CN110288969A - 一种直柱型点阵增强空腔型水下吸声结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直柱型点阵增强空腔型水下吸声结构，包括正方体型元胞，正方体型元胞内部设置有空腔，空腔在水平方向上位于每一个正方体型元胞的中央，多个正方体型元胞阵列设置构成直柱型点阵增强空腔型水下吸声结构。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。

Description

一种直柱型点阵增强空腔型水下吸声结构

技术领域

本发明属于耐压型轻质夹层复合结构水下吸声技术领域，具体涉及一种直柱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；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。

总的来看，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，提供一种直柱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：

一种直柱型点阵增强空腔型水下吸声结构，包括正方体型元胞，正方体型元胞内部设置有空腔，空腔在水平方向上位于每一个正方体型元胞的中央，多个正方体型元胞阵列设置构成直柱型点阵增强空腔型水下吸声结构。

具体的，正方体型元胞包括面板和杆件，面板包括两个，杆件呈正方形周期性排布用于连接两个面板，两个面板之间设置有阻尼层，空腔设置在阻尼层内。

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。

进一步的，面板的厚度为1～5mm。

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，阻尼层的厚度为30～50mm。

进一步的，杆件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。

进一步的，杆件与两个面板垂直相连，杆件的直径为1～5mm，相邻两个杆件的轴距为30～50mm。

进一步的，空腔的高度小于阻尼层的厚度，空腔的面积小于每一个正方体型元胞的截面积。

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

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种直柱型点阵增强空腔型水下吸声结构，在正方体型元胞内设置空腔能够对水下声波进行波形转化、散射和吸收，空腔在水平方向上位于每一个正方体型元胞的中央，多个正方体型元胞阵列设置构成直柱型点阵增强空腔型水下吸声结构，提高了结构的吸声性能和耐水压性能，实现了水下吸声结构的轻量化设计，改善了传统水下吸声结构不具有承载效果，且在静水压力的作用下会发生大的变形造成功能性失效的问题。

进一步的，正方体型元胞由面板、杆件、阻尼层和空腔四部分构成，多个正方体型元胞阵列构成了直柱型点阵增强结构，从而使结构的耐水压性能和吸声性能得到了大幅度的提升，同时实现了水下吸声结构的轻量化设计。

进一步的，面板由高比刚度、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，增强抗弯性能，防止静水压力作用下结构发生向内的凹陷。

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，将面板的厚度设置为1～5mm。

进一步的，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，对水下声波的转化、散射和吸收，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，为了使结构在能够实现良好的吸声性能的同时，减小结构的厚度，将阻尼层的厚度设置为30～50mm。

进一步的，杆件由高比刚度、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，用于支撑上、下面板，防止静水压力作用下结构发生压缩变形。

进一步的，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，因此将杆件与上下两个面板分别垂直连接，并设置杆件的直径为1～5mm，相邻两个杆件的轴距设置为30～50mm。

进一步的，为了使相邻两个正方体型元胞内的空腔相互独立，不发生连通，空腔高度需小于阻尼层的厚度，空腔的面积需小于每一个正方体型元胞的截面积。

进一步的，为了使阻尼层内声波的损耗最大化，更好的实现对声波的波形转化、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、球型、椭球型、喇叭型或锥型中的一种或多种。

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为本发明水下吸声结构示意图，其中，(a)为元胞的结构示意图，(b)为水下吸声结构的结构分解图，(c)元胞阵列后的水下吸声结构示意图；

图2为本发明水下吸声结构关系图，其中，(a)为等效压缩模量与杆件半径关系图，(b)为0～4.5MPa静水压力作用下的最大位移图；

图3为夹层板结构、直柱型点阵增强结构与一种直柱型点阵增强空腔型水下吸声结构的吸声系数对比图；

图4为不同面板厚度的结构的吸声系数对比图；

图5为不同阻尼层厚度的结构的吸声系数对比图；

图6为不同元胞边长的结构的吸声系数对比图；

图7为不同杆件半径的结构的吸声系数对比图；

图8为不同空腔半径的结构的吸声系数对比图；

图9为不同空腔高度的结构的吸声系数对比图；

图10为不同空腔距下面板距离的结构的吸声系数对比图。

其中：1.面板；2.阻尼层；3.杆件；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。

本发明提供了一种直柱型点阵增强空腔型水下吸声结构，解决了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，利用面板和杆件作为承载部件，含有空腔的阻尼层作为吸声部件，满足了：一定频段内完美吸声的要求；在高静水压下维持吸声性能不发生下降的要求；轻量化设计的要求；结构简单、易于加工的要求；承载-吸声-轻量化的多功能化设计要求。本发明一种直柱型点阵增强空腔型水下吸声结构，具有优异的抗静水压性能和良好的吸声性能，能够有效的保证在450m水深的静水压力下，在0～10000Hz中的特定的频段内实现完美的声学吸收，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。

请参阅图1，本发明一种直柱型点阵增强空腔型水下吸声结构，包括多个正方体型元胞，每个元胞包括两个厚度相同的面板1以及填充在两个面板1之间的阻尼层2，两个面板1上下设置，通过呈正方形周期性排布的垂直杆件3连接成正方体型，即碳纤维柱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4，多个正方体型元胞阵列设置构成直柱型点阵增强空腔型水下吸声结构。

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，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30～50mm，长和宽取决于整体结构的尺寸。

杆件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；杆件3与两个面板1垂直并相连，杆件3的直径为1～5mm，并且相邻两个杆件3的轴距，即元胞的边长为30～50mm。

空腔4的高度小于阻尼层2的厚度，空腔4的面积小于每一个元胞的截面积；空腔4在水平方向上位于每一个元胞的中央。

空腔4的形状为圆柱体型、长方体型、球型、椭球型、喇叭型或锥型中的一种或多种。

有选的，请参阅图1(c)，元胞按10×10阵列得到的吸声结构。

本发明以Alberich型吸声覆盖层为基础，过在含有周期性空腔的阻尼层的上、下两侧铺设两个面板，并通过呈正方形周期性排布的垂直杆件将两面板相连，在保证声学性能的同时大幅度的提高了结构的力学性能，并且能够直接用来制造水下装备，如探测器、潜航器等的壳体、壁面，满足了：

(1)一定频段内完美吸声的要求；

(2)在高静水压下维持吸声性能不发生下降的要求；

(3)轻量化设计的要求；

(4)结构简单、易于加工的要求；

(5)承载-吸声-轻量化的多功能化设计要求。

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

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。

实施例的结构尺寸：

元胞边长40mm，面板厚度5mm，阻尼层厚度40mm，杆件半径3mm，空腔高度10mm，空腔半径15mm，空腔距下面板距离15mm。

采用以上材料和结构尺寸进行数值模拟，给出了实施例的结果如下：

在本发明的力学性能方面，请参阅图2(a)，为一种直柱型点阵增强空腔型水下吸声结构的等效压缩模量与杆件半径之间的关系。由图中可知，本发明的等效压缩模量与杆件半径之间为近似平方正比关系。根据图中曲线，本实施例中杆件的半径为3mm，对应的等效压缩模量为1.83GPa，与阻尼层橡胶的杨氏模量10MPa相比，本发明的力学性能得到了大幅度的提高。

请参阅图2(b)，为一种直柱型点阵增强空腔型水下吸声结构在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0.3mm，仅为结构总厚度的0.6％，可认为本发明的声学性能不受影响。

在声学性能方面，请参阅图3，为夹层板结构、直柱型点阵增强结构与一种直柱型点阵增强空腔型水下吸声结构的吸声系数对比。

本发明的吸声性能优于其他两种结构。对于夹层板和直柱型点阵增强结构来说，两者的吸声系数曲线很相近，曲线上的大多数数据点都低于0.6。而本发明在2100～10000Hz的频率范围内的平均吸声系数可达0.6以上，且吸声系数的曲线在6200Hz左右的一定范围内，吸声系数可达到0.8以上，吸声峰值为0.97，实现了在一定频段内的完美声学吸收。

此外，采用以上所述方法和材料，为了进一步说明结构尺寸对本发明声学性能的影响规律，对于本发明提供了以下对比例：

对比例1

请参阅图4，为不同面板厚度的结构的吸声系数对比。分别取面板厚度为1mm、3mm和5mm进行数值模拟。由图中可以看出，面板厚度对本发明的整体吸声性能影响非常微弱，但是在较低频带中，面板越薄，吸声性能越好。造成这种情况的原因是随着面板厚度的减小，弯曲刚度也会降低，因此较薄的面板将使面板的鼓状振动增强，使得更多的声波将穿透到橡胶夹层中，而不是通过杆件从另一侧透射或是被结构所反射。但如果面板太薄，本发明在静水压力下的变形会过大，这将严重影响结构的力学性能和声学性能。因此，在对面板厚度进行设计时应主要考虑其耐水压性能。

对比例2

请参阅图5，为不同阻尼层厚度的结构的吸声系数对比。在计算过程中，分别取阻尼层的厚度为30mm、40mm和50mm，但此过程中空腔将保持在阻尼层的中心，且其高度不变。可以看出，随着阻尼层厚度的增加，第一吸收峰会向低频移动，其峰值也会略微提升，但吸声带宽会变窄。这是由于低频声波具有更好的穿透性。如果需要较低的完美吸声频率，则可以适当地增加阻尼层的厚度，但这也会使吸声带宽变窄。

对比例3

请参阅图6，为不同元胞边长的结构的吸声系数对比。在计算过程中，分别设置元胞边长为30mm、40mm和50mm。为了消除其他结构尺寸的影响，在改变元胞边长的同时，杆件半径和空腔半径也以相同的比例变化。随着元胞边长的增加，本发明的吸声系数略微增加。造成上述影响的原因在于，对于每个元胞来说，杆件轴心距的增加将导致本发明的弯曲刚度减小，从而使结构对声波的反射减小。但总的来看，元胞边长对本发明的吸声性能的影响相当微弱，因此，在选择元胞边长时，应主要考虑面板的弯曲刚度要求。

对比例4

请参阅图7，为不同杆件半径的结构的吸声系数对比。图7展示了当杆件半径分别为1mm、3mm和5mm时本发明的吸声系数。可以看出，三条曲线的趋势和峰值位置相似，并且当杆件半径为1mm时，吸声效果最佳。除此之外，随着杆件半径的增加，本发明的吸声性能降低。这是由于杆件的存在会使得结构的透声性能增强，并且随着杆件半径增大，本发明的刚度也会随之增加，不利于声波的入射。从这个角度来看，杆件半径的增加对结构的吸声性能具有负面影响，但总体来看影响相对较小。考虑到杆件半径对本发明力学性能的影响，应选择合适的杆件半径以优先满足本发明的承载要求。

对比例5

请参阅图8，为不同空腔半径的结构的吸声系数对比。分别选取空腔半径为5mm、10mm和15mm进行计算，可以看出，随着空腔半径的增大，本发明的吸声系数曲线的峰值会增大，而峰值位置也会向高频移动。

对比例6

请参阅图9，为不同空腔高度的结构的吸声系数对比。在对比过程中，空腔高度被分别选为5mm、10mm和15mm，且空腔始终保持在本发明的中心位置。可以看出，随着空腔高度的增加，本发明的吸声峰的位置将向较低的频段靠近，且吸声带宽也会变窄。

对比例7

参照图10所示，为不同空腔距下面板距离的结构的吸声系数对比。选择空腔距下面板的距离为5mm、10mm和15mm的情况进行计算，可以发现较低的空腔位置将使本发明在更低的频段实现完美的声学吸收，但同时这会使吸声带宽变窄。

根据上述数据可以看出，本发明达到的技术效果如下：

1、本发明试件的仿真模型在6200Hz左右的一定范围内，吸声系数可达到0.8以上，吸声峰值为0.97，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，结构的最大变形仅为0.3mm，仅为结构总厚度的0.6％，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、本发明中的面板与杆件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，并且结构总厚度仅为5cm，满足轻量化设计的要求；

4、结构简单、易于加工；

5、通过改变杆件、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。

根据本发明一种直柱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 (10)

1.一种直柱型点阵增强空腔型水下吸声结构，其特征在于，包括正方体型元胞，正方体型元胞内部设置有空腔(4)，空腔(4)在水平方向上位于每一个正方体型元胞的中央，多个正方体型元胞阵列设置构成直柱型点阵增强空腔型水下吸声结构。

2.根据权利要求1所述的直柱型点阵增强空腔型水下吸声结构，其特征在于，正方体型元胞包括面板(1)和杆件(3)，面板(1)包括两个，杆件(3)呈正方形周期性排布用于连接两个面板(1)，两个面板(1)之间设置有阻尼层(2)，空腔(4)设置在阻尼层(2)内。

3.根据权利要求2所述的直柱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。

4.根据权利要求2所述的直柱型点阵增强空腔型水下吸声结构，其特征在于，面板(1)的厚度为1～5mm。

5.根据权利要求2所述的直柱型点阵增强空腔型水下吸声结构，其特征在于，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。

6.根据权利要求2所述的直柱型点阵增强空腔型水下吸声结构，其特征在于，阻尼层(2)的厚度为30～50mm。

7.根据权利要求2所述的直柱型点阵增强空腔型水下吸声结构，其特征在于，杆件(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。

8.根据权利要求2所述的直柱型点阵增强空腔型水下吸声结构，其特征在于，杆件(3)与两个面板(1)垂直相连，杆件(3)的直径为1～5mm，相邻两个杆件(3)的轴距为30～50mm。

9.根据权利要求2所述的直柱型点阵增强空腔型水下吸声结构，其特征在于，空腔(4)的高度小于阻尼层(2)的厚度，空腔(4)的面积小于每一个正方体型元胞的截面积。

10.根据权利要求1所述的直柱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、球型、椭球型、喇叭型或锥型中的一种或多种。