CN110176224B

CN110176224B - 一种金字塔型点阵增强空腔型水下吸声结构

Info

Publication number: CN110176224B
Application number: CN201910539207.9A
Authority: CN
Inventors: 卢天健; 辛锋先; 段明宇; 于晨磊
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics; Xian Jiaotong University
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics; Xian Jiaotong University
Priority date: 2019-06-20
Filing date: 2019-06-20
Publication date: 2021-07-30
Anticipated expiration: 2039-06-20
Also published as: CN110176224A

Abstract

本发明公开了一种金字塔型点阵增强空腔型水下吸声结构，包括元胞，元胞内部设置有金字塔点阵结构，金字塔点阵结构内设置有空腔，多个元胞阵列设置构成金字塔型点阵增强空腔型水下吸声结构。本发明具有优异的吸声性能，良好的耐水压性能，同时实现了水下吸声结构的轻量化设计，是一种承载‑吸声‑轻量化的多功能一体化结构。

Description

一种金字塔型点阵增强空腔型水下吸声结构

技术领域

本发明属于水下吸声技术领域，具体涉及一种金字塔型点阵增强空腔型水下吸声结构。

背景技术

声波是目前唯一能够在水下远距离传输信息的通信方式，因此对于水下探测器、潜航器等设备的减震降噪一直以来都是一个重大的工程问题。Alberich型吸声覆盖层和局域共振型声子晶体作为两种典型的水下吸声结构，近年来得到了广泛的研究与应用。然而由于轻量化的设计要求，密度更轻、结构更为简单且低频吸声性能更优异的Alberich型吸声覆盖层具有更加广阔的研究价值与工程应用前景。

以上所述Alberich型吸声覆盖层，即为一种在具有阻尼作用的固体介质中内嵌周期性空腔的水下吸声结构。一般来说，该结构被铺设在水下设备的钢制外壳上用于吸收水下声波。在水下声波的激励下，Alberich型吸声覆盖层中空腔上侧的阻尼层会发生鼓状振动，空腔壁会发生径向移动；同时，由于阻尼介质与空腔内空气声阻抗的不匹配，会使得声波在空腔表面发生散射；此外，在声波入射到空腔表面时还会发生波形转换，以上即为Alberich型吸声覆盖层的吸声机理。目前对于Alberich型吸声覆盖层的研究大多体现在其吸声性能的优化和改善。研究人员们通过模型简化、多层空腔设计、多尺寸组合型空腔设计，并结合各种不同的优化算法对Alberich型吸声覆盖层的吸声性能进行了计算，使其吸声性能得到了很大的提升，能够实现低频、宽带的强吸声。但以上研究中都没有考虑静水压力对吸声覆盖层声学性能的影响。由于一些大型水下设备的工作环境处于深水区域，因此在静水压力的作用下，含有空腔的吸声覆盖层会发生很大的变形，这将会对结构的声学性能造成极大的影响，甚至会使结构发生失效。

尽管Alberich型吸声覆盖层具有密度小、结构简单、吸声性能优异的特点，但在实际工程应用中其还存在以下问题：

(1)不具有承载效果，需要铺设在钢板上，其与钢板的总质量较大，不利于轻量化的设计要求；

(2)在静水压力的作用下会发生大的变形，其声学性能会受到影响，甚至发生失效。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种金字塔型点阵增强空腔型水下吸声结构，解决传统空腔型吸声覆盖层在高静水压变形，并引发声学性能下降甚至失效的难题。

本发明采用以下技术方案：

一种金字塔型点阵增强空腔型水下吸声结构，包括元胞，元胞内部设置有金字塔点阵结构，金字塔点阵结构内设置有空腔，多个元胞阵列设置构成金字塔型点阵增强空腔型水下吸声结构。

具体的，元胞包括两个面板，两个面板之间设置有阻尼层，金字塔点阵结构设置在阻尼层内。

进一步的，金字塔点阵结构包括四个斜杆，四个斜杆呈金字塔型周期性排布，一端均与一个面板的中心连接，另一端分别与另一个面板的四端连接。

更进一步的，斜杆与两个面板的夹角为45°，斜杆的直径为1.5～2.5mm，长度为33～50mm。

进一步的，面板采用树脂基碳纤维复合材料或树脂基玻璃纤维复合材料制成；面板的厚度为1.5～2.5mm。

进一步的，阻尼层采用橡胶或聚氨酯制成，橡胶或聚氨酯的等效各向同性损耗因子大于等于0.3。

进一步的，空腔在水平方向位于每一个元胞的中央，在竖直方向位于阻尼层的最底部。

具体的，元胞的边长为40～60mm。

具体的，空腔的形状为圆柱体型、长方体型、喇叭型、圆台型或锥型中的一种或多种。

进一步的，空腔的高度为5～10mm，空腔上表面的半径为5～15mm，下表面的半径为20～30mm。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明以Alberich型吸声覆盖层为基础，提供了一种金字塔型点阵增强空腔型水下吸声结构。通过周期性设置的空腔和金字塔点阵结构，在保证声学性能的同时大幅度的提高了结构的力学性能，能够对水下声波进行转化、散射和吸收。

进一步的，面板能够增强吸声结构的抗弯性能，防止静水压力作用下结构发生向内的凹陷，阻尼层的作用是对水下声波进行转化、散射和吸收。

进一步的，斜杆构成金字塔点阵结构能够支撑上、下面板，防止静水压力作用下结构发生压缩变形，为了保证结构具有足够的压缩模量，同时使面板具有足够的刚度，以至于结构在静水压的作用下不会发生大的变形，同时使更多的声能传入阻尼层当中，将斜杆的夹角设置为45°，直径设置为1.5～2.5mm，长度设置为33～50mm。

进一步的，为了使面板具有足够的刚度，以至于其在静水压的作用下不会发生大的变形，实现结构的轻量化设计，同时提高结构的力学性能，面板采用具有高比刚度和高比强度的树脂基碳纤维复合材料或树脂基玻璃纤维复合材料制成；将面板的厚度设置为1.5～2.5mm。

进一步的，为了保证阻尼层对声波能量的损耗能力，阻尼层采用橡胶或聚氨酯制成，橡胶或聚氨酯的等效各向同性损耗因子需大于等于0.3。

进一步的，为了使阻尼层中的声波尽可能多的被空腔结构所转换、散射和吸收，提高结构的吸声性能，将空腔在水平方向置于每一个元胞的中央，在竖直方向至于阻尼层的最底部。

进一步的，为了使每一个元胞内能够完整的容纳下一个金字塔型点阵结构，将元胞边长设置为40～60mm。

进一步的，为了使阻尼层中的声波尽可能多的被空腔结构所转换、散射和吸收，提高结构的吸声性能，将空腔的形状设置为圆柱体型、长方体型、喇叭型、圆台型或锥型中的一种或多种。

进一步的，为了使阻尼层中的声波尽可能多的被空腔结构所转换、散射和吸收，提高结构的吸声性能，将空腔上表面的半径设置为5～15mm，下表面的半径设置为20～30mm。

综上所述，本发明水下吸声结构具有优异的吸声性能，良好的耐水压性能，同时实现了水下吸声结构的轻量化设计，是一种承载-吸声-轻量化的多功能一体化结构。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明吸声结构示意图，其中，(a)为元胞结构示意图，(b)为吸声结构分解图，(c)为元胞阵列示意图；

图2为本发明吸声结构实施例效果图，其中，(a)为三个实施例承受的压缩载荷与等效应变之间的关系图，(b)为三个实施例在0～4.5MPa静水压力作用下的最大位移图；

图3为本发明吸声结构三个实施例在0～10000Hz范围内的吸声系数。

其中：1.面板；2.阻尼层；3.斜杆；4.空腔。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种金字塔型点阵增强空腔型水下吸声结构，两个厚度相同的面板以及填充在面板之间的阻尼层，两个面板通过呈金字塔型周期性排布的斜杆相连，即金字塔型点阵结构将整体结构划分为了若干个正方体型元胞，并且每个元胞中的阻尼层内含有一个空腔。

请参阅图1，本发明一种金字塔型点阵增强空腔型水下吸声结构，包括元胞，元胞内部设置有金字塔点阵结构，金字塔点阵结构内设置有空腔4，多个元胞阵列设置构成金字塔型点阵增强空腔型水下吸声结构。

元胞包括两个面板1，阻尼层2，四个斜杆3和空腔4；阻尼层2设置在两个面板1之间，四个斜杆3设置在阻尼层2内，两端分别与上下两个面板1连接，四个斜杆3的一端均与一个面板1的中心连接，另一端分别与另一个面板1的四端连接构成金字塔点阵结构，空腔4设置在金字塔点阵结构内。

面板1采用树脂基碳纤维复合材料或树脂基玻璃纤维复合材料制成；面板1的厚度为1.5～2.5mm，长和宽取决于整体结构的尺寸。

阻尼层2由等效各向同性损耗因子为0.3及以上的橡胶或聚氨酯制成；阻尼层2的厚度为23～35mm，长和宽取决于整体结构的尺寸。

斜杆3采用树脂基碳纤维复合材料或树脂基玻璃纤维复合材料制成；斜杆3与两个面板1的夹角为45°，斜杆3的直径为1.5～2.5mm，长度为33～50mm，并且相邻两个斜杆连接节点的距离，即元胞的边长为40～60mm；

空腔4的高度为5～10mm，空腔4上表面的半径为5～15mm，下表面的半径为20～30mm；空腔4在水平方向上位于每一个元胞的中央，在垂直方向上位于阻尼层2的最底部；空腔4的形状为圆柱体型、长方体型、喇叭型、圆台型或锥型中的一种或多种。

优选的，请参阅图1(c)，将元胞按10×10阵列设置制成一种金字塔型点阵增强空腔型水下吸声结构。

本发明是由面板、斜杆、阻尼层和空腔四部分构成的水下吸声结构。其中面板和斜杆由高比刚度、高比强度的树脂基碳纤维复合材料或树脂基玻璃纤维复合材料制成，而阻尼层由等效各向同性损耗因子为0.3及以上的橡胶或聚氨酯制成。面板的主要作用是增强本发明的抗弯性能，防止静水压力作用下结构发生向内的凹陷，斜杆的主要作用是支撑上、下面板，防止静水压力作用下结构发生压缩变形，阻尼层和空腔的主要作用是对水下声波的转化、散射和吸收。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

本发明的力学性能和声学性能的预估采用有限元方法进行，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。

实施例用材料：

碳纤维：其特征是密度1450kg/m³，杨氏模量80GPa，泊松比0.1，等效各向同性损耗因子为0。

橡胶：其特征是密度1100kg/m³，杨氏模量10MPa，泊松比0.49，等效各向同性损耗因子为0.3。

水：其特征是密度1000kg/m³，声速1500m/s。

空气：其特征是密度1.29kg/m³，声速343m/s。

实施例结构尺寸：

实施例1

面板厚度1.5mm，阻尼层厚度23mm，元胞边长40mm，斜杆半径1.5mm，斜杆长度33mm，斜杆与上、下面板夹角45°，空腔上表面半径5mm，空腔下表面半径20mm，空腔高度5mm。

实施例2

面板厚度2mm，阻尼层厚度35mm，元胞边长60mm，斜杆半径2mm，斜杆长度50mm，斜杆与上、下面板夹角45°，空腔上表面半径15mm，空腔下表面半径30mm，空腔高度10mm。

实施例3

面板厚度2.5mm，阻尼层厚度27mm，元胞边长50mm，斜杆半径2.5mm，斜杆长度38mm，斜杆与上、下面板夹角45°，空腔上表面半径10mm，空腔下表面半径25mm，空腔高度7.5mm。

采用以上所述材料和结构尺寸进行数值模拟，给出了实施例的结果如下所述：

在本发明的力学性能方面，请参阅图2(a)，为一种金字塔型点阵增强空腔型水下吸声结构的三个实施例承受的压缩载荷与等效应变之间的关系。由图中可知，本发明所承受的压缩载荷与等效应变呈线性关系，二者之比即为等效压缩模量。根据图中曲线进行计算可知：

实施例1的等效压缩模量为711MPa；

实施例2的等效压缩模量为599MPa；

实施例3的等效压缩模量为1.11GPa。

由此可见，本发明的等效压缩模量会随着本发明中斜杆半径与元胞边长之比的增大而增大。这是由于在本发明的结构当中，碳纤维斜杆是最主要的承载部件，其截面积占元胞面积的比例越大，结构的抗压性能将越好。由此可见，本发明具有良好的抗压性能。

请参阅图2(b)，为一种金字塔型点阵增强空腔型水下吸声结构的三个实施例在0-4.5MPa静水压力作用下的最大位移，由此可见，在4.5MPa的静水压力下，即在水深450m左右的静水压力下，本发明的最大变形小于0.63mm，其中：

实施例1的最大位移为0.40mm，仅为实施例1总厚度的1.5％；

实施例2的最大位移为0.63mm，仅为实施例2总厚度的1.6％；

实施例3的最大位移为0.37mm，仅为实施例3总厚度的1.1％。

实施例最大位移主要还是取决于斜杆的半径。根据以上数据，可认为本发明的声学性能在450m的静水压力下不受影响。

在本发明的声学性能方面，请参阅图3，为一种金字塔型点阵增强空腔型水下吸声结构的三个实施例在0～10000Hz范围内的吸声系数。由图中可知：

实施例1在5200～7500Hz范围内的吸声系数大于0.8，并在6200Hz处达到吸声峰值，峰值大小为0.89；

实施例2在3100～4300Hz范围内的吸声系数大于0.8，并在3800Hz处达到吸声峰值，峰值大小为0.97；

实施例3在5400～6300Hz范围内的吸声系数大于0.8，并在5700Hz处达到吸声峰值，峰值大小为0.87。

从吸声峰值位置来看，实施例2的峰值位置对应的频率最低，在较低频段具有更好的吸声性能，且其峰值接近1，能够实现完美的声学吸收。

从吸声带宽来看，实施例1的吸声带宽为2300Hz，实施例2和实施例3的吸声带宽分别为1200Hz和900Hz，因此实施例1的吸声频带较宽，

综合来看，实施例2具有最高的吸声峰值，最低的完美声学吸收频率和较宽的吸声频带，因此实施例2的声学性能最优。

根据上述数据可以看出，本发明达到的技术效果：

1、本发明试件的仿真模型在2000～8000Hz的一定范围内，吸声系数可达到0.8以上，部分位置的吸声峰值可达到0.97以上，满足一定频段内完美吸声的要求；

2、在水深450m以内的静水压力下，结构的最大变形小于0.63mm，小于结构总厚度的1.5％，可认为结构的声学性能不受影响，满足在高静水压下维持吸声性能不发生下降的要求；

3、本发明中的面板与斜杆采用轻质树脂基碳纤维复合材料或树脂基玻璃纤维复合材料制造，采用橡胶制造的阻尼层内开有空腔，与目前广泛使用的铺设在钢板上的Alberich型吸声覆盖层相比减轻了整体结构的密度，并且结构总厚度小于4cm，满足轻量化设计的要求；

4、结构简单、易于加工；

5、通过改变斜杆、面板的几何尺寸以及空腔的几何尺寸，可以便捷的改变结构的力学性能和声学性能，使结构具有很强的性能可设计性，满足承载-吸声-轻量化的多功能化设计要求。

根据本发明一种金字塔型点阵增强空腔型水下吸声结构的上述特点，它可用于制造水下装备，如探测器、潜航器等的壳体、壁面，实现水下减震降噪的需求，具有很广泛的工程应用前景，为工程结构的水下减震降噪和轻质夹层结构的多功能化设计提供了全新的解决方案。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims

1.一种金字塔型点阵增强空腔型水下吸声结构，其特征在于，包括元胞，元胞内部设置有金字塔点阵结构，金字塔点阵结构内设置有空腔(4)，多个元胞阵列设置构成金字塔型点阵增强空腔型水下吸声结构，元胞的边长为40～60mm，元胞包括两个面板(1)，两个面板(1)之间设置有阻尼层(2)，金字塔点阵结构设置在阻尼层(2)内，金字塔点阵结构包括四个斜杆(3)，四个斜杆(3)呈金字塔型周期性排布，一端均与一个面板(1)的中心连接，另一端分别与另一个面板(1)的四端连接，阻尼层(2)采用橡胶或聚氨酯制成，橡胶或聚氨酯的等效各向同性损耗因子大于等于0.3，空腔(4)在水平方向位于每一个元胞的中央，在竖直方向位于阻尼层(2)的最底部。

2.根据权利要求1所述的金字塔型点阵增强空腔型水下吸声结构，其特征在于，斜杆(3)与两个面板(1)的夹角为45°，斜杆(3)的半径为1.5～2.5mm，长度为33～50mm。

3.根据权利要求1所述的金字塔型点阵增强空腔型水下吸声结构，其特征在于，面板(1)采用树脂基碳纤维复合材料或树脂基玻璃纤维复合材料制成；面板(1)的厚度为1.5～2.5mm。

4.根据权利要求1所述的金字塔型点阵增强空腔型水下吸声结构，其特征在于，空腔(4)的形状为圆柱体型、长方体型、喇叭型、圆台型或锥型中的一种或多种。

5.根据权利要求4所述的金字塔型点阵增强空腔型水下吸声结构，其特征在于，空腔(4)的高度为5～10mm，空腔(4)上表面的半径为5～15mm，下表面的半径为20～30mm。