抑振去耦复合覆盖层的机理研究、材料改性和实验验证

发布时间：2020-08-01 17:45

【摘要】：在潜艇的耐压壳外表面敷设抑振去耦复合覆盖层是近年发展起来的潜艇减振降噪新技术,它是由阻尼和去耦覆盖层复合而成的一种集抑振、隔声、去耦于一体的多功能声学覆盖层,通过抑制艇体结构振动,隔离艇体振动向水中传递,阻断表面振动转换为辐射声能,隔离舱室内的机械噪声向水中传递,从而实现降低潜艇水下辐射噪声之目的。然而,其减振降噪机理、低频段抑振性能提升、与之匹配的声学材料研制、机理的实验验证等急需解决的问题有待进一步深入研究。为此,本论文系统性研究了抑振去耦复合覆盖层的减振降噪机理、声学材料改性方法和理论模型的实验验证等内容。首先,基于Kirchhoff弯曲理论、Navier-Cauchy三维弹性理论和Rayleigh声场积分建立点激励经抑振去耦复合覆盖层处理的四边简支矩形板水下声-振耦合理论模型。通过对比单一阻尼、去耦覆盖层和复合覆盖层的声-振特性,分析了复合覆盖层抑制结构振动和降低辐射噪声的机理,数值结果表明,抑振去耦复合覆盖层综合了阻尼覆盖层抑制基板振动能力和去耦覆盖层隔离基板振动向水中传递能力,降噪性能显著优于单一处理的覆盖层。其次,为进一步提高阻尼覆盖层的抑振性能,建立了带扩变层自由阻尼结构的弯曲振动模型。与传统模型相比,该模型考虑了扩变层的剪切变形对阻尼层拉压变形和结构总弯曲刚度的影响,这与实际材料更相符。结果表明:当考虑这些影响后,结构损耗因子表现出随频率增加而逐渐下降,当超过某一临界频率后,结构损耗因子反而小于插入扩变层之前的结构损耗因子;而传统模型的结构损耗因子为定值。本文推导了临界频率的计算公式,数值分析了扩变层的几何参数和材料参数对结构损耗因子和临界频率的影响规律,最后通过实验验证了理论模型的可靠性。第三,为提高声学材料的材料损耗因子和调控其使用温域及频域,通过在橡胶基材中引入两种受阻胺类抗氧剂,制备了三元杂化阻尼材料,并通过控制抗氧剂的用量,实现对材料损耗因子和工作温域的定量化设计。机理研究表明,损耗因子和玻璃化转变温度的提高(或调控)归因于受阻胺类抗氧剂与聚合物基体之间形成可逆的氢键网络。为了拓宽阻尼材料的使用温域,研究了聚合物共混和叠层弱约束结构两种拓宽温域的方法。第四,为提高声学材料的损耗模量和抑振性能,采用芳纶浆粕改性丁腈橡胶基阻尼材料,研究了其纤维取向方向与垂直取向方向的动态力学性能、结构损耗因子、硫化性能、拉伸性能、扫描电镜等,试验比较了芳纶浆粕、芳纶短纤维、无碱玻璃短纤维和碳纤维粉末等4种纤维对阻尼材料动态力学性能的影响。结果表明,相比其它3种纤维,芳纶浆粕改性阻尼材料表现出最优的阻尼耗能性能和最高的模量值,且纤维取向方向阻尼性能显著大于垂直取向方向。这主要归因于芳纶浆粕高比表面积和表面大量超细原纤大幅增加了纤维与基体之间的摩擦、界面间滑移以及位错运动等耗能作用。第五,为提高声学材料的吸声性能,采用石墨烯纳米片改性丁腈橡胶基声学材料,研究了声学材料的动态力学性能、水下吸声性能、差示扫描量热分析、硫化特性和力学强度。结果表明,石墨烯纳米片一方面可显著提高声学材料的储存模量和损耗模量,另一方面可大幅提高其吸声系数,当添加10phr(每100份丁腈橡胶基料添加的质量份数)时,平均吸声系数增加了1倍。这主要归因于石墨烯纳米片的高比表面积、高模量和高导热特性大幅提高了声学材料的声能耗散能力。最后,采用“声学覆盖层激光振动测试系统”实验研究了抑振去耦复合覆盖层的抑振性能和降噪性能,通过理论与实验结果对比验证理论模型的有效性与局限性。结果表明,对于基板和覆盖层的振动特性,理论与试验结果相吻合。对于辐射声场的预报,理论模型较好地反映了同类型覆盖层的辐射声场规律与趋势;但对于例如单一阻尼覆盖层与单一去耦覆盖层等不同类型覆盖层之间的比较,理论与实验结果差异很大,这主要归因于两类材料之间的辐射效率不同导致近场声场差异很大,理论模型只包含远场声辐射,而实验结果既包含部分远场声幅射能量又包含近场声辐射。进一步的研究发现,低刚度的去耦覆盖层的降噪机理不仅是通过抑制或隔离基板振动向其湿面传递,降低湿面的振速;更重要的是因其辐射效率低,从而阻断湿面振动转换为水中辐射声能。对于低刚度的去耦覆盖层,这一机理占主导地位。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：U674.76
【图文】：

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第一章绪论研究背景及意义艇因其隐蔽性和突然袭击能力，被誉为“弱国的护身匕首，强国的威慑潜艇自身隐蔽性和安全性最重要的利器是敌方的探测声呐，包括水雷声制导、舰(艇)载主或被动声呐、拖曳线列阵声呐、声呐浮标或区[1]，如图 1-1 所示。探测声呐分为两类，一类是主动声呐，由探测设声波，通过接收、分析目标回波实现对目标的探测、定位和识别；一，由探测设备被动地接收、分析目标发出的噪声实现对目标的探测、主动声呐的定位和测距精度通常比被动声呐高，但是，主动声纳由于容易暴露自身，是一种非隐蔽的探测方式；而且，主动声呐要承受双不利于探测，因此被动探测由于隐蔽性好成为威慑潜艇的主要探测方

主要噪声,潜艇,文献,艇体

交通大学博士学位论文第一章绪论2）降低敌声呐对我艇的探测距离，如果辐射噪声下降 10dB，敌方被动声距离将下降为原来的 30%～50%。3）提高我艇对敌鱼雷的报警距离。4）降低敌鱼雷对我艇的自导作用距离。低潜艇声辐射噪声，首要任务是分析潜艇的噪声源。潜艇主要的噪声源有2] (图 1-2 示)：1）机械设备和管路通过基座及非支撑结构激励艇体振动，向水中辐射噪声舱室空气噪声透过艇体向水中传播的噪声。2）螺旋桨旋转运动产生的噪声，包括旋转噪声、湍流噪声、尾涡噪声和，以及螺旋桨脉动压力通过轴系激励或直接激励艇体产生的噪声。3）水流流经艇体表面以及突体、附体、空腔所产生的水动力噪声和湍流激励艇体产生的噪声。

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1-3 抑振去耦复合覆盖层降低潜艇辐射噪声示意图(源自文献Fig.1-3 The schematic of damping and decoupling coatingto reduce submarine radiated noise (Ref. [4])合覆盖层是近年来国内外发展起来的降噪新技术，是集功能声学覆盖层，但其量化降噪机理研究、与之匹配的验验证等关键问题急需进一步深入研究，以便进一步提降噪性能。是研究抑振去耦复合覆盖层的降噪机理，探索提高低频基础上研制与机理相匹配的高性能阻尼材料，并通过试显然，该研究对于研制高性能抑振去耦复合覆盖层，降隐身性能，提升潜艇战技性能具有重要的现实意义。

【参考文献】