CN110853609A - 一种基于多层散射体与空腔耦合共振的水下声学覆盖层 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于多层散射体与空腔耦合共振的水下声学覆盖层。包括覆盖层，所述覆盖层包括外覆盖层(1)和内覆盖层(3)，还包括谐振效应板(2)，所述谐振效应板(2)夹在外覆盖层(1)与内覆盖层(3)之间、通过谐振效应板(2)实现耦合。本发明的谐振效应板位于内、外覆盖层之间，这种耦合方式有助于改善声学覆盖层的低频吸声特性。所述声学覆盖层通过散射体分层设计、空腔与散射体的耦合以及谐振效应板等方式拓宽了声学覆盖层的吸声频段、增强了声波在声学覆盖层内的能量耗散。

Description

一种基于多层散射体与空腔耦合共振的水下声学覆盖层

技术领域

本发明涉及的是一种声学覆盖层结构。

背景技术

近些年，声学覆盖层的声学特性研究已经成为了一个热门的研究领域，随着声呐探测技术的发展和进步，声学覆盖层向着低频，宽频吸声的研究方向发展，以满足水下航行器的声学技术需求。

随着声学超材料这一概念的提出，由于其特有的物理特性，声学超材料在减振降噪领域得到了广泛的应用，但是其在水下吸隔声方向的应用研究比较少见。从已公开的文献可以看出，传统的声学超材料在低频范围的确具有较好的吸声性能，但是其吸声频率范围较窄，仅在共振频率附近，这难以达到水下航行器的声学技术要求。

综上所述，传统的声学材料由于其吸声频带较窄限制了其在水下吸声方面的应用，为此，设计一种基于多层散射体与空腔耦合共振的水下声学覆盖层来改善传统声学超材料的这一不足是非常有必要的，然而，查阅国内外文献，并未发现相关方面的研究工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水下宽频吸声效果好的基于多层散射体与空腔耦合共振的水下声学覆盖层。

本发明的目的是这样实现的：

包括覆盖层，所述覆盖层包括外覆盖层1和内覆盖层3，还包括谐振效应板2，所述谐振效应板2夹在外覆盖层1与内覆盖层3之间、通过谐振效应板2实现耦合。

本发明还可以包括：

1.所述外覆盖层1内有周期性排列的散射体101，所述散射体101为分层结构，每层散射体外均有包覆层102。

2.所述内覆盖层3内有周期性排列的空腔，空腔与散射体位置一一对应、形状不同。

3.空腔的形状为球状、圆柱、圆台或六面体。

4.散射体的形状为球状、圆柱、圆台或六面体。

5.散射体的形状为球形、空腔的形状为圆柱形，或者散射体的形状为圆柱形、空腔的形状为球形，或者是散射体的形状为圆锥形、空腔的形状为圆柱形。

6.外覆盖层1和内覆盖层3的材料为聚氨酯吸声橡胶，谐振效应板2的材料为金属板或功能梯度板。

7.散射体的材料为金属，包覆层材料为软橡胶。

本发明根据声学超材料的物理特性，基于多层散射体与空腔耦合共振的机理，对传统声学超材料进行声学结构优化，提供了一种水下宽频吸声的声学覆盖层。本发明是一种应用在水下航行器表面的声学覆盖层结构，将水下航行器的表面敷设声学覆盖层结构可以吸收主动声呐发出的探测声波。

本发明的基于多层散射体与空腔耦合共振的水下声学覆盖层结构，主要包括外覆盖层1、谐振效应板2以及内覆盖层3；外覆盖层1具有周期性排列的多层散射体101，散射体101分层设计，每层散射体外均有包覆层102；内覆盖层3具有周期性空腔结构外覆盖层1中散射体与内覆盖层3中空腔一一对应，但形状不相同，二者形状存在最佳的对应关系；外覆盖层1与内覆盖层3分别敷设在谐振效应板2的两侧，通过谐振效应板2实现耦合。

本发明具有以下有益技术效果：

1)在外覆盖层1中，通过将散射体101分层设计并且各散射体之间通过包覆层102连接，多层散射体101之间能够产生耦合共振，可以有效地拓宽覆盖层的吸声频率范围。

2)内覆盖层3具有周期性空腔结构，可以有效地降低声波的透射以及增强声波的反射，可以使得声波反射到外覆盖层1中进行二次能量耗散，从而提高覆盖层结构整体的吸声性能。

3)从局域共振吸声机制上看，实现宽频强吸声的要点是在宽频范围内产生更多的不同频率点上的共振模式。多散射体与空腔耦合共振作用能够在一定频率范围内增大结构共振模态密度，可以在一定频率范围内产生更多新的共振模式，从而可以拓宽结构的吸声频带。另外，在内覆盖层中嵌入空腔结构，可以有效地降低声波的透射，可以使得声波反射到外覆盖层中进行二次能量耗散，从而提高整体覆盖层结构的吸声性能。此外，多散射体与空腔的相互耦合作用，可以增强结构内部的耦合共振效应，从而提高本发明的吸声性能。

4)内覆盖层3中的空腔谐振频率与外覆盖层1中多散射体的局域共振频率相近时，通过铺设在谐振效应板两侧的耦合方式，在外界声波的激励作用下，三者能够产生耦合共振效应，对声波产生强吸收作用。此外，由于谐振效应板的共振效应，使得三者能够在低频范围能够产生耦合共振，能够对低频声波产生强吸收作用，以此种方式耦合会使得覆盖层在低频范围的吸声特性得到改善。

5)外覆盖层1中散射体101形状与内覆盖层3中空腔形状不相同。当二者形状不同时，结构的对称性被打破，在不同的方向会产生不同的共振特性，能够增强二者之间的耦合共振，这样可以增强声波的能量耗散，从而提高整体覆盖层结构的吸声性能。

6)内、外覆盖层通过谐振效应板2连接，二者分别敷设在谐振效应板2的两侧，谐振效应板2的动力学特性对覆盖层的声学性能的影响显著，可以有效地改善声学覆盖层在低频范围的吸声性能。

附图说明

图1为本发明的基于多层散射体与空腔耦合共振的水下声学覆盖层的结构示意图。

图2为多层散射体结构示意图。

图3为本发明的吸声系数与传统声学超材料的吸声系数对比图

图4为本发明在吸声曲线第一吸声峰频率所对应的振动位移矢量分布图

图5为外覆盖层和内覆盖层分别铺设在谐振效应板的同侧和两侧时整体吸声系数对比图

图6为外覆盖层和内覆盖层分别铺设在谐振效应板的同侧时结构吸声曲线第一吸声峰频率所对应的振动位移矢量分布图。

图7为材料的物理参数表。

图8为本发明结构的几何参数表。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

结合图1，本发明的基于多层散射体与空腔耦合共振的水下声学覆盖层包括外覆盖层1、谐振效应板2以及内覆盖层3，谐振效应板2夹在外覆盖层1与内覆盖层3之间、通过谐振效应板2实现耦合。声波沿箭头方向入射，内覆盖层3粘贴在水下航行器外表面。

结合图1和图2，外覆盖层1以聚氨酯吸声橡胶作为吸声基体103，多层散射体101在吸声基体103中呈周期性排列，多层散射体101为金属材质，在相邻两层散射体间采用包覆层102填充，散射体101可采用球状、圆柱、圆台或六面体等形状。

内覆盖层3同样也采用聚氨酯吸声橡胶，内部具有周期性空腔结构，空腔结构与散射体101位置一一对应。空腔结构形状也可采用球状、圆柱、圆台或六面体等，但在同一声学覆盖层中，空腔结构与散射体形状应不同，结构上的不对称更有利于增强耦合共振，经研究发现二者形状存在最佳的对应关系，比如球型散射体与圆柱型空腔、圆柱型散射体与球型空腔、圆锥型散射体与圆柱型空腔。

谐振效应板2位于外覆盖层1与内覆盖层3中间；谐振效应板2可以采用金属板或功能梯度板，经研究表明，谐振效应板2密度越大，第一吸声峰频率越低。

下面通过仿真计算对本发明的声学特性做更详细的分析：

利用有限元法对本发明的水下吸声性能进行仿真分析。选取覆盖层的基体材料为聚氨酯，包覆层的材料为软橡胶，散射体以及谐振效应板的材料为钢，各结构的材料参数如图7的表1所示。外覆盖层中球型散射体以及包覆层从里向外的半径为r_i(i＝1,2,3,4,5,6),外覆盖层厚度为h₁；内覆盖层中圆柱型空腔的半径和高度分别为r_c和h_c，内覆盖层厚度h₂；谐振效应板的厚度为h_s，具体各结构参数如图8的表2所示。图3中对比了传统的声学材料与本发明的水下吸声性能，在保证散射体相同填充率的条件下，本发明的水下吸声性能明显优于传统的声学超材料，不仅拓宽了有效的吸声频率范围，而且增大了吸声峰值。

当外覆盖层和内覆盖层以两种不同方式耦合时覆盖层的吸声性能如图5所示，从二者的吸声系数的对比可以发现，当外覆盖层和内覆盖层铺设在谐振效应板两侧时，这种耦合方式使得覆盖层在低频的吸声效果更好。图4为本发明在吸声峰频率下的振动位移矢量分布，从能量分布可以看出，在第一个吸声峰频率处，外覆盖层，谐振效应板以及内覆盖层之间产生了耦合共振，增强了声波的能量耗散，使得本发明整体的吸声性能得到了进一步的改善。当外覆盖层和内覆盖层分布在谐振效应板的同侧时，覆盖层在第一吸声峰频率下的振动位移矢量分布如图6所示。通过对比图4和图6中二者的振动位移矢量分布图可以发现，当外覆盖层和内覆盖层分布在谐振效应板的两侧时，谐振效应板结构所集中的振动能量要远大于二者分布在谐振效应板同侧时板所集中的振动能量。换言之，当外覆盖层和内覆盖层分布在谐振效应板的两侧时，谐振效应板结构的动力学特性对覆盖层整体的声学性能影响较大，而当二者分布在谐振效应板的同侧时，谐振效应板结构的动力学特性对覆盖层整体的声学性能影响较小。这也说明了当二者分布在板的两侧时，以此种方式耦合会使得覆盖层在低频范围的吸声特性得到改善，因此本发明中的外覆盖层与内覆盖层采用此种耦合方式。

通过仿真计算可以说明，在保证相同填充率的条件下，相比于传统的声学超材料，本发明中多层散射体与空腔的耦合共振不仅增强了声学覆盖层的吸声性能，并且有效地拓宽了覆盖层的吸声频率范围。此外，提出了将外覆盖层和内覆盖层铺设在谐振效应板两侧的耦合方式，通过仿真计算说明了此种耦合方式能够增强内覆盖层、谐振效应板以及外覆盖层三者之间的耦合共振并且能够有效地改善覆盖层在低频范围的吸声性能。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (9)

1.一种基于多层散射体与空腔耦合共振的水下声学覆盖层，包括覆盖层，其特征是：所述覆盖层包括外覆盖层(1)和内覆盖层(3)，还包括谐振效应板(2)，所述谐振效应板(2)夹在外覆盖层(1)与内覆盖层(3)之间、通过谐振效应板(2)实现耦合。

2.根据权利要求1所述的基于多层散射体与空腔耦合共振的水下声学覆盖层，其特征是：所述外覆盖层(1)内有周期性排列的散射体(101)，所述散射体(101)为分层结构，每层散射体外均有包覆层(102)。

3.根据权利要求2所述的基于多层散射体与空腔耦合共振的水下声学覆盖层，其特征是：所述内覆盖层(3)内有周期性排列的空腔，空腔与散射体位置一一对应、形状不同。

4.根据权利要求3所述的基于多层散射体与空腔耦合共振的水下声学覆盖层，其特征是：空腔的形状为球状、圆柱、圆台或六面体。

5.根据权利要求4所述的基于多层散射体与空腔耦合共振的水下声学覆盖层，其特征是：散射体的形状为球状、圆柱、圆台或六面体。

6.根据权利要求5所述的基于多层散射体与空腔耦合共振的水下声学覆盖层，其特征是：散射体的形状为球形、空腔的形状为圆柱形，或者散射体的形状为圆柱形、空腔的形状为球形，或者是散射体的形状为圆锥形、空腔的形状为圆柱形。

7.根据权利要求1-6任何一项所述的基于多层散射体与空腔耦合共振的水下声学覆盖层，其特征是：外覆盖层(1)和内覆盖层(3)的材料为聚氨酯吸声橡胶，谐振效应板(2)的材料为金属板或功能梯度板。

8.根据权利要求2-6任何一项所述的基于多层散射体与空腔耦合共振的水下声学覆盖层，其特征是：散射体的材料为金属，包覆层材料为软橡胶。

9.根据权利要求7所述的基于多层散射体与空腔耦合共振的水下声学覆盖层，其特征是：散射体的材料为金属，包覆层材料为软橡胶。

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