CN108281134A - 一种具有类耳蜗结构的大型水下平台仿生降噪波导管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有类耳蜗结构的大型水下平台仿生降噪波导管，包括类耳蜗结构的降噪波导管，所述降噪波导管为螺旋线形变径式圆管结构；所述螺旋线形变径式圆管呈螺旋形延伸结构，且螺旋延伸段自声波导管入口至声波导管出口的管径为渐缩型，形成类似于耳蜗的类耳蜗锥形螺旋结构；所述声波导管入口管与声波导管出口管与各自所在的平面平行。该波导管管径逐渐变小使管内声阻抗发生渐变，达到不断提高声波反向反射的效果以提高降噪效果的同时，可在较小空间内增大声波的传播距离，结合内壁附加的吸声结构，可提高声波的被吸收量；而圆锥形的螺旋结构可使声波的传播方向发生连续性变化，从而破坏声波传播的连续性，实现进一步控制声波能量的目的。

Description

一种具有类耳蜗结构的大型水下平台仿生降噪波导管
技术领域
本发明涉及大型水下平台降噪技术领域，具体涉及一种具有类耳蜗结构的大型水下平台仿生降噪波导管。
背景技术
大型水下平台包括水下平台及潜航器等，它能够完成水下勘探、侦测甚至是军事上的进攻防守等任务。在海洋开发日益重要的现在，水下平台越来越得到了各个国家的重视，无论是在民用还是在军用上，都扮演着重要的角色。从安全角度来看，大型水下平台会发出一定量级的噪声，导致附近海区声场强度增大，成为敌方水声探测设备的捕捉目标，所以水下平台良好的声隐身性能可使其不被敌方发现从而完成各项任务，是其生命线以及一项关键的技术指标。
水下平台的噪声主要来源于内部各种机械结构的运转，例如发动机、减速器等，这些结构产生的噪声会通过航行器的外壳辐射到外部，并通过水介质进行传播，对这些辐射噪声进行控制是增强声隐身性能的关键。控制水下平台辐射噪声主要有两种手段，第一种是采用低噪声的设备，如低噪声发动机、减速器等，但是由于动力、续航等方面的需要，现有的设备通常向大型化发展，其噪声也较大，因此难以从源头上进行控制。第二种控制辐射噪声的方法是控制其传播途径。由于航行器的噪声主要来源于其内部，这些噪声会通过航行器外壁传播到外部，因此对外壁进行处理是一种有效的控制噪声的手段。
目前，最常见的航行器噪声控制方式是在其外壁设置隔声装置，其原理是利用隔声实现对其自身辐射噪声的有效降低。根据隔声原理，一种结构的隔声效果与结构的厚度有关。通常情况下，一种结构的隔声效果在高频优于低频，厚度增加，低频隔声效果会有所提高。然而，通过增加结构厚度提高隔声量的做法所能获得的隔声量很有限。因为根据质量定律，结构厚度每增加一倍，隔声量提高6dB。可见，高水平的隔声量需要非常厚的结构，这显然是不现实的。另外，由于低频声波具有声波长较长，声辐射距离较远的特点，对其进行控制时更应当侧重于对重点频段的控制。以上种种，共同导致普通结构的低频隔声效果相当有限。
综上所述，现有大型水下平台降噪技术能够在控制平台自身辐射噪声时对其中高频部分的噪声起到较为显著的隔声降噪作用，然而，对其自身辐射噪声中的低频段部分的噪声降噪效果就很差。因此，亟需发展新型降噪技术与现有技术进行配合使用以进一步提高降噪效果。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种具有类耳蜗结构的大型水下平台仿生降噪波导管，能够将大型水下平台所辐射出的噪声汇聚并通过波导管向外传播，能够有效降低宽频、特别是低频范围内的噪声。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种具有类耳蜗结构的大型水下平台仿生降噪波导管，包括类耳蜗结构的降噪波导管，所述降噪波导管为螺旋线形变径式圆管结构；
所述螺旋线形变径式圆管呈螺旋形延伸结构，且螺旋延伸段自声波导管入口至声波导管出口的管径为渐缩型，形成类似于耳蜗的类耳蜗锥形螺旋结构；所述声波导管入口管与声波导管出口管与各自所在的平面平行。
对于上述技术方案，发明人还有进一步的优化实施方案：
进一步的，所述类耳蜗锥形螺旋结构有3～4层。
进一步的，各层类耳蜗锥形螺旋结构的中心线等间距(即螺距为恒值)，螺距在50～70mm。
进一步的，所述类耳蜗锥形螺旋结构为正锥形或斜锥形。
进一步的，当类耳蜗锥形螺旋结构为正锥形时，所述声波导管入口管与声波导管出口管各自所在的平面之间的距离在270～300mm。
进一步的，当类耳蜗锥形螺旋结构为正锥形时，所述类耳蜗锥形螺旋结构所形成的锥面与垂直平面之间的角度在10°～15°范围内。
进一步的，所述声波导管入口处的管径为50～70mm，声波出口处的管径为25～35mm，声波导管的管径由入口处至出口处均匀变小。
进一步的，所述类耳蜗锥形螺旋结构的圆锥底部中心线间距为110～130mm。
进一步的，在所述螺旋线形变径式圆管降噪波导管内壁进一步贴附有迷宫式超结构单元，所述迷宫式超结构单元采用在玻璃的一个表面或正反面分别按照一定的孔隙率打孔制备的开孔型多孔玻璃，开孔型多孔玻璃孔径小于1.0mm；在所述开孔型多孔玻璃的一个表面或正反面分别设有开孔，所述开孔在玻璃的正反面相互交错分布为连通或不连通的盲孔。
进一步的，所述连通开孔呈圆螺旋或方螺旋排布；所述不连通开孔为圆形孔、方形孔、锥形孔或异型孔。
由以上所给出的技术方案可以明确，由于波导管径由入口处至出口处逐渐减小，可使管内声阻抗发生渐变，达到不断提高声波反向反射的效果，以提高降噪效果；波导管呈螺旋形结构可在较小空间内增大声波的传播距离，结合内壁附加的吸声结构，可提高声波的被吸收量；而圆锥形的螺旋结构可使声波的传播方向发生连续性变化，从而破坏声波传播的连续性，实现进一步控制声波能量的目的。
上述技术方案的目的，主要在于实现波导管的声阻抗渐变，并提高声波的传播距离，从而进一步提高降噪效果。
本发明的有益效果是：所涉及的类耳蜗降噪波导管，在利用波导管径逐渐变小，使管内声阻抗发生渐变，达到不断提高声波反向反射的效果以提高降噪效果的同时，波导管呈螺旋形结构可在较小空间内增大声波的传播距离，结合内壁附加的迷宫式超结构单元吸声结构，可提高声波的被吸收量；而圆锥形的螺旋结构可使声波的传播方向发生连续性变化，从而破坏声波传播的连续性，实现进一步控制声波能量的目的。因而，所涉及的类耳蜗声波导结构可有效降低大型水下平台在宽频范围内的辐射噪声。
附图说明
图1(a)、图1(b)分别为本发明类耳蜗波导管的主视图和俯视图；
图2为本发明类耳蜗波导管的结构尺寸示意图；
图中，din为波导管入口处的管径；dout为波导管出口处的管径；θ为类耳蜗锥形螺旋结构所形成的锥面与垂直平面之间的角度；dl为螺距；l为类耳蜗锥形螺旋部分的圆锥底部中心线间距；H为入口及出口所在两个平行平面之间的距离。
图3(a)-图3(d)为声波经过波导管时的声压分布示意图；其中，图3(a)为50Hz时声压分布示意图，图3(b)为100Hz时声压分布示意图，图3 (c)为500Hz时声压分布示意图，图3(d)为2000Hz时声压分布示意图；
图4为本发明实施例的波导管的传递损失曲线；
图5为开孔型多孔玻璃表面打均匀孔示意图；
图6为开孔型多孔玻璃表面打方螺旋孔示意图；
图7为开孔型多孔玻璃表面打螺旋孔示意图；
图8为在多孔玻璃表面打方螺旋孔的吸声系数曲线。
图中：11.开孔型多孔玻璃；12.开孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
如图1(a)、图1(b)所示，一种具有类耳蜗结构的大型水下平台仿生降噪波导管，声波由波导管底部进入，由顶部辐射到空间中。本发明类耳蜗结构的降噪波导管为螺旋线形变径式圆管结构；螺旋线形变径式圆管呈螺旋形延伸结构，且螺旋延伸段自声波导管3入口至声波导管3出口的管径为渐缩型，声波入口处的管径最大，出口处管径最小，形成类似于耳蜗的类耳蜗锥形螺旋结构；其中，声波导管入口管与声波导管出口管与各自所在的平面平行。
如图2所示，声波导管入口处的管径din为60mm范围内；声波出口处的管径dout在为30mm；管的直径由入口处至出口处均匀变小；入口及出口所在两个平行平面之间的距离H为282mm；类耳蜗锥形螺旋共有3层；类耳蜗锥形螺旋结构所形成的锥面与垂直平面之间的角度θ为12°；类耳蜗锥形螺旋部分的圆锥底部中心线间距l为120mm；各层螺旋结构的中心线等间距(即螺距为恒值)，螺距dl为60mm。
该实施例中，声波在波导管内的声压分布如图3(a)-(d)所示。由图3(a)-(d)中不同频率的波导管内声压分布可看出，当声波进入波导管后，声压在入口处较大，但是经过传播之后，在出口处的声压变低，且频率越高，降低越明显。波导管的声传递损失曲线如图4所示。由图4可以看出，本发明中具有类耳蜗结构的波导管具有非常良好的隔声性能，在低频处也具有十分明显的隔声量。
本发明类耳蜗锥形螺旋结构不限于上述正锥型结构，还可以是斜锥形结构，斜锥形结构与正锥形结构类似，并且能够达到相同的降噪效果。
进一步的，在螺旋线形变径式圆管降噪波导管内壁进一步贴附有迷宫式超结构单元，如图5所示，迷宫式超结构单元采用在玻璃的一个表面或正反面分别按照一定的孔隙率打孔制备的开孔型多孔玻璃11，开孔型多孔玻璃11孔径小于1.0mm；在开孔型多孔玻璃11的一个表面或正反面分别设有开孔12，开孔12在玻璃的正反面相互交错分布为连通或不连通的盲孔。不连通开孔为圆形孔、方形孔、锥形孔或异型孔，见图5。
在一个实施例中，连通开孔呈方螺旋排布，见图6所示；图8示出了在多孔玻璃表面打方螺旋孔多孔玻璃吸声系数曲线。孔隙率0.72，厚度20mm，打孔深度0.5h，打孔孔径2.2mm，打孔率7.1％打孔，表面呈螺旋状。未打孔前，多孔玻璃的平均吸声系数为0.51，打孔后正面平均吸声系数为0.81，提高58.8％，吸声性能得到显著提高。
在另一个实施例中，连通开孔呈圆螺旋排布，见图7所示。其效果同连通开孔呈方螺旋排布的实施例。
上述结果表明，本发明所涉及的类耳蜗降噪波导管，在利用波导管径逐渐变小使管内声阻抗发生渐变，达到不断提高声波反向反射的效果以提高降噪效果的同时，波导管呈螺旋形结构可在较小空间内增大声波的传播距离，结合内壁附加的吸声结构，可提高声波的被吸收量；而圆锥形的螺旋结构可使声波的传播方向发生连续性变化，从而破坏声波传播的连续性，实现进一步控制声波能量的目的。因而，所涉及的类耳蜗声波导结构可有效降低大型水下平台在宽频范围内的辐射噪声。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有类耳蜗结构的大型水下平台仿生降噪波导管，其特征在于：包括类耳蜗结构的降噪波导管，所述降噪波导管为螺旋线形变径式圆管结构；
所述螺旋线形变径式圆管呈螺旋形延伸结构，且螺旋延伸段自声波导管入口至声波导管出口的管径为渐缩型，形成类似于耳蜗的类耳蜗锥形螺旋结构；所述声波导管入口管与声波导管出口管与各自所在的平面平行。
2.根据权利要求1所述的具有类耳蜗结构的大型水下平台仿生降噪波导管，其特征在于：所述类耳蜗锥形螺旋结构有3～4层。
3.根据权利要求2所述的具有类耳蜗结构的大型水下平台仿生降噪波导管，其特征在于：各层类耳蜗锥形螺旋结构的中心线等间距，螺距在50～70mm。
4.根据权利要求1所述的具有类耳蜗结构的大型水下平台仿生降噪波导管，其特征在于：所述类耳蜗锥形螺旋结构为正锥形或斜锥形。
5.根据权利要求4所述的具有类耳蜗结构的大型水下平台仿生降噪波导管，其特征在于：当类耳蜗锥形螺旋结构为正锥形时，所述声波导管入口管与声波导管出口管各自所在的平面之间的距离在270～300mm。
6.根据权利要求4所述的具有类耳蜗结构的大型水下平台仿生降噪波导管，其特征在于：当类耳蜗锥形螺旋结构为正锥形时，所述类耳蜗锥形螺旋结构所形成的锥面与垂直平面之间的角度在10°～15°范围内。
7.根据权利要求1所述的具有类耳蜗结构的大型水下平台仿生降噪波导管，其特征在于：所述声波导管入口处的管径为50～70mm，声波出口处的管径为25～35mm，声波导管的管径由入口处至出口处均匀变小。
8.根据权利要求1所述的具有类耳蜗结构的大型水下平台仿生降噪波导管，其特征在于：所述类耳蜗锥形螺旋结构的圆锥底部中心线间距为110～130mm。
9.根据权利要求1-8任一项所述的具有类耳蜗结构的大型水下平台仿生降噪波导管，其特征在于：在所述螺旋线形变径式圆管降噪波导管内壁进一步贴附有迷宫式超结构单元，所述迷宫式超结构单元采用在玻璃的一个表面或正反面分别按照一定的孔隙率打孔制备的开孔型多孔玻璃，开孔型多孔玻璃孔径小于1.0mm；在所述开孔型多孔玻璃的一个表面或正反面分别设有开孔，所述开孔在玻璃的正反面相互交错分布为连通或不连通的盲孔。
10.根据权利要求9所述的具有类耳蜗结构的大型水下平台仿生降噪波导管，其特征在于：所述连通开孔呈圆螺旋或方螺旋排布；所述不连通开孔为圆形孔、方形孔、锥形孔或异型孔。
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