Page 178 - 《振动工程学报》2026年第2期

494 振 动 工 程 学 报 第 39 卷

3.2 复合材料圆锥壳声辐射特性 [0°/90°] [0°/90°] 4 [0°/90°] 8
100
80
接下来研究材料参数、铺层数目和铺层角度等 60
对复合材料圆锥壳水下声辐射特性的影响规律。除 40
20
非另有说明，以下算例中复合材料圆锥壳的几何和 声功率级 / dB 0
材 料 参 数 均 设 置 为： R 0 =0.4 m， R 1 =1.6 m， L=5 m， h= −20
−40
0.014 m，E 1 =53.78 GPa，E 2 =17.93 GPa，G 12 =G 13 =8.96 GPa， −60
−80
3
G 23 =3.45 GPa，ρ=1900 kg/ m ，μ 12 =0.25；边界条件为小 −100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
端自由，大端固支约束；外载荷为作用在（t+L/2，θ=0°） 频率 / Hz
处的幅值 f=1 N 的法向简谐点激励。 (a) 空气
(a) Air
图 5 给出了钢、铝和玻璃纤维复合圆锥壳浸没 100
在水中的声功率级曲线。从图 5 中可以看出，由于 80
60
玻璃纤维铺层的模量较小及其材料的各向异性，玻 40
璃纤维圆锥壳在水下的振动和声学响应趋向于复 声功率级 / dB 20
杂，表现为共振频率提前，阶数增加。 −20 0
−40
100
80 −60
60 −80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
声功率级 / dB −20 0 频率 / Hz
40
20
(b) 水
(b) Water
−40
−60 钢 图 6 空气中和水中不同铺层数目复合材料圆锥壳声功率级
−80 铝 对比
玻璃纤维
−100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Fig. 6 Comparison of sound power levels of composite conical
频率 / Hz shells with different layers in air and water

图 5 不同材料属性圆锥壳声功率级曲线
度对结构声学响应的影响，合理设计铺层角度以达
Fig. 5 Sound power level curves of conical shells with different
material properties 到结构的最佳声学优化。

图 6 给出了不同铺层数目下玻璃纤维材料圆锥 [0°/30°] [0°/60°] [0°/90°]
80
壳声功率级曲线。由图 6（a）可知，在空气中，流体对
60
圆锥壳的振动影响较小，且单层正交铺设层合圆锥 40
壳对应的拉-弯耦合刚度最大，相应的固有频率最 20
小，但随着铺层数目增多，其固有频率和声功率级曲 声功率级 / dB 0
线趋于一致。利用上述特性，针对空气中的圆锥壳， −20
−40
在总厚度不变的情况下，可以通过改变铺层数目调 −60
整结构的刚度和频率，从而控制声辐射特性以满足 −80
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
设计需求。观察图 6（b）可知，材料的铺层数目对圆 频率 / Hz

锥壳水下的声功率级影响有限，这是由于重流体对 图 7 不同铺层角度圆锥壳声功率级对比
结构的附加质量的影响程度远大于铺层数目改变带 Fig. 7 Comparison of sound power levels of conical shells with
来的影响。 different paving angles
图 7 给 出 了 圆 锥 壳 [0°/30°]、 [0°/60°] 和 [0°/90°]
铺层角度下的水中声辐射声功率级。这三种铺层角 图 8 给出了不同边界条件下双层正交铺设的玻
度的声功率级曲线在低频段较为吻合，但是随着频 璃纤维材料圆锥壳声功率级曲线。此处分别考虑两
率增大，各铺层角度的声功率曲线差异逐渐变大。 端固支（C-C），小端固支-大端自由（C-F）、小端固支-
在高频段，[0°/30°] 铺层的锥壳声功率曲线峰值处频 大端简支（C-SD）三种边界条件。由图 8 可知，在小
率相较于其他两种情况较低。从图 7 中可以看出， 端都设为固支的情况下，声功率曲线产生第一个共
铺设角度越小，在高频段的声功率曲线峰值越趋向 振峰的顺序依次是自由、简支、固支，这是随着边界
于向低频段偏移。通过以上分析，当对复合材料圆 弹簧刚度增加，系统整体刚度变大，第一个共振峰向
锥壳进行结构水下声学设计时，可充分考虑铺层角 高频偏移所导致的。