CN108544824A - 一种利于船舶水下减振吸声的声学覆盖层 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利于船舶水下减振吸声的声学覆盖层，由表面层、夹芯吸声层和粘结层组成。表面层由与水密度接近且阻抗匹配的玻璃钢制成；夹芯吸声层采用聚氨酯、蛭石粉为原料，采用分层等方法制备为材料参数沿厚度方向变化的功能梯度结构，并夹杂空心玻璃微珠；所璃微珠含量沿厚度方向从外到内逐渐减小，密度逐渐增大；夹芯吸声层采用粘结层与表面层和舰船钢外壳粘合，而粘结层也是粘弹性材料。本发明可以同时满足阻抗匹配、材料的声衰减性能好这两个条件，可以有效降低舰船与水下结构的目标强度与辐射噪声，对提高舰船与水下结构的反探测与隐身能力有重要作用，在军民用舰船与水下结构物等领域有十分广阔的应用前景。

Description

一种利于船舶水下减振吸声的声学覆盖层
技术领域
本发明涉及减振吸声技术领域，特别涉及一种利于船舶水下减振吸声的声学覆盖层。
背景技术
水下吸声减振是水声工程、船舶工程和海洋工程等学科的重要课题。与在空气中不同，雷达的电磁波在水下衰减很快，难以使用，而声波在不可压缩的水中可以传递到很远(声呐探测距离可达10～35海里)。因此，被动声呐、主动声呐以及舰船表面的吸声覆盖层是当前水声对抗的主要手段，同时，噪声也是水下的主要污染源之一。因此在舰船和其他水下结构表层敷设吸声减振覆盖层是很有必要的。声学覆盖层作为水下运动体最外侧的声学防护层，通常具有吸声、隔声、减振或抗冲击等性能，是目前唯一可以同时有效对抗主、被动探测的关键技术。
目前，按吸声减振机理的差异，声学覆盖层可分为空腔共振和多孔吸能两大类。空腔共振覆盖层，通常是指含有各种空腔结构或含有重质子散射体的粘弹性复合结构，常见的有Alberich和楔形两种；多孔吸能覆盖层，其内部具有大量细微孔隙，当入射波到达覆盖层时，孔隙内气泡剪切变形，将声能转化为热能而耗散掉。
按照功能的差异，吸声覆盖层的声隐身作用分为两方面:一、降低舰船外壳对敌声呐信号的反射，降低被主动声呐探测到的可能性；二、吸收舰船自身产生的噪声，通过阻尼抑制舰体振动，降低本舰内的机械噪声，使舰船不被被动声呐探测到。因此，作为吸声材料必须满足两个条件：(1)材料的特性声阻抗与传波介质水的特性声阻抗要匹配，使声波能够无反射地进入材料内部；(2)材料要有大的声衰减性能，使入射进来的声能绝大部分被吸收。但是均匀材料通常难以同时满足阻抗匹配、材料的声衰减性能好这两个条件，传统的空腔共振和多孔吸能声学覆盖层在实际应用过程中很难达到满意的吸声减振效果。
本发明提出一种粘弹性夹杂功能梯度声学覆盖层，在功能上，夹心层在与表面层交界面处密度和声阻抗与水/表面层匹配，沿梯度到达舰船外壳时接近于外壳的密度和阻抗，层合结构内界面反射波衰减至最低限度；在机理上，采用聚氨酯多孔材料进行多孔吸能，采用空心玻璃微珠进行空腔共振吸声，同时增加声波在结构内的传播距离，并增强聚氨酯多孔材料的应力松弛效应。可以同时满足阻抗匹配、材料的声衰减性能好这两个条件，在军民用舰船与水下结构物等领域有十分广阔的应用前景。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种利于船舶水下减振吸声的粘弹性夹杂功能梯度声学覆盖层，可以同时满足阻抗匹配、材料的声衰减性能好这两个条件，可以有效降低舰船与水下结构的目标强度与辐射噪声，对提高舰船与水下结构的反探测与隐身能力有重要作用。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种利于船舶水下减振吸声的粘弹性夹杂功能梯度声学覆盖层，由表面层、夹芯吸声层和粘结层组成，夹芯吸声层上下两端通过粘结层分别与表面层和舰船钢外壳粘合，所述的粘结层为粘弹性材料；所述表面层由与水阻抗匹配的玻璃钢制成；所述夹芯吸声层包括基体和空心玻璃微珠，基体内夹杂空心玻璃微珠，所述玻璃微珠粒径范围 10-180微米，壁厚1-2微米，堆积密度0.1-0.25克/立方厘米，质量填充比为5％-30％。
所述的夹芯吸声层基体由聚氨酯和蛭石粉为原料混合制备，聚氨酯和蛭石粉均匀分布，玻璃微珠在基体内均匀分布。
作为优选的，所述的夹芯吸声层基体由聚氨酯和蛭石粉为原料混合制备，基体材料参数沿厚度方向功能梯度分布，玻璃微珠在基体内均匀分布。
作为优选的，所述的夹芯吸声层基体由聚氨酯和蛭石粉为原料混合制备，基体材料参数沿厚度方向功能梯度分布，玻璃微珠在基体内含量沿厚度方向从表面层到舰船钢外壳方向逐渐减小。
作为优选的，夹芯吸声层基体在与表面层交界面处声阻抗与表面层匹配，沿梯度到达舰船外壳时声阻抗与舰船外壳匹配。
夹芯吸声层采用聚氨酯多孔材料作为基体进行多孔吸能，采用空心玻璃微珠进行空腔共振吸声，同时增加声波在结构内的传播距离，并增强聚氨酯多孔材料的应力松弛效应。
本发明所达到的有益技术效果：本发明提供一种利于船舶水下减振吸声的粘弹性夹杂功能梯度声学覆盖层，可以同时满足阻抗匹配、材料的声衰减性能好这两个条件，可以有效降低舰船与水下结构的目标强度与辐射噪声，对提高舰船与水下结构的反探测与隐身能力有重要作用，在军民用舰船与水下结构物等领域有十分广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明之夹杂功能梯度消声减振声学覆盖层宏观结构示意图；
图2为本发明之夹杂功能梯度消声减振声学覆盖层微观结构示意图；
图3为本发明之聚氨酯基体均匀分布、玻璃微珠均匀分布微观结构示意图；
图4为本发明之聚氨酯基体沿厚度方向功能梯度分布、玻璃微珠均匀分布微观结构示意图；
图5为本发明之聚氨酯基体沿厚度方向功能梯度分布、玻璃微珠沿厚度方向功能梯度分布微观结构示意图；
图6为控制组分流量的机械连续法设备图。
1-表面层；2-舰船外壳；3-夹芯吸声层；4-粘结层。
具体实施方式：
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
如图1-5所示，图1-图5均为本发明声学覆盖层或夹芯吸声层的截面图，图中从上往下为沿厚度方向由表面层至舰船外壳方向。
本具体实施方式采用以下技术方案：一种利于船舶水下减振吸声的声学覆盖层，由表面层1、夹芯吸声层3和粘结层4组成，夹芯吸声层3上下两端采用粘结层4与表面层1和舰船钢外壳2粘合，粘结层4也是粘弹性材料。
本发明的粘结层可以为常用粘弹性材料，如沥青、乳胶和环氧树脂等，其作用为粘结表面层1、夹芯吸声层3和舰船钢外壳2，选择粘弹性材料的目的是耐老化、耐化学介质腐蚀，有较好的粘附性和弹性，保持与连接层间阻抗一致性；此外，粘弹性材料大分子结构复杂链段运动的形式繁多，松弛与滞后时间分布很广，对水声吸收的频率范围很大。
表面层1采用与水阻抗匹配的玻璃钢，其中玻璃钢密度与水尽量接近，在本发明的一个具体实施例中，所述的玻璃钢相对密度1.7，厚度为4mm时，在2kHz～25kHz的透射系数在0.9以上。表面层1材料的特性声阻抗与传波介质水的特性声阻抗匹配，使声波能够无反射地进入材料内部。
夹芯吸声层3基体3-2采用聚氨酯、蛭石粉为原料制备，夹芯吸声层3基体夹杂空心玻璃微珠3-3(图2)，空心玻璃微珠是一种尺寸微小的空心玻璃球体，属无机非金属材料。可由硼硅酸盐原料加工而成，空心玻璃微珠3-3粒径范围10-180微米，壁厚1-2微米，堆积密度0.1-0.25克/立方厘米，质量填充比为5％-30％。
实施例1：
如图3所示，利于船舶水下减振吸声的声学覆盖层中夹芯吸声层 3的基体3-2及基材玻璃微珠3-3均呈均匀分布。
本发明的下述实施例均基于水声驻波管传递函数法测量不同微观结构的声学覆盖层的吸声系数，评定吸声覆盖层吸声效果，吸声系数越大表示吸声效果越好。水声驻波管传递函数法测试系统包括水声驻波管、声学覆盖层样品、水听器、声管、发射换能器、滤波器、示波器、信号发射器、相位计以及功放；所述驻波管内充满水，用于模拟海水；所述样品末端为空气，模拟吸声材料的实际应用环境；所述双水听器安装在声管壁上；其接收的信号输入到带前置放大器的双通道滤波器中；所述输出通道的电压幅度由数字示波器读出，相位由相位计读出；所述发射子系统由信号发生器、功放和发射器组成；除功放外所有仪器均由计算机所控制。根据上述双水听器传递函数法测量的基本原理,只要测得每路水听器接收通道的电压幅度和它们的相位差，即可通过公式计算得到样品的吸声系数，从而评价不同微观结构的声学覆盖层吸声效果的好坏。
实施例1材料的特性声阻抗与传波介质水的特性声阻抗相差较大，阻抗失配效应导致声波反射较多，并没有完全进入材料之中，舰船外壳对敌声呐信号的反射较多，被主动声呐探测到的可能性较高，从而造成舰船隐身效果较不理想；然而，声学覆盖层利用玻璃微珠 3-3等空心基材进行多孔吸声，另一方面利用基材进行空腔共振吸声，同时，声波在界面上的散射增加了其在基体内的传播距离，而基材的振动增强了基体的应力松弛效应，有利于吸声。故覆盖层可以吸收舰船自身产生的噪声，通过阻尼抑制舰体振动，降低本舰内的机械噪声，在舰船防被动声呐探测方面效果较为理想。
实施例2：
如图4所示，利于船舶水下减振吸声的声学覆盖层中夹芯吸声层 3的基体3-2呈功能梯度分布，而基材玻璃微珠3-3均呈均匀分布。夹芯吸声层采3在与表面层1交界面处密度和声阻抗与水/表面层匹配，沿梯度到达舰船外壳2时接近于外壳的密度和阻抗。
本实施例的夹芯吸声层3的基体采用温度梯度固化法、分层方法或是控制组分流量的机械连续法制备。以上制作方法可见周成飞.聚氨酯功能梯度材料的研究现状与展望[J].化工技术与开发, 2013(5):9-13.
其中，1)温度梯度固化法：将聚氨酯预聚物和蛭石粉混合均匀后，倒入模具中，通过控制模具两端的温度梯度制备聚氨酯功能梯度材料。玻璃微珠3-3随聚氨酯预聚物和蛭石粉一起加入，从而使得基体3-2呈功能梯度分布，而基材玻璃微珠3-3均呈均匀分布。
2)分层制备法：这是一种顺序铺层固化的手工制备方法，通过不断改变聚氨酯和蛭石粉的比例，按照顺序，一层一层地铺设，最终得到梯度材料。该方法中，玻璃微珠3-3需要逐层随聚氨酯预聚物和蛭石粉一起加入，玻璃微珠3-3在每层的加入量相等，从而使得基体 3-2呈功能梯度分布，而基材玻璃微珠3-3均呈均匀分布。
3)控制组分流量的机械连续法：以蛭石粉为A组分，聚氨酯预聚物为B组分，将它们分别加入容器A、B中；通过旋钮调节控制两组分的流量，让它们流到三辊机的进料辊上，蛭石粉和聚氨酯组分经三辊机碾压混合，并且流出注入模具成型。该方法所用设备如图6 所示。玻璃微珠3-3加入量保持相等，从而使得基体3-2呈功能梯度分布，而基材玻璃微珠3-3均呈均匀分布。
与实施例1相比，舰船外壳对敌声呐信号的反射较少，被主动声呐探测到的可能性较低，从而造成舰船隐身效果较为理想。其中夹芯吸声层3在与表面层1交界面处密度和声阻抗与水/表面层匹配，沿梯度到达舰船外壳2时接近于外壳的密度，并与外壳声阻抗匹配，层合结构内界面反射波衰减至最低限度；夹芯吸声层3采用聚氨酯多孔材料作为基体进行多孔吸能，采用空心玻璃微珠3-3进行空腔共振吸声，同时增加声波在结构内的传播距离，并增强聚氨酯3-2多孔材料的应力松弛效应。
实施例3：
如图5所示，粘弹性夹杂功能梯度声学覆盖层中夹芯吸声层3的基体聚氨酯3-2及基材玻璃微珠3-3均呈功能梯度分布，实施例3采用分层制备法：通过不断改变聚氨酯和蛭石粉的比例，按照顺序，一层一层地铺设，最终得到梯度材料。该方法中，玻璃微珠3-3需要逐层随聚氨酯预聚物和蛭石粉一起加入，玻璃微珠3-3在每层的加入量呈梯度分布，从而使得基体3-2呈功能梯度分布，而基材玻璃微珠3-3均呈梯度分布。实施例3中空心玻璃微珠呈功能梯度分布，沿厚度方向由表面层至舰船外壳，玻璃微珠3-3含量逐渐减小，夹芯吸声层3阻抗逐渐增大，空心玻璃微珠质量填充比由25％梯度变化至5％，基体中蛭石粉比重逐渐变少，聚氨酯含量逐渐增大。此时粘弹性夹杂功能梯度声学覆盖层隐身效果最佳。
本发明可以同时满足阻抗匹配、材料的声衰减性能好这两个条件，可以有效降低舰船与水下结构的目标强度与辐射噪声，对提高舰船与水下结构的反探测与隐身能力有重要作用。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种利于船舶水下减振吸声的粘弹性夹杂功能梯度声学覆盖层，其特征在于由表面层、夹芯吸声层和粘结层组成，夹芯吸声层上下两端通过粘结层分别与表面层和舰船钢外壳粘合，所述的粘结层为粘弹性材料；所述表面层由与水阻抗匹配的玻璃钢制成；所述夹芯吸声层包括基体和空心玻璃微珠，基体内夹杂空心玻璃微珠，所述玻璃微珠粒径范围10-180微米，壁厚1-2微米，堆积密度0.1-0.25克/立方厘米，质量填充比为5％-30％。
2.根据权利要求1所述的一种利于船舶水下减振吸声的声学覆盖层，其特征在于：所述的夹芯吸声层基体由聚氨酯(3-2)和蛭石粉为原料混合制备，聚氨酯(3-2)和蛭石粉均匀分布，玻璃微珠(3-3)在基体内均匀分布。
3.根据权利要求1所述的一种利于船舶水下减振吸声的声学覆盖层，其特征在于：所述的夹芯吸声层基体由聚氨酯(3-2)和蛭石粉为原料混合制备，基体材料参数沿厚度方向功能梯度分布，玻璃微珠(3-3)在基体内均匀分布。
4.根据权利要求1所述的一种利于船舶水下减振吸声的声学覆盖层，其特征在于：所述的夹芯吸声层基体由聚氨酯(3-2)和蛭石粉为原料混合制备，基体材料参数沿厚度方向功能梯度分布，玻璃微珠(3-3)在基体内含量沿厚度方向从表面层到舰船钢外壳方向逐渐减小。
5.根据权利要求3或4所述的一种利于船舶水下减振吸声的声学覆盖层，其特征在于：夹芯吸声层(3)基体在与表面层(1)交界面处声阻抗与表面层匹配，沿梯度到达舰船外壳(2)时声阻抗与舰船外壳(2)匹配。
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