Page 160 - 《应用声学》2022年第3期

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0 引言
声音对海洋动物的生存非常重要。近年来由人
类活动产生的水下噪声严重地破坏了海洋环境平
衡，正在威胁着海洋哺乳动物及其他水生生物的生
命健康，引起了广泛的关注。由人为活动产生的噪
声包括船舶噪声、声呐工程噪声以及水下作业平台
噪声等，对海洋哺乳动物的危害主要有生理损伤、
生理功能障碍和行为改变 [1] 。目前人们在呼吁各
国联合制定与海洋噪声污染相关的法律、规范来保
护海洋生物的同时，还从降噪的角度出发，致力于
研究削弱噪声机制以降低污染影响，其中比较成熟
的方法是利用气泡进行水下低频声降噪
是气泡的抗压性差，并不适用于高压的水下环境，
因此设计一种具备耐压性的水下低频共鸣器十分
必要。
亥姆霍兹共鸣器 [4−5] 作为经典的声学共振结
构，通常由一个腔体和一个与外界连通的小孔组成，
因其结构简单、声学效果显著而被人们广泛应用于
噪声控制等领域。目前已经有不少研究者用它进行
改良构造成亚波长的完美吸收体
照一定的规律进行排列组成声学超构材料
现对声波和弹性波的调控。但是亥姆霍兹共鸣器也
存在其固有缺陷 [11] ，比如对频率的选择性很强。虽
然在共振频率处，亥姆霍兹共鸣器的消声效果很好，
但工作频段受品质因素影响大，一旦稍微超出范围，
消声量便会快速下降，同时受到自身结构限制，其
低频消声效果不理想。特别是在水下环境中，还要
考虑材料特性阻抗、耐压性等问题，应用起来并非
易事。
本文主要基于共振理念提出了在宽开口的刚
性腔体内嵌入聚氨酯泡沫来构造一种新型的水下
共鸣器，以实现低频共振、品质因素低的效果。首先
是掌握聚氨酯泡沫必要的声学参数。在此基础上建
立镶嵌聚氨酯泡沫共鸣器的理论模型，根据声场形
式获得相应的声阻抗率和共振频率，并对模型进行
简化检验，建立集中参数系统分析其共振机制，解释
镶嵌聚氨酯泡沫的共鸣器能够降低共振频率、维持
较小品质因素的原因。最后利用辐射阻抗对理论模
型的共振频率进行补充修正，运用有限元软件完成
建模仿真工作，与理论模型作对比。
2022 年 5 月
1 聚氨酯泡沫的声速测定
聚氨酯泡沫塑料是一种非常受欢迎的吸声材
料，具有质量轻、易成型、适用范围广等优点。要
想将聚氨酯泡沫应用到声学设计之中，掌握其声
学特性十分必要。而聚氨酯泡沫塑料泊松比满足
Kerner-Rusch经验公式 [12] ：
7 − ϕ
σ = , (1)
23 − 11ϕ
其中，ϕ = ρ avg /ρ s 是基体材料体积比，ρ s 和 ρ avg 分
别是基体材料和泡沫塑料的密度。根据文献[13]，假
设E 0 是聚氨酯基体材料的杨氏模量，那么聚氨酯泡
[2−3] 。但 沫杨氏模量E f 的预测可以采用公式(2)：
5 − 2ϕ 1.905 0.179
E f = 3.287 ϕ (7 − 4ϕ) E 0 . (2)
23 − 11ϕ
聚氨酯泡沫的纵波声速和横波声速为
√
E f (1 − σ)
c L = , (3)
ρ avg (1 + σ) (1 − 2σ)
√
E f (4)
c T = 2ρ avg (1 + σ) .
[6−9] ，或者将其按
已 知 聚 氨 酯 基 体 材 料 的 杨 氏 模 量 为 E 0 =
[10] 来实
2433 MPa，密度为 ρ s = 1200 kg·m −3 。如果这时
知道聚氨酯泡沫的密度，就可以根据式 (1) 计算泊
松比，再根据式 (2) 得到杨氏模量，进而代入式 (3)
和式 (4) 获得相应的纵波声速和横波声速，具体的
参数理论估算结果见表1。
表 1 聚氨酯泡沫参数理论估算结果
Table 1 Theoretical estimated results for
the parameters of polyurethane foam
ρ avg/(kg·m −3 ) σ E f /MPa c L /(m·s −1 ) c T /(m·s −1 )
211 0.324 118.49 1013.13 460.51
因为聚氨酯泡沫的声速参数关系到后续的理
论建模以及将来的实验研究，所以还需要通过水池
实验测定。在实验中，可以由两个水听器之间有无
聚氨酯泡沫板的时间差以及板的厚度来计算聚氨
酯泡沫的声速，具体操作如图 1 所示。在实验过程
中，声源、水听器的声中心、聚氨酯泡沫板的几何中
心要在同一水平线上，确保声波能够垂直穿过聚氨
酯泡沫板。