致性。进一步进行了特性分析,以研究CFC直径、空腔形状、结构背衬和水下压力的影响。介绍了局部共振的设计以改善低频吸声性能。研究发现,在低频、中频和高频的曲线上分别有三个吸声峰(SAPs),分别由结构的纵向振动、空腔共振和面层的局部振动所主导。特征参数主要通过改变上述三种振动行为来影响吸声系数。此外,CFC大大提高了耐压性能,且带有CFC的RCSSFC的吸声性能对压力变化不敏感。局部共振在提高带有CFC的RCSSFC的低频吸声性能方面表现出色。


本文研究了在平面波入射条件下,具有CFC的RCSSFC的水下声吸收特性。该结构同时考虑了机械和声学设计。在结构的测试样品上进行了声传播测试,并通过脉冲管法获得了声吸收系数。利用腔体的分层梯度离散化、圆柱管的等效理论和传递矩阵法,预测了RCSSFC的理论声吸收系数。还在COMSOL中建立了结构的有限元模型,并进行了声传播模拟。在获得的实验、分析和数值结果中得到了极好的一致性。对与重要参数相关的特性进行了分析,以揭示具有CFC的RCSSFC的振动行为和声吸收机制。获得的新现象和有意义的结论如下所述。在较低、中等和较高频率的声吸收曲线上,分别由结构的纵向振动、腔体共振和面板的局部振动所主导。在围绕第1个SAP的较低频率范围内,结构的行为类似于一维杆的纵向振动。CFC(碳纤维复合材料)直径的增加极大地提高了纵向刚度,具有更好阻抗梯度的空腔形状有利于吸声。在大约第2个SAP(共振吸声峰)的中频范围内,空腔的共振在振动中起主导作用。峰值频率与空腔的共振体积成反比。吸声机制是共振激发了易于由粘弹性橡胶耗散的面内散射纵向波和弯曲横向波。在大约第3个SAP的高频范围内,CFC的约束导致面板产生显著的局部弯曲振动。然后,大量的弯曲能量被粘弹性橡胶消耗,从而提高了吸声性能。背衬条件通过改变结构的纵向刚度影响吸声性能。与硬背衬相比,在软背衬下出现更多的面内振动,吸声系数增加。此外,带有CFC的RCSSFC(具有局部共振的复合吸声结构)的吸声性能对压力变化不敏感,因为CFC提高了结构的压力抗性。局部共振的添加可以有效解决由CFC引起的低频吸声性能差的问题。带有CFC和局部共振的RCSSFC有潜力成为一个实用的水下声学隐身结构,它具有良好的压力抗性以及低频和中频吸声性能。




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