CN105647161B - 一种宽频水下吸声材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种宽频水下吸声材料及其制备方法，所述宽频水下吸声材料，包括：多个散射体，第一高分子材料及第二高分子材料，其中：所述多个散射体，为金属杆；所述第一高分子材料，包覆于所述散射体；所述第二高分子材料的弹性模量高于所述第一高分子材料的弹性模量；多个包覆了第一高分子材料的散射体分层排列，并且每相邻两层散射体之间呈正交排列，所述分层呈正交排列的散射体埋入第二高分子材料构成的基体中构成局域共振单元。本发明由包覆软高分子材料的金属杆以正交形式埋入硬的高分子基体中。通过构筑多振子耦合作用结构，可以实现对带隙的拓宽与调控，当考虑材料粘弹性时，可实现在宽频范围内对声波进行有效吸收。

Description

一种宽频水下吸声材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及水下吸声材料技术领域，尤其涉及一种宽频水下吸声材料及其制备方法。
背景技术
水下吸声材料又称为水下声隐身材料，是具有吸收声波、降低目标声特征信号、使水下潜器难以被发现和识别的功能材料。随着水声科学与技术的发展和各学科的相互融合，水下吸声材料的应用也越来越广泛，在军民两用技术中有着极其重要的地位和迫切的需要。在相同频率下，声波在水中传播要比空气中的波长更长，传统水声材料受机制所限，即使较大材料尺度也很难对低频声波进行有效控制。随着声呐系统和水声通讯朝着低频范围、大功率输出与接收信号的方向发展，如何使小尺度材料具有对水下低频声波的控制乃至宽带调控，是目前水声材料急需解决的基础科学问题之一。
实现水下低频声波传播行为的控制之所以具有挑战，是因为它与材料本身的性质密切相关。传统水声材料(如橡胶或聚氨酯)都属于线性材料，声波在其中传播构成线性系统。线性系统的动力学特性通常是由线性响应函数所决定，导致其对低频声波传播行为的控制难以实现。利用共振子系统中的Lorentz振荡模型所研制的局域共振声子晶体能够打破质量密度定律，为实现小尺度水声材料对低频声波的控制提供了可行方案。但是现有研究大多集中于对散射体基元共振特性与声波传播行为的相互作用机制研究，忽略了基元之间耦合作用，导致对声波控制因素有限，使低频声作用频带过窄，制约了其水下应用。而尽管其它超构共振模式的频率响应较宽，但它们的现有实现方式还不适合引入水声材料研究中。
因此，如何制备出新型的宽频水下吸声材料，实现在宽频范围内对声波进行有效吸收，成为技术人员需要考虑的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种宽频水下吸声材料及其制备方法，实现在宽频范围内对声波进行有效吸收。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种宽频水下吸声材料，包括：
多个散射体，第一高分子材料及第二高分子材料，其中：
所述多个散射体，为金属杆；
所述第一高分子材料，包覆于所述散射体；
所述第二高分子材料的弹性模量高于所述第一高分子材料的弹性模量；
多个包覆了第一高分子材料的散射体分层排列，并且每相邻两层散射体之间呈正交排列，所述分层呈正交排列的散射体埋入第二高分子材料构成的基体中构成局域共振单元。
优选的，所述第一高分子材料为模量在0.5MPa-20MPa之间的粘弹性高分子材料，包括聚氨酯、硅橡胶。
优选的，所述第二高分子材料为模量在50MPa-300MPa之间的聚氨酯或橡胶。
优选的，所述金属杆材质为钢或铜或铝。
优选的，所述第一高分子材料形成的包覆层厚度为3-4mm。
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种宽频水下吸声材料制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将金属杆浸泡于5-15％的稀硫酸溶液8-16小时，再于室温超声0.5-1小时，溶解金属表面氧化层及油污；
(2)取出金属杆，放置真空干燥箱干燥处理；
(3)选取未固化的液体第一高分子材料，所述第一高分子材料固化后模量在0.5MPa-20MPa之间，将其与固化剂充分搅拌混合后，对金属杆进行包覆；
(4)将包覆第一高分子材料的金属杆放置真空干燥箱中固化；
(5)将包覆第一高分子材料的金属杆排列为正交结构，并在模具中固定位置；
(6)选取未固化的液体第二高分子材料，第二高分子材料固化后模量在50MPa-300MPa之间，将其与固化剂充分混合后，充入包覆高分子材料的金属基于振子耦合结构中；
(7)将模具放置真空干燥箱内，反复抽取真空后固化，形成块体材料。
优选的，所述金属杆材质为钢或铜或铝。
优选的，所述第一高分子材料损耗因子在0.1-0.5之间。
优选的，步骤(3)中的包覆层厚度为3-4mm。
本发明提供的宽频水下吸声材料及其制备方法，由包覆软高分子材料的金属杆以正交形式埋入硬的高分子基体中。该材料是以局域共振声学超材料为基础，通过构筑多振子耦合作用结构，可以实现对带隙的拓宽与调控，当考虑材料粘弹性时，可实现在宽频范围内对声波进行有效吸收。
附图说明
图1为本发明实施例的宽频水下吸声材料结构示意图。
图2为本发明实施例的基于振子耦合结构的宽频水下吸声材料光学照片图。
图3(a)为二维声学超材料带隙结构图。
图3(b)为基于振子耦合结构的声学超材料带隙结构图。
图4(a)为基于振子耦合结构局域共振声学超材料带隙下截止频率处的振动模态图及简化的质量弹簧模型图。
图4(b)为基于振子耦合结构局域共振声学超材料带隙上截止频率处的振动模态图及简化的质量弹簧模型图。
图5为本发明应用实例中基于振子耦合结构的宽频水下吸声材料吸声系数测试图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出多共振模态耦合结构来实现水声材料对低频声波的宽频吸收。该结构是在一个局域共振晶格基元中，引入多个共振子，(在本发明中，共振子是指包覆软高分子材料的金属杆)通过各个振子之间的相互耦合作用，产生新的低频共振形式，并且可以将多种共振结构相结合，引入更多的色散调节自由度，实现声作用频带拓宽，是探索水下低频声波宽频调控机制的理想结构。基于振子耦合结构又称堆垛结构。它不仅拥有更多的结构参数；例如填充率、杆间距、排列方式等来调节带隙位置，还是一种典型的多振子耦合系统，其单胞中包含两个正交的共振单元，具备更宽的带隙。因此，本发明以基于振子耦合结构为基础构建了一种基于振子耦合结构的宽频水下吸声材料。
参照图1所示，为本发明实施例的宽频水下吸声材料结构示意图。所述宽频水下吸声材料，包括：
多个散射体101，第一高分子材料102及第二高分子材料103，其中：
所述多个散射体101，为金属杆；
所述第一高分子材料102，包覆于所述散射体101；
多个包覆了第一高分子材料102的散射体101分层排列，并且每相邻两层散射体101之间呈正交排列，所述分层呈正交排列的散射体101埋入第二高分子材料103构成的基体中构成局域共振单元，多个包覆了第一高分子材料102的散射体排列为基于振子耦合结构。
本发明是由硬—软—硬三种材料构成局域共振水下吸声材料。其中金属散射体排列为具有强耦合效应的基于振子耦合结构，金属材质为钢、铜、铝等其他模量较大的材料；第一高分子材料为模量在0.5MPa-20MPa之间的粘弹性高分子材料，可以为聚氨酯、硅橡胶等材料；第二高分子材料构成的基体材料为模量在50MPa-300MPa之间的聚氨酯或橡胶等材料。
可以看出，材料是由三种组分材料复合而成，其中散射体为金属杆，金属杆外包覆一层软的第一高分子材料，埋敷在硬的第二高分子材料基体中，构成硬—软—硬的弹簧振子形式，其中结构单元(金属杆—第一高分子-第二高分子)中包含两个正交的谐振子，(每一个金属杆和第一高分子组成弹簧振子，称为谐振子)通过两者之间的耦合作用能够使声波作用频带有效拓宽。
本发明的宽频水下吸声材料制备方法包括如下步骤：
(1)将金属杆浸泡于5-15％的稀硫酸溶液8-16小时，再于室温超声0.5-1小时，溶解金属表面氧化层及油污。
(2)取出金属杆，放置真空干燥箱干燥处理。
(3)选取未固化的液体高分子材料(固化后模量在0.5MPa-20MPa之间、损耗因子0.1-0.5之间)，将其与固化剂充分搅拌混合后，对金属杆进行包覆。
(4)将包覆高分子材料的金属杆放置真空干燥箱中固化，包覆层厚度约为3-4mm。
(5)将包覆软高分子材料的金属杆排列为正交结构，并在模具中固定位置。
(6)选取未固化的液体高分子材料(固化后模量在50MPa-300MPa之间)，将其与固化剂充分混合后，充入包覆高分子材料的金属基于振子耦合结构中。
(7)将模具放置真空干燥箱内，反复抽取真空后固化，形成块体材料。
图2给出了基于振子耦合结构的宽频水下吸声材料准备充入硬聚氨酯基体材料时的光学照片图，可以看出，金属杆包覆一层软的聚氨酯后以基于振子耦合结构的形式固定于模具中，方杆的宽度为10mm，包覆层厚度为2.5mm，晶格间距为13.5mm。
图3(a)及图3(b)给出了基于振子耦合结构及同类型的二维局域共振声学超材料的带隙对比图。对于二维局域共振声学超材料，其位移可以拆分为x,y平面内和平面外。仅考虑平面内波动情况时，其色散关系如图3(a)中实线所示，可以在1703.4Hz至2227.9Hz频率范围内形成带隙；当考虑平面外波动情况时，其色散关系如图3(a)中虚线所示，可以在605.4Hz至797.93Hz频率范围形成带隙。由于平面内和平面外带隙范围没有重叠，当考虑所有波的极化形式时，二维局域共振声学超材料没有全带隙形成。图3(b)给出了基于振子耦合结构局域共振声学超材料的色散关系，基于振子耦合结构可以在1758.9Hz至2411.5Hz频率范围内形成带隙，且该带隙适用于所有波的极化形式。对比二者，可以发现基于振子耦合结构与二维x,y平面内的带隙下截止频率位置基本一致，上带隙频率相比向高频移动，其带隙宽度比二维x,y平面内拓宽了128Hz，可以看出基于振子耦合结构具有更好的宽频优势。
图4(a)及图4(b)给出了基于振子耦合结构局域共振声学超材料在截止频率处的振动模态，可以看出对于其下截止频率处振动模态为：正交杆中一个杆的振动，基体与另外一杆保持静止，其振动形式与二维平面内下截止频率处振动形式一致，它可以简化为如图4(a)所示的质量弹簧模型。如图4(b)所示，基于振子耦合结构声学超材料上截止频率处的振动形式为：平行于x方向的杆沿y方向和基体相对振动，平行于y方向的杆保持静止，它可以简化为如图4(b)所示的质量弹簧模型。在上截止频率的振动模态中，同时出现了压缩和剪切变形。振动杆与二维平面内上截止频率处的振动形式一致，其周围软层发生拉伸或者压缩变形，可以称为压缩共振子；而静止杆与运动基体之间发生剪切变形，可以称为剪切共振子。可以看出，在上截止频率处的振动模态存在一个很强的振子耦合效应，这种耦合效应来源于压缩共振子和剪切共振子的共同作用。正是由于这种耦合效应，当波沿z方向传播时，会打开一个宽频的带隙。由于x，y方向的对称性，这个带隙适用于所有极化状态的波。
图5给出了基于振子耦合结构的宽频吸声材料的水下吸声测试与数值分析结果。可以看出，基于振子耦合结构的宽频吸声材料在200Hz-10kHz频率范围内存在两个吸声峰，其中第一个吸声峰位于1kHz频率附近(实验测试为800Hz)，第二个吸声峰位于5kHz频率附近(实验测试为4kHz)。与传统的局域共振声学超材料的吸声曲线趋势一致，强吸声效应均源于局域共振效应。其中第一个吸声峰的位置与局域共振带隙频率一致，它是由于金属散射体的振动，将能量局域在软聚氨酯中，从而被粘滞损耗吸收；而第二吸声峰是由于在界面处的波形转换使声波产生了损耗。在4—10kHz频率范围内吸声系数大于0.8，在宽频范围内实现了对声波的强吸收。
下面通过具体应用中的实例对本发明技术方案进行示例性说明。
下面是用于实例的材料：
软聚氨酯材料：其特征是密度1.076g/cm3,杨氏模量3MPa,泊松比0.45，损耗因子为0.3。
硬聚氨酯材料：其特征是密度0.898g/cm3,杨氏模量1.3MPa,泊松比0.49，损耗因子为0.4模量为70MPa，损耗因子为0.1。
超轻金属杆：镁铝合金。其特征是密度1.2g/cm3,杨氏模量GPa,泊松比0.33。
本实例的宽频水下吸声材料制备方法包括如下步骤：
1.超轻金属杆浸泡于10％的稀硫酸溶液12小时，再于室温超声0.5-1小时，溶解金属表面氧化层及油污。
2.取出超轻金属杆，放置真空干燥箱干燥处理。
3.选取未固化的软聚氨酯，对超轻金属杆进行包覆。
4.将包覆软聚氨酯的超轻金属杆放置真空干燥箱中固化，包覆层厚度约为3-4mm。
5.将包覆软高分子材料的超轻金属杆金属杆排列为正交基于振子耦合结构，并在模具中固定位置。
6.选取未固化的硬聚氨酯，将其与固化剂充分混合后，充入模具中。
7.放置真空干燥箱内，反复抽取真空后固化，形成块体材料。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽频水下吸声材料，其特征在于，包括：
多个散射体，第一高分子材料及第二高分子材料，其中：
所述多个散射体，为金属杆；
所述第一高分子材料，包覆于所述散射体；
所述第二高分子材料的弹性模量高于所述第一高分子材料的弹性模量；
多个包覆了第一高分子材料的散射体分层排列，并且每相邻两层散射体之间呈正交排列，所述分层呈正交排列的散射体埋入第二高分子材料构成的基体中构成局域共振单元。
2.如权利要求1所述的宽频水下吸声材料，其特征在于，所述第一高分子材料为模量在0.5MPa-20MPa之间的粘弹性高分子材料。
3.如权利要求2所述的宽频水下吸声材料，其特征在于，所述粘弹性高分子材料包括聚氨酯或硅橡胶。
4.如权利要求1所述的宽频水下吸声材料，其特征在于，所述第二高分子材料为模量在50MPa-300MPa之间的聚氨酯或橡胶。
5.如权利要求1所述的宽频水下吸声材料，其特征在于，
所述金属杆材质为钢或铜或铝。
6.如权利要求1所述的宽频水下吸声材料，其特征在于，所述第一高分子材料形成的包覆层厚度为3-4mm。
7.一种宽频水下吸声材料制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将金属杆浸泡于5-15％的稀硫酸溶液8-16小时，再于室温超声0.5-1小时，溶解金属表面氧化层及油污；
(2)取出金属杆，放置真空干燥箱干燥处理；
(3)选取未固化的液体第一高分子材料，所述第一高分子材料固化后模量在0.5MPa-20MPa之间，将其与固化剂充分搅拌混合后，对金属杆进行包覆；
(4)将包覆第一高分子材料的金属杆放置真空干燥箱中固化；
(5)将包覆第一高分子材料的金属杆排列为正交结构，并在模具中固定位置；
(6)选取未固化的液体第二高分子材料，第二高分子材料固化后模量在50MPa-300MPa之间，将其与固化剂充分混合后，充入包覆高分子材料的金属基于振子耦合结构中；
(7)将模具放置真空干燥箱内，反复抽取真空后固化，形成块体材料。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，
所述金属杆材质为钢或铜或铝。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，
所述第一高分子材料损耗因子在0.1-0.5之间。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，
步骤(3)中的包覆层厚度为3-4mm。
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