消声水池的发展和应用

二战以来,水声学逐渐发展成声学领域的一个重要分支,是一门综合性较强的尖端声学技术,对于科研和军事领域的发展尤其重要。消声水池的建设需要应用到吸声材料,水声吸声材料的研究以德国为先,最早以德国的哥廷根大学开展了水下吸声材料的研究,美国紧接其后在1948年也建立了第一个消声水池。

在军事应用中,水下声波的传导关系到潜艇以及水中兵器的隐匿性问题,对于一个国家的水下军事力量来说非常关键,室内消声水池的应用可以使各种水下设备在实验室内进行缩比模型的目标强度测量,由此验证各种水下设备的水声声学反射特性和数据数值结果等,通过缩比模型的数值反馈来调整各种参数,进而改善实际设备的目标特性和研发方向等。

众所周知,在水环境中,信号的传播以声波最为突出,海洋自然环境水体的浑浊度对于光波的传播是极为有限的,另外海水的含盐量也较大,因此电磁波和无线电波等能量体的衰减都是非常巨大,远不能满足人类对于水声监测、通讯和导航等活动需要。

二战期间,由美苏等国的水声科学家发现,在深海中存在深海声道,在深海声道上,声波的能量可以传播数千公里而不易衰减;其原理是声波的传播速度会随着压力的增大而变快,同时随着温度的减低而变慢,那么在海洋中,海水表层水温会随着深度的增加而降低,同时压力会随着深度的增加而变大,但是在深层海水中,由于海水比热容较大,因此水温是基本上保持不变的;所以,声波从海面往下传播的过程中,先由于海水温度降低的原因而导致声速减慢,在达到恒温区之后,又会随着压力的增加而使得声速加快,在声速最慢的这一过渡层就称为深海声道。

在深海声道传播声音是最有利的,因为声波总是会向着声速最慢的界面弯曲,因此在深海声道传播的声音,会始终在深海声道中跳跃,只要海洋底部的深度不要低于深海声道的下界面,则深海声道不受影响,声音会长距离传播。

正是由于这一科研突破,使得水声学被重点关注,它在一定程度上反应了一个国家的海洋军事实力水平,对于国家安全来说,水声学是一个非常重要的发展领域,比如每一艘潜艇或者航母都会自己特有的设备噪声,在它们出动的时候,水下监听设备会捕捉到该声音频段,由此掌握一个国家的某些军事动态等。

因此在水声学中,消声水池是一个尤为重要的试验模型,它模拟了无限广自然环境中的自由声场条件,在众多水声设备的开发研制和技术改进过程中发挥了重要作用。

开展水声实验离不开自由声场环境,户外的大型试验场所和室内的消声水池都可以满足该实验条件,但是与户外场所相比,消声水池的优势更为明显;例如在户外自然环境中的自由声场进行实验,那么需要选择远离口岸的海洋环境来进行作业试验,由此造成的人力物力等资源浪费不在少数。并且户外的环境具有条件不可控的因素,自然水域存在较大的背景噪声干扰,比较难反映声音在水中传播的规律,在实施中存在较大的弊端;室内消声水池则在技术优势上解决了以上缺点,对水声实验的实际应用带来了十分有利的人工环境。

消声水池的建立可以依据现有实验室环境进行规划,在满足实验需求的前提下,尽量做到不破坏实验室原有的结构性建筑物,保证原有设施设备正常可用。消声水池最基本的承重框架是一个六面形结构,在各个结构面上配备消声材料如消声板等来达到消声效果,同时可以根据需要进行其余配置的选择,例如行车平台(X、Y、Z三轴平台)和旋转平台等系统的搭建。

此外,现代化的消声水池中会增加智能化系统,用于自动读取并且分析消声水池实验结果,以此来代替原本的人工记录、人工读数和人工计算等,节省人力的同时,还能提高实验数据的准确性。

在水声实验水池的建设中,往往需要根据用户要求和实验室现况二者相结合来提出建造方案,这对技术人员的素质水平提出了较高的要求,比如在建造过程中首先需要考虑实验室原有结构问题,其次是承重框架对搭载的选配系统的支撑强度,再者还需考虑实验仪器的互扰情况和池壁吸声材料的选择,最后是系统的测量精度和消声系数等参数。

其中,水池吸声材料的选择也是建造消声水池的关键部分,我国在该领域起步较晚,目前主要的吸声材料采用共振式结构和渐变过滤层结构。吸声材料可以应用于潜艇、水声器材等,最常用的是覆盖在消声水池的池壁作为吸声覆盖物,从而消除散射波来模拟自由声场环境。吸声材料除了要具备消声特性之外,同时还应考虑耐腐蚀和抗污能力,因为该材料需要长时间浸泡在水中,污染物可能会改变材料特性,甚至危及材料寿命。此外,水下消声材料还应考虑环保问题,长时间处于水环境中,非环保材料会快速滋生细菌,除了影响材料性能之外,还会进一步污染水环境,如果采用传统的硫磺/TMTD硫化体系,还会导致硫化物析出所形成的硫化氢,从而使实验室环境存在“臭鸡蛋”刺激性气味。目前大多数水下消声材料都改用卤化酚醛树脂配合促进剂的硫化体系,有效杜绝了传统硫化体系的“臭鸡蛋”刺激性气味的产生。

目前环保型吸声材料在性能上不亚于非环保型吸声材料,并且部分频率也由于非环保吸声材料。

高奇海洋与国内多家科研机构均有密切合作并且提出了消声水池解决方案,已建成的消声水池目前也正在投入使用中,为科学研究提供了技术支撑。



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