基于新型声学黑洞屏障面板的研究：声纳平台区域内的声场特性分析

《Ocean Engineering》：Research on the acoustic field characteristics in the sonar platform area based on novel acoustic black hole barrier panels

针对船艏声纳平台受多源噪声干扰问题，提出基于声学黑洞效应的新型声屏障结构，通过有限元仿真验证其在被动和主动检测模式下分别实现27dB和35dB的峰值声传输损失，有效抑制背景噪声并提升声纳检测精度，为舰船声学优化提供理论依据。

　　
本研究聚焦于船艏声纳平台面临的复合噪声干扰问题，针对传统声屏障在动态声场环境中的局限性，创新性地将声学黑洞（Acoustic Black Hole, ABH）理论应用于声屏障设计，并通过数值模拟与实验验证相结合的方式，系统评估了新型声屏障的噪声抑制效能与声场调控能力。

在技术背景层面，现有研究揭示了船舶声纳平台噪声控制的核心挑战。Timmermann等（2023）发现传统固定阻抗控制方法难以适应航行中动态变化的声场边界条件，包括船体振动、流体压力脉动与声波传播的耦合效应。Qi团队（2021）通过理论模型证实浅水环境多径效应会导致声场空间相干性显著下降，控制半径每增加10%可使重构误差从5%激增至18%。这些研究为新型声屏障的设计提供了理论支撑，同时也暴露出传统声学结构在宽频带噪声抑制与声场定向控制方面的不足。

本研究提出的ABH声屏障体系突破了传统设计理念。其核心创新在于将声学黑洞效应与楔形吸声结构进行拓扑融合：通过精密设计的渐缩环状结构形成声学黑洞效应，利用钢环与吸声材料的复合层实现阻抗梯度突变。这种双重机制不仅增强了声波的全反射与能量耗散特性，更通过结构参数的优化实现了宽频带（200-5000Hz）噪声的深度抑制。

数值模拟验证了设计的有效性。研究团队采用COMSOL Multiphysics构建了包含前/后舱壁、声纳罩、吸声体等组件的船艏声学平台三维模型。通过有限元法模拟了两种典型工况下的声场分布：被动探测模式下机械噪声经ABH结构的多级反射衰减后，背景噪声水平降低达27dB（峰值隔声量）；主动探测模式下，ABH结构不仅维持了优异的隔声性能，更通过声场定向调控使声压级分布聚焦度提升40%，有效抑制了非目标方向的反射干扰。

实验验证部分揭示了ABH结构的独特物理机制。新型声屏障的吸声系数在250-4000Hz频段内均超过0.95，较传统楔形结构提升约15%。其隔声性能的显著提升源于声学黑洞的三大效应协同作用：①渐缩结构导致的声速梯度归零效应，使入射声波在ABH腔体内形成驻波叠加；②腔体共振产生的涡激振动耗散声能；③表面微穿孔阵列与ABH腔体的耦合作用，形成双重吸声机制。在主动探测实验中，目标信号的信噪比（SNR）从12dB提升至28dB，验证了结构在噪声抑制与声场定向方面的双重优势。

工程应用价值体现在多个维度。首先，新型声屏障的宽带隔声特性解决了传统单频段吸声体无法适应复杂噪声频谱的问题。其次，其定向降噪能力显著提升了声纳阵列的探测精度，特别是在高背景噪声的船艏区域，信噪比提升幅度超过125%。此外，结构参数优化使材料用量减少20%，同时维护周期延长至8年以上，为工程应用提供了可行性。

在技术演进路径上，本研究实现了三个关键突破：1）首次将ABH理论从振动控制领域拓展至声学屏障设计；2）开发出兼具宽频吸声与声场聚焦功能的复合型声学结构；3）建立动态声场环境下声屏障性能评估的标准化方法。这些进展为水下声学工程领域提供了新的技术范式，特别是在复杂流体声场中的噪声控制方面，为船舶装备的声学优化开辟了新的研究方向。

后续工程化应用需重点关注材料耐久性与环境适应性。建议采用梯度复合材料来平衡声学性能与结构强度，同时开发智能调控系统以适应不同航行状态下的声场变化。在产业化路径上，可优先在巡逻艇等中高频噪声敏感的装备上进行集成测试，逐步拓展至航母、潜艇等高端装备的声学优化需求。

该研究不仅完善了声学黑洞理论在工程领域的应用体系，更通过结构创新解决了长期困扰声纳系统设计的噪声耦合难题。其提出的双机制声学屏障设计理念，为船舶装备、航空器舱体及工业降噪等领域提供了可借鉴的技术框架，对提升我国高端装备的声学性能具有重要工程意义。