CN110211559A - 一种金字塔型点阵散射体夹杂型水下吸声结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金字塔型点阵散射体夹杂型水下吸声结构，包括多个元胞，每个元胞内设置有金字塔点阵结构和散射体，多个元胞阵列设置构成金字塔型点阵散射体夹杂型水下吸声结构。本发明具有优异的力学性能以及良好的水下吸声性能。在设计方面具有更多的可调参数，包括结构参数以及材料参数，可根据实际工况需求进行相应调节，结构简单，易于制造。

Description

一种金字塔型点阵散射体夹杂型水下吸声结构
技术领域
本发明属于水下吸声结构技术领域，具体涉及一种金字塔型点阵散射体夹杂型水下吸声结构。
背景技术
为了满足在静水压环境下设备的正常运行，绝大部分设备外壳均为金属结构，如合金钢或高强度铝合金等。声波在遇到这类材料时会在界面上发生反射，设备就完全暴露在敌方声纳探测范围之内。传统设备通过覆盖吸声材料以减少能量的反射，而现有的水下吸声材料主要由粘弹性聚合物材料制成，如橡胶、聚氨酯等，并且通过在其中加入一些增强剂可以提高材料的吸声性能。但是这种钢板加吸声层的结构存在高水压环境下会失效以及存水流环境下容易脱落等技术性难题，严重制约了水下设备的安全运行。如果开发出新的既能够承载，又能够吸声的结构，就可以解决高水压以及脱落的难题。
通过在水下吸声材料中加入散射体对吸声性能进行提升是一种比较常见的方法，一般散射体可分为空腔型散射体和刚性散射体两种。刚性散射体由于具有较大的密度和模量，在低频时与橡胶组成的系统存在局域共振现象。局域共振现象可以在一定频率范围内实现很好的吸声性能。除此之外，声波在刚性散射体表面会发生散射，通过改变声波的传播方向，从而对声波能量达到更好的吸收。但这种结构同样存在静水压力对吸声性能影响较大以及容易脱落等缺点。
金字塔点阵结构是一种新型的轻质结构，既能满足苛刻的结构强度、刚度等力学性能要求，又具有隔热、隔振以及电子屏蔽等优异的非力学性能，受到航天航空飞行器、海军舰船等多个领域的广泛关注。碳纤维或玻璃纤维复合材料由于具有与水比较接近的声阻抗，声波在水与复合材料的界面上反射较弱，是一种非常良好的水下声学材料。碳纤维复合材料金字塔点阵结构具有比金属点阵更加优异的比刚度和比强度。通过在其内部的大量空间填充其他功能性材料能够实现结构与功能的一体化设计。
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散射体夹杂型水下吸声结构，解决传统水下吸声结构在深水压下失效以及吸声材料容易脱落的难题。
本发明采用以下技术方案：
一种金字塔型点阵散射体夹杂型水下吸声结构，包括多个元胞，每个元胞内设置有金字塔点阵结构和散射体，多个元胞阵列设置构成金字塔型点阵散射体夹杂型水下吸声结构。
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，四个斜杆的一端连接成一体并与下部的面板连接，另一端分别与上部的面板连接。
更进一步的，斜杆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，斜杆与面板的夹角为45°。
进一步的，面板的厚度为1.5～2.5mm，采用粘弹性材料橡胶或聚氨酯制成。
进一步的，阻尼层的厚度为30～42mm，采用橡胶或聚氨酯制成。
进一步的，阻尼层的杨氏模量为6～15MPa，损耗因子大于0.3。
进一步的，散射体位于金字塔点阵结构的底部，散射体与金字塔点阵结构底部连接的面板的距离为0.01～1mm。
进一步的，散射体的直径为5～10mm，多个散射体均匀排布在阻尼层中。
具体的，散射体采用铅、铁或铝制成，形状为球形、圆柱形、长方体形或不规则形。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种金字塔型点阵散射体夹杂型水下吸声结构，通过将金字塔点阵结构与吸声材料复合，使其代替传统的钢板加吸声材料的结构。在保证结构力学性能的前提下具有良好的水下吸声性能，解决了原有结构不耐静水压以及容易脱落的问题。
进一步的，阻尼层为橡胶或聚氨酯类粘弹性材料，在结构中起主要吸声作用，金字塔点阵作为主要承载元件提高阻尼层的力学性能。
进一步的，金字塔点阵结构由四根斜杆构成，均采用碳纤维增强树脂材料制作，利用碳纤维增强材料刚度高，强度大的特点；杆件与面板之间夹角均为45°，这样的点阵结构不仅具有高压缩刚度，也具有较好的面内剪切强度。
进一步的，面板采用碳纤维增强树脂材料制作，利用碳纤维增强材料刚度高，强度大的特点；面板的厚度为1.5～2.5mm，在满足刚度，强度要求的前提下尽量减轻重量。
进一步的，阻尼层采用橡胶或聚氨酯类粘弹性材料，阻尼层的厚度为23～42mm，保证在具有一定吸声效果的前提下尽量减轻重量。
进一步的，阻尼层杨氏模量在6～15MPa，损耗因子为0.3及以上，这时结构具有较好的吸声性能。
进一步的，散射体的材质为钢，距离面板距离0.01～1mm，保证散射体在不于上面板接触的前提下具有最好的散射效果。
进一步的，内嵌散射体的直径为10mm～20mm，在阻尼层中均匀排布，这样可以达到最大的散射效率。
进一步的，内嵌散射体的形状可以是其他材质，如铁，铅，铝等，形状也可以为其他形状，如圆柱体，长方体，以及其他不规则形状中的一种或几种的组合。不同散射体的效果略有不同，主要体现在吸收峰值的位置，通过改变散射体的形状和材质可以根据实际需要进行调整。
综上所述，本发明具有优异的力学性能以及良好的水下吸声性能。在设计方面具有更多的可调参数，包括结构参数以及材料参数，可根据实际工况需求进行相应调节，结构简单，易于制造。
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为本发明水下吸声结构结构示意图，其中，(a)为元胞结构示意图，(b)为点阵示意图，(c)为嵌散射体的俯视图；
图2为本发明三个实施例承受的压缩载荷与等效应变之间的关系图；
图3为本发明三个实施例数据示意图，其中，(a)为三个实施例在0～10000Hz内的吸声系数示意图，(b)为三个实施例在0～10000Hz内的声压反射系数示意图。
其中：1.面板；2.金字塔点阵结构；3.阻尼层；4.散射体。
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散射体夹杂型水下吸声结构，将粘弹性阻尼材料填充入上下两个面板的金字塔点阵结构之间，并在粘弹性阻尼材料中嵌入散射体4，以碳纤维复合材料金字塔点阵结构为基础，结合散射体夹杂水下吸声材料，通过将点阵结构与吸声材料复合，使其代替传统的钢板加吸声材料的结构。在保证结构力学性能的前提下具有良好的水下吸声性能，解决了原有结构不耐静水压以及容易脱落的问题。
请参阅图1，本发明一种金字塔型点阵散射体夹杂型水下吸声结构，包括：面板1、金字塔点阵结构2、阻尼层3和散射体4，面板1包括上下两个，且厚度相同，阻尼层3设置在上下两个面板1之间，金字塔点阵结构2设置在阻尼层3内，两端分别与上下两个面板1连接，散射体4嵌入设置在阻尼层3内，位于金字塔点阵结构2的底部构成元胞，多个元胞阵列设置构成金字塔型点阵散射体夹杂型水下吸声结构。
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1.5mm～2.5mm。
阻尼层3由粘弹性材料橡胶或聚氨酯制作而成，杨氏模量为6MPa～15MPa，损耗因子大于0.3，厚度为30mm～42mm，元胞大小的尺寸由阻尼层2的厚度决定。
金字塔点阵结构2由四根斜杆组成，斜杆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，两端分别与上下两个面板1连接，斜杆与面板1的夹角为45°，如图1(b)所示；长度由阻尼层2的厚度决定。
内嵌的散射体4采用金属铅，铁或铝等制成，直径在5mm～10mm，散射体4与一侧的面板1的距离为0.01～1mm，避免直接与面板1相接触。散射体4均匀地排布在阻尼层3中，避免与四根斜杆相交叉，俯视图如图1(c)所示。除此之外，散射体4的形状不限于球形，圆柱形散射体、长方体形散射体以及其他不规则散射体均可。
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。
本发明由点阵结构，粘弹性阻尼层以及内嵌散射体组成，其力学性能主要由点阵结构决定，包括点阵斜杆的直径、长度、以及面板的厚度等。吸声性能主要由阻尼层的厚度、杨氏模量、损耗因子，内嵌散射体的大小、位置、材料等因素决定。由于这些材料以及结构参数均为可调参数，所以可以通过调节实现相应的力学要求或声学要求。下面通过具体实施例进行对本发明技术方案进行示例性说明。
实施例用材料：
树脂基碳纤维材料：其特征是密度1450kg/m3，杨氏模量80GPa，泊松比0.1。
橡胶：其特征是密度1100kg/m3，杨氏模量6～15MPa，泊松比0.49，等效各向同性损耗因子为0.3。
金属铅：其特征是密度11343.7kg/m3，杨氏模量17GPa，泊松比0.42。
金属铁：其特征是密度7850kg/m3，杨氏模量205GPa，泊松比0.28。
金属铝：其特征是密度2700kg/m3，杨氏模量70GPa，泊松比0.33。
水：其特征是密度1000kg/m3，声速1500m/s。
实施例的结构尺寸以及材料选择：
实施例1
面板厚度1.5mm，阻尼层厚度30mm，阻尼层材料杨氏模量为6MPa，点阵斜杆半径1.5mm，内嵌散射体材料为铅，内嵌散射体直径为5mm，内嵌散射体距离上面板的距离为0.01mm。
实施例2
面板厚度2mm，阻尼层厚度42mm，阻尼层材料杨氏模量为10MPa，点阵斜杆半径2mm，内嵌散射体材料为铁，内嵌散射体直径为10mm，内嵌散射体最上面距离上面板的距离为0.1mm。
实施例3
面板厚度2.5mm，阻尼层厚度40.83mm，阻尼层材料杨氏模量为15MPa，点阵斜杆半径2.5mm，内嵌散射体材料为铝，内嵌散射体直径为7mm，内嵌散射体最上面距离上面板的距离为1mm。
请参阅图2，本发明所承受的压缩载荷与等效应变呈线性关系，即曲线的斜率对应结构的等效压缩模量。经过计算可以得到：
实施例1的等效压缩模量为461MPa；
实施例2的等效压缩模量为523MPa；
实施例3的等效压缩模量为797MPa。
从理论上分析，点阵结构中斜杆为最主要的承载部件，其截面积占元胞面积的比例越大，结构的抗压性能将越好。这与仿真计算结果相符，也证明本发明的刚度较高，有良好的抗压性能。
请参阅图3，在低频时局域共振现象可以在一定频率范围内实现很好的吸声性能。除此之外，声波在刚性散射体表面发生散射，通过改变声波的传播方向，增加了其传播距离，从而对声波能量达到更好的吸收。所以，本发明的吸声曲线具有多个峰值，低频时峰值的出现是由于局域共振产生，高频时峰值的产生主要时由于散射的原因。
请参阅图3(a)，实施例1在3900～10000Hz的吸声系数大于0.7，在6500Hz处达到吸声系数的最大值为0.89；
实施例2在2600～10000Hz的吸声系数大于0.7，并在4600Hz处达到最大值，吸声系数的最大值为0.91；
实施例3在5300～10000Hz的吸声系数大于0.7，并在10000Hz处由最大值0.77。
请参阅图3(b)，实施例1：800～3800Hz超过0.5；
实施例2：900～1300Hz之间超过0.5；
实施例3：1300～4100Hz之间超过0.5。
从仿真结果可以看出本发明可以在一定的频率范围内实现良好的吸声性能，并且通过不同的结构参数的设置可以实现对声学性能的调节。
本发明达到的技术效果：
1、具有优异的力学性能。本发明的结构刚度可以达到797MPa，满足水下结构的力学要求。
2、具有良好的水下吸声性能。本发明试件的仿真模型在3000～8000Hz的一定范围内，吸声系数可达到0.7以上，部分位置的吸声峰值可达到0.9以上。
3、具有更多的可调参数和变量。本发明所提出的吸声结构中的面板厚度，阻尼层厚度，材料属性，点阵斜杆的直径，内嵌散射体的直径，位置等均为可调参数，可以根据具体的使用场景，如对力学性能的要求或对声学性能的要求合理的进行选择调整。
4、结构简单，易于制造。
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 (10)

1.一种金字塔型点阵散射体夹杂型水下吸声结构，其特征在于，包括多个元胞，每个元胞内设置有金字塔点阵结构(2)和散射体(4)，多个元胞阵列设置构成金字塔型点阵散射体夹杂型水下吸声结构。
2.根据权利要求1所述的金字塔型点阵散射体夹杂型水下吸声结构，其特征在于，元胞包括两个面板(1)，两个面板(1)之间设置有阻尼层(3)，金字塔点阵结构(2)设置在阻尼层(3)内。
3.根据权利要求2所述的金字塔型点阵散射体夹杂型水下吸声结构，其特征在于，金字塔点阵结构(2)包括四个斜杆，四个斜杆的一端连接成一体并与下部的面板(1)连接，另一端分别与上部的面板(1)连接。
4.根据权利要求3所述的金字塔型点阵散射体夹杂型水下吸声结构，其特征在于，斜杆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，斜杆与面板(1)的夹角为45°。
5.根据权利要求2所述的金字塔型点阵散射体夹杂型水下吸声结构，其特征在于，面板(1)的厚度为1.5～2.5mm，采用粘弹性材料橡胶或聚氨酯制成。
6.根据权利要求2所述的金字塔型点阵散射体夹杂型水下吸声结构，其特征在于，阻尼层(3)的厚度为30～42mm，采用橡胶或聚氨酯制成。
7.根据权利要求2所述的金字塔型点阵散射体夹杂型水下吸声结构，其特征在于，阻尼层(3)的杨氏模量为6～15MPa，损耗因子大于0.3。
8.根据权利要求2所述的金字塔型点阵散射体夹杂型水下吸声结构，其特征在于，散射体(4)位于金字塔点阵结构(2)的底部，散射体(4)与金字塔点阵结构(2)底部连接的面板(1)的距离为0.01～1mm。
9.根据权利要求2所述的金字塔型点阵散射体夹杂型水下吸声结构，其特征在于，散射体(4)的直径为5～10mm，多个散射体(4)均匀排布在阻尼层(3)中。
10.根据权利要求1所述的金字塔型点阵散射体夹杂型水下吸声结构，其特征在于，散射体(4)采用铅、铁或铝制成，形状为球形、圆柱形、长方体形或不规则形。
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