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1、水下高分子吸声材料的声学设计 文章编号:1006-1355(2006)06-0087-0387石 勇,朱 锡,李永清,李海涛(海军工程大学船舶与海洋工程系,武汉430033) 摘 要:通过固体力学的波动理论,利用材料的弹性模量、损耗因子和密度等基本弹性常数,推导了材料的声波速度和声阻抗的实部、虚部,以及衰减系数的表达式。通过数值计算,模拟了材料声反射系数和衰减系数随材料声学参数的变化规律,分析了材料声学性能的影响因素,提出了通过优化物理参数的方法对材料进行声学设计的方法。关键词:声学;吸声材料;高分子;声学设计;水声中
2、图分类号:TB564文献标识码:AThegningWaterSHIYong,ZHUXi,LIYong2qing,LIHai2tao(t.ofNavalArchitecture&OceanEng.,NavalUniv.ofEngineering,Wuhan430033,China) Abstract:Usingthewavetheoryofsolidmechanics,thepluralsoundvelocity,impedanceandat2tenuationcoefficientareexpressedbyth
3、ematerialelasticc———————————————————————————————————————————————onstantssuchaselasticmodulus,lossfactoranddensity.etc.Therelationsbetweensoundreflectioncoefficient,attenuationcoefficientandthea2cousticparametersaresimulatednumerically.Theeffectfactoroftheacousticc
4、haracteristicsisanalyzed.Optimizationapproachtoelasticconstantsofabsorbingmaterialforacousticdesignisproposed.Keywords:acoustics;macromoleculeabsorbingmaterials;acousticdesign;underwatersound 水下吸声结构在民用和国防军事领域有重要的[1,2]应用,而用于水下吸声的材料也多种多样,从橡胶类材料到高分子材料不断发展,这些材料具有很强的声
5、学可设计性,通过改变链段比例、支链的数量或者分子间结合力的大小,都可以改变材料的声学[3,4]性能,但对于材料参数与声学参数之间的关系以及这些参数对声学性能的影响,还缺乏系统理论研究,声学试验是目前检验材料声学性能好坏的唯一方法,然而声学试验价格昂贵,这给材料的声学设计带来了一定的困难。材料的弹性模量、剪切模量和损耗因子等物理参数都十分常见和容易获得的,本文通过固体力学的波动理论,利用材料的弹性模量、损耗因子和密度等基本弹性常数,推导了材料的声波速度和声阻抗的实部、虚部,及衰减系数的表达式。通过数值计算,模拟了材料声反射系
6、数和衰减系数随材料声学参数的变化规律,分析了材料声学性能的影———————————————————————————————————————————————响因素,提出了通过优化物理参数的方法对材料进行声学设计的方法。[5,6]1 高分子材料声学参数表达式的推导[7～9] 声波在材料中传播主要由其传播速度和声波的损耗表征。下面对声速和损耗系数表达式进行推导。声波在高分子材料中传播有两种形式的波,一种是纵波,又叫压缩波;另一种是横波,又叫剪切波。由固体力学的波动理论可知,纵波速度为cl=(1+v)(1-2v)(1) 而材料
7、的弹性常数间存在如下关系K=,G=3(1-2v)2(1+v) 所以,cl=ρ,因为材料中存在损耗,所以用复数表示各量得+cl=??———————————————————————————————————————————————+′′′″G+K+Gρ′G″G?1+i′′K+G3K+″收稿日期:2005212226;修改日期:2006203215()作者简介:石勇1977-,男,吉林人,博士生,主要从事水下声隐身结构的研究。=ρ(2)2006年12月 噪 声 与 振 动 控 制 第6期 一般固体材料泊松比较小,略去二次相,
8、纵波速度为??cl=≈———————————————————————————————————————————————(1-v-2v2) 材料表面的声反射系数为R,R=Z+Z0,Z0,高分子材料声学材料虽然形态上是固体材料,但其泊松比近似为0.5,材料的体积压缩模量远大于剪切模量,所以声波在其中的传播与
