【摘要】：在潛艇的耐壓殼外表面敷設(shè)抑振去耦復(fù)合覆蓋層是近年發(fā)展起來的潛艇減振降噪新技術(shù),它是由阻尼和去耦覆蓋層復(fù)合而成的一種集抑振、隔聲、去耦于一體的多功能聲學(xué)覆蓋層,通過抑制艇體結(jié)構(gòu)振動(dòng),隔離艇體振動(dòng)向水中傳遞,阻斷表面振動(dòng)轉(zhuǎn)換為輻射聲能,隔離艙室內(nèi)的機(jī)械噪聲向水中傳遞,從而實(shí)現(xiàn)降低潛艇水下輻射噪聲之目的。然而,其減振降噪機(jī)理、低頻段抑振性能提升、與之匹配的聲學(xué)材料研制、機(jī)理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等急需解決的問題有待進(jìn)一步深入研究。為此,本論文系統(tǒng)性研究了抑振去耦復(fù)合覆蓋層的減振降噪機(jī)理、聲學(xué)材料改性方法和理論模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等內(nèi)容。首先,基于Kirchhoff彎曲理論、Navier-Cauchy三維彈性理論和Rayleigh聲場積分建立點(diǎn)激勵(lì)經(jīng)抑振去耦復(fù)合覆蓋層處理的四邊簡支矩形板水下聲-振耦合理論模型。通過對比單一阻尼、去耦覆蓋層和復(fù)合覆蓋層的聲-振特性,分析了復(fù)合覆蓋層抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)和降低輻射噪聲的機(jī)理,數(shù)值結(jié)果表明,抑振去耦復(fù)合覆蓋層綜合了阻尼覆蓋層抑制基板振動(dòng)能力和去耦覆蓋層隔離基板振動(dòng)向水中傳遞能力,降噪性能顯著優(yōu)于單一處理的覆蓋層。其次,為進(jìn)一步提高阻尼覆蓋層的抑振性能,建立了帶擴(kuò)變層自由阻尼結(jié)構(gòu)的彎曲振動(dòng)模型。與傳統(tǒng)模型相比,該模型考慮了擴(kuò)變層的剪切變形對阻尼層拉壓變形和結(jié)構(gòu)總彎曲剛度的影響,這與實(shí)際材料更相符。結(jié)果表明:當(dāng)考慮這些影響后,結(jié)構(gòu)損耗因子表現(xiàn)出隨頻率增加而逐漸下降,當(dāng)超過某一臨界頻率后,結(jié)構(gòu)損耗因子反而小于插入擴(kuò)變層之前的結(jié)構(gòu)損耗因子;而傳統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)損耗因子為定值。本文推導(dǎo)了臨界頻率的計(jì)算公式,數(shù)值分析了擴(kuò)變層的幾何參數(shù)和材料參數(shù)對結(jié)構(gòu)損耗因子和臨界頻率的影響規(guī)律,最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論模型的可靠性。第三,為提高聲學(xué)材料的材料損耗因子和調(diào)控其使用溫域及頻域,通過在橡膠基材中引入兩種受阻胺類抗氧劑,制備了三元雜化阻尼材料,并通過控制抗氧劑的用量,實(shí)現(xiàn)對材料損耗因子和工作溫域的定量化設(shè)計(jì)。機(jī)理研究表明,損耗因子和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的提高(或調(diào)控)歸因于受阻胺類抗氧劑與聚合物基體之間形成可逆的氫鍵網(wǎng)絡(luò)。為了拓寬阻尼材料的使用溫域,研究了聚合物共混和疊層弱約束結(jié)構(gòu)兩種拓寬溫域的方法。第四,為提高聲學(xué)材料的損耗模量和抑振性能,采用芳綸漿粕改性丁腈橡膠基阻尼材料,研究了其纖維取向方向與垂直取向方向的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)損耗因子、硫化性能、拉伸性能、掃描電鏡等,試驗(yàn)比較了芳綸漿粕、芳綸短纖維、無堿玻璃短纖維和碳纖維粉末等4種纖維對阻尼材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,相比其它3種纖維,芳綸漿粕改性阻尼材料表現(xiàn)出最優(yōu)的阻尼耗能性能和最高的模量值,且纖維取向方向阻尼性能顯著大于垂直取向方向。這主要?dú)w因于芳綸漿粕高比表面積和表面大量超細(xì)原纖大幅增加了纖維與基體之間的摩擦、界面間滑移以及位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)等耗能作用。第五,為提高聲學(xué)材料的吸聲性能,采用石墨烯納米片改性丁腈橡膠基聲學(xué)材料,研究了聲學(xué)材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、水下吸聲性能、差示掃描量熱分析、硫化特性和力學(xué)強(qiáng)度。結(jié)果表明,石墨烯納米片一方面可顯著提高聲學(xué)材料的儲存模量和損耗模量,另一方面可大幅提高其吸聲系數(shù),當(dāng)添加10phr(每100份丁腈橡膠基料添加的質(zhì)量份數(shù))時(shí),平均吸聲系數(shù)增加了1倍。這主要?dú)w因于石墨烯納米片的高比表面積、高模量和高導(dǎo)熱特性大幅提高了聲學(xué)材料的聲能耗散能力。最后,采用“聲學(xué)覆蓋層激光振動(dòng)測試系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)研究了抑振去耦復(fù)合覆蓋層的抑振性能和降噪性能,通過理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比驗(yàn)證理論模型的有效性與局限性。結(jié)果表明,對于基板和覆蓋層的振動(dòng)特性,理論與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。對于輻射聲場的預(yù)報(bào),理論模型較好地反映了同類型覆蓋層的輻射聲場規(guī)律與趨勢;但對于例如單一阻尼覆蓋層與單一去耦覆蓋層等不同類型覆蓋層之間的比較,理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異很大,這主要?dú)w因于兩類材料之間的輻射效率不同導(dǎo)致近場聲場差異很大,理論模型只包含遠(yuǎn)場聲輻射,而實(shí)驗(yàn)結(jié)果既包含部分遠(yuǎn)場聲幅射能量又包含近場聲輻射。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),低剛度的去耦覆蓋層的降噪機(jī)理不僅是通過抑制或隔離基板振動(dòng)向其濕面?zhèn)鬟f,降低濕面的振速;更重要的是因其輻射效率低,從而阻斷濕面振動(dòng)轉(zhuǎn)換為水中輻射聲能。對于低剛度的去耦覆蓋層,這一機(jī)理占主導(dǎo)地位。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：U674.76
【圖文】：

第一章 緒論研究背景及意義艇因其隱蔽性和突然襲擊能力，被譽(yù)為“弱國的護(hù)身匕首，強(qiáng)國的威懾潛艇自身隱蔽性和安全性最重要的利器是敵方的探測聲吶，包括水雷聲制導(dǎo)、艦(艇)載主或被動(dòng)聲吶、拖曳線列陣聲吶、聲吶浮標(biāo)或區(qū)[1]，如圖 1-1 所示。探測聲吶分為兩類，一類是主動(dòng)聲吶，由探測設(shè)聲波，通過接收、分析目標(biāo)回波實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的探測、定位和識別；一，由探測設(shè)備被動(dòng)地接收、分析目標(biāo)發(fā)出的噪聲實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的探測、主動(dòng)聲吶的定位和測距精度通常比被動(dòng)聲吶高，但是，主動(dòng)聲納由于容易暴露自身，是一種非隱蔽的探測方式；而且，主動(dòng)聲吶要承受雙不利于探測，因此被動(dòng)探測由于隱蔽性好成為威懾潛艇的主要探測方

交通大學(xué)博士學(xué)位論文 第一章 緒論2）降低敵聲吶對我艇的探測距離，如果輻射噪聲下降 10dB，敵方被動(dòng)聲距離將下降為原來的 30%～50%。3）提高我艇對敵魚雷的報(bào)警距離。4）降低敵魚雷對我艇的自導(dǎo)作用距離。低潛艇聲輻射噪聲，首要任務(wù)是分析潛艇的噪聲源。潛艇主要的噪聲源有2] (圖 1-2 示)：1）機(jī)械設(shè)備和管路通過基座及非支撐結(jié)構(gòu)激勵(lì)艇體振動(dòng)，向水中輻射噪聲艙室空氣噪聲透過艇體向水中傳播的噪聲。2）螺旋槳旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，包括旋轉(zhuǎn)噪聲、湍流噪聲、尾渦噪聲和，以及螺旋槳脈動(dòng)壓力通過軸系激勵(lì)或直接激勵(lì)艇體產(chǎn)生的噪聲。3）水流流經(jīng)艇體表面以及突體、附體、空腔所產(chǎn)生的水動(dòng)力噪聲和湍流激勵(lì)艇體產(chǎn)生的噪聲。

1-3 抑振去耦復(fù)合覆蓋層降低潛艇輻射噪聲示意圖(源自文獻(xiàn)Fig.1-3 The schematic of damping and decoupling coatingto reduce submarine radiated noise (Ref. [4])合覆蓋層是近年來國內(nèi)外發(fā)展起來的降噪新技術(shù)，是集功能聲學(xué)覆蓋層，但其量化降噪機(jī)理研究、與之匹配的驗(yàn)驗(yàn)證等關(guān)鍵問題急需進(jìn)一步深入研究，以便進(jìn)一步提降噪性能。是研究抑振去耦復(fù)合覆蓋層的降噪機(jī)理，探索提高低頻基礎(chǔ)上研制與機(jī)理相匹配的高性能阻尼材料，并通過試顯然，該研究對于研制高性能抑振去耦復(fù)合覆蓋層，降隱身性能，提升潛艇戰(zhàn)技性能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2777790