敷薄吸声层目标壳体高频吸声性能的改进方法

　　1 引言

　　水下小目标一般在壳体外敷设一定厚度的吸声材料以降低目标强度，提高声隐身性能。但是，在特定的应用中通常要求吸声层很薄，这会大大降低吸声层的吸声效果。因此，如何在不增加吸声层厚的前提下，改善目标的隐身能力具有重要意义。在高频情况下，可以忽略曲率的作用，将目标壳体作为多层平板近似[1]。比如，对于半径0.5m 的壳体，当信号频率为50 ～500kHz时，ka约为167.5～1047，满足ka>>1的要求。

　　笔者利用声传播理论[2 -3]和粘弹性理论，推导了敷设薄吸声层多层结构的声场特性，这一结果和传递矩阵法[4 -5]是一致的。提出通过敷设多层粘弹性材料代替敷设单层吸声层，实现多层吸声层的阻抗渐变，以改善多层结构的吸声性能。通过计算敷设多层薄吸声层结构的回声特性，分析了高频情况下多层结构阻抗渐变存在的规律及其对模型吸声性能的影响，给出了改善其吸声性能的方法。最后，通过对敷设某型聚脲和橡胶材料多层结构的计算，验证了文中分析的正确性。研究结果表明，在相同层厚的情况下，利用多层吸声材料实现阻抗渐变并控制阻抗配比，吸声模型的性能比敷设单层吸声层有较大改善。

　　2 多层吸声结构声场特性计算

　　为了便于研究，本文将目标壳体作为多层平板近似。对于敷设吸声材料的平面多层结构，如图1所示。首先可利用多层介质中声传播理论[6]分析声波在均匀多层介质中的传播特性，然后结合相关理论及粘弹性材料的特性，分析层的反、透射系数及它们与各层特性阻抗之间的关系。

　　对于平面声波入射到单层介质层的情况，在图1中假设介质2为平面介质层，两边介质1和3均为无限介质，图1就简化成单层平板结构。定义法向阻抗Zi=ρi·ci/cosθi，为声压与法向质点振速之比值，法向质点振速之比值，其中ρi，ci分别为介质的密度和声速，各介质中声场可表示如下:

　　(1) 无限介质1中声场

　　法向振速为

　　(2) 介质2中声场

　　法向振速为

　　(3) 无限介质3中声场

　　法向振速为

　　式中，αi=kisinθi，βi=kicosθi，i=1，2，3。

　　根据定义和边界连续性条件，由式(3)和(4)，中间层的输入阻抗可表示为

　　介质3的阻抗可表示为

　　联立式(7)和式(8)，可得平面层输入阻抗的一般性公式

　　根据以上公式可得单层平板介质的反射系数