CN108470560A - 一种基于多吸声机理的复合型声学覆盖层 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多吸声机理的复合型声学覆盖层，该覆盖层将传统声学覆盖层的单层材料改为多孔材料，多孔材料利用材料内部的细微的孔隙，当声波进入到材料内部时，孔隙内会产生黏滞阻力，从而产生摩擦耗能，以实现对进入覆盖层的声能量的损耗作用。另外，基体中所添加的局域共振单元的存在，能够对于某一频率范围的声波起到较强的阻隔的作用，即产生带隙，使得在该频率范围内的声能量得到较大的衰减。空腔结构的存在，改变了声波在覆盖层中的传播路线，加大了声能量的损耗。基于以上三种吸声损耗机理，改善了覆盖层的吸声性能。

Description

一种基于多吸声机理的复合型声学覆盖层
技术领域
本发明涉及涉及的是一种减振降噪领域的装置，具体是一种基于多吸声机理的复合型声学覆盖层。
背景技术
声学覆盖层是敷设水下航行器外表壳体表面用以吸收外部探测信号的一种声学材料。传统的声学覆盖层多以橡胶为代表的纯聚合物作为覆盖层的主要材料但是现在也有更多新型的吸声性能更为优越的材料被应用于覆盖层吸声的研究之中。除了材料层面，在结构设计方面改善覆盖层的吸声特性也是重点研究之一。诸如，在覆盖层基体中添加单独或者组合的周期性共振单元或者周期性空腔结构的声学覆盖层。相较于传统的单一型覆盖层结构，含有局域共振单元的声学覆盖层由于共振单元的存在，单元的共振作用能够使得更多声能量被基体材料所吸收；由于含有周期性空腔结构，空腔能够改变声波在覆盖层内的传播路径，使得声波能够更多地被耗散。另外，本发明采用的覆盖层结构是多孔材料，周期性共振单元和周期性空腔结构这三种基于不同吸声机理的有机结合，能够更加有效地提高覆盖层的吸声性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多吸声机理的复合型声学覆盖层，以克服现有技术的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于多吸声机理的复合型声学覆盖层，该覆盖层将传统声学覆盖层的单层材料改为多孔材料，多孔材料利用材料内部的细微的孔隙，当声波进入到材料内部时，孔隙内会产生黏滞阻力，从而产生摩擦耗能，以实现对进入覆盖层的声能量的损耗作用。另外，基体中所添加的局域共振单元的存在，能够对于某一频率范围的声波起到较强的阻隔的作用，即产生带隙，使得在该频率范围内的声能量得到较大的衰减。空腔结构的存在，改变了声波在覆盖层中的传播路线，加大了声能量的损耗。基于以上三种吸声损耗机理，改善了覆盖层的吸声性能。
优选的，所述覆盖层基体是多孔材料组成；基体材料中有周期性排列的共振单元或空腔结构，共振单元和空腔结构的形式可以但不限于是单一周期性球体单元，或者球体-柱体等其他组合单元的形式；声波由外部水介质垂直入射到覆盖层表面。
优选的，所述覆盖层可以为但不限于是以下两种形式中的任意一种：
（a）覆盖层的基体材料是多孔材料；基体材料中都设计有一周期性水平排列的共振单元和空腔结构，单个周期性单元晶胞中中间为一大球体共振单元，四周圆周分布4个小的球体共振单元和4个圆锥体空腔结构；
（b）覆盖层的基体材料是多孔材料；基体材料中都设计有一周期性水平排列的组合共振单元和组合空腔结构，单个周期性单元晶胞的立体图如图2（B）中中间为一大球体共振单元，四周圆周分布4个小的球体共振单元，小球体共振单元圆周分别6个小圆柱体共振单元；另外在大球体单元四周圆周分布有组合空腔结构，组合空腔是横截面为三角形-六边形的组合空腔。
本发明的吸声性能的机理简述如下：
多孔材料吸声机理。开孔材料由于其内部具有大量的细微孔隙，且孔隙彼此贯通并通过表面与外界相通，当声波入射至材料内部时，会激发孔内流体振动，振动流体与多孔材料内壁发生相对运动，由于流体介质的黏滞性，在微孔内产生相应的黏滞阻力，迫使这种相对运动产生摩擦耗能，从而将动能转化成热能实现声能衰减。
局域共振原理。通过在均质吸声材料内部引入各种周期性排列的有机或无机物粒子、中空小球以及金属颗粒、玻璃微球等共振单元（也称之为散射体），利用共振单元与声波的相互作用实现对声波的有效衰减。因为共振单元存在，在特定频率的弹性波激励下各个散射体产生共振,并与弹性波长波行波产生相互作用, 从而抑制弹性波的传播并产生带隙，实现能够阻隔某个频率范围的声波的传播。
空腔谐振原理。空腔型声学覆盖层，它主要利用孔腔谐振、波形转换以及基体材料的本征特性来实现对声波的有效吸收。声学覆盖层材料内部加入空腔，对声波形成散射，增加声波传播损耗的路径，从而增大入射波声能的衰减，另外空腔的存在也改变了结构的共振特性，从而能有效消耗某一频率带的声能量。
本发明一种基于多吸声机理的复合型声学覆盖层，将上述吸声机理（1）、（2）和（3）有机地结合在一起，从而得到了一种吸声性能更优秀的声学覆盖层。
附图说明
图1(A)为本发明一种基于多吸声机理的复合型声学覆盖层的单个周期性单元的横截面示意图，共振单元和空腔结构都为单一单元；
图1(B)为本发明一种基于多吸声机理的复合型声学覆盖层的单个周期性单元的立体示意图；
图1(C)为本发明一种基于多吸声机理的复合型声学覆盖层的周期性单元按照3*3*3组合而成的立体示意图；
图2(A)为本发明一种基于多吸声机理的复合型声学覆盖层的单个周期性单元的横截面示意图，共振单元和空腔结构都为组合单元；
图2(B)为本发明一种基于多吸声机理的复合型声学覆盖层的单个周期性单元的立体示意图；
图2(C)为本发明一种基于多吸声机理的复合型声学覆盖层的周期性单元按照2*2*2组合而成的立体示意图。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
请参阅图，本发明提供一种技术方案：一种基于多吸声机理的复合型声学覆盖层，其创新之处在于基于多孔材料的声学覆盖层与周期性局域共振单元和周期性空腔结构相结合，从而使得覆盖层能更多地吸收垂直入射到覆盖层表面的平面波能量，从而实现水下目标的声隐身性能，保证水下航行器的航行安全。
本发明在以本发明的保护不限于下述的实施例。
实施例1
如图1（A）所示，本实施例中，周期性单元基体材料是多孔材料，多孔材料以三聚氰胺海绵为例，具体关键材料参数有孔隙率0.995，流阻率10500Pa*s/m^2，热特征长470um，粘性特征长度240um,曲折系数1.0059。本实施例中的基体材料的材料参数变化时，其整体结构的吸声性能也会随之变化。本实施例子中，散射体单元为金属材料，其材料属性改变或者体积改变，或者中心大球体的材料与小球体的材料属性和体积的相对变化，会影响共振单元的共振频率，从而改变覆盖层的吸声性能。本实施例中空腔结构的形状及其体积改变也会影响覆盖层的吸声性能。
实施例2
如图2（A）所示，本实施例中，基体的多孔材料材料同实施例1。本实施例子中，单元内部有周期性排列的组合共振单元和组合空腔结构。同实施例1，基体材料参数的变化，散射体单元的材料和体积以及它们的相对体积变化，组合空腔的体积以及相对体积变化，都会影响覆盖层整体的吸声性能。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于多吸声机理的复合型声学覆盖层，其特征在于：该覆盖层将传统声学覆盖层的单层材料改为多孔材料，多孔材料利用材料内部的细微的孔隙，当声波进入到材料内部时，孔隙内会产生黏滞阻力，从而产生摩擦耗能，以实现对进入覆盖层的声能量的损耗作用。另外，基体中所添加的局域共振单元的存在，能够对于某一频率范围的声波起到较强的阻隔的作用，即产生带隙，使得在该频率范围内的声能量得到较大的衰减。空腔结构的存在，改变了声波在覆盖层中的传播路线，加大了声能量的损耗。基于以上三种吸声损耗机理，改善了覆盖层的吸声性能。
2.根据权利要求1所述一种基于多吸声机理的复合型声学覆盖层，其特征在于：所述覆盖层基体是多孔材料组成；基体材料中有周期性排列的共振单元或空腔结构，共振单元和空腔结构的形式可以但不限于是单一周期性球体单元，或者球体-柱体等其他组合单元的形式；声波由外部水介质垂直入射到覆盖层表面。
3.根据权利要求1所述一种基于多吸声机理的复合型声学覆盖层，其特征在于：所述覆盖层可以为但不限于是以下两种形式中的任意一种：
(a)覆盖层的基体材料是多孔材料；基体材料中都设计有一周期性水平排列的共振单元和空腔结构，单个周期性单元晶胞中中间为一大球体共振单元，四周圆周分布4个小的球体共振单元和4个圆锥体空腔结构；
(b)覆盖层的基体材料是多孔材料；基体材料中都设计有一周期性水平排列的组合共振单元和组合空腔结构，单个周期性单元晶胞的立体图如图2(B)中中间为一大球体共振单元，四周圆周分布4个小的球体共振单元，小球体共振单元圆周分别6个小圆柱体共振单元；另外在大球体单元四周圆周分布有组合空腔结构，组合空腔是横截面为三角形-六边形的组合空腔。
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