CN110853610A - 一种水下隔声结构单元 - Google Patents
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Abstract
一种水下隔声结构单元，它涉及减振降噪领域，具体涉及一种水下隔声结构。本发明的目的是提供一种水下隔声频带宽、效果好、参数设计性强的水隔声结构。水下隔声结构单元包括上盖板、下盖板以及弹性元件。理论计算表明，上、下盖板为边长0.2米的正方形、水下隔声结构单元总弹性系数为2.7×107N/m时，频率大于1kHz的隔声量均显著大于15dB，而将其置于水下100m在静水压作用下弹簧仅会产生1.48mm的压缩量。本发明具有结构简单，隔声效果易于控制的优点。
Description
技术领域
本发明涉及减振降噪领域，具体涉及一种水下隔声结构。
背景技术
空气中的隔声问题已经相对比较成熟，包括单层墙、多层墙等。由于空气自身声阻抗较低，采用一般材料比较容易实现声阻抗失配，从而容易达到隔声的目的。但是在水下，由于水的声阻抗较大，与钢铁等一般材料的声阻抗差异较小，因此，在水下噪声工程中，钢板的隔声性能比较差，常用的隔声结构为穿孔橡胶板或者多层复合板，它们虽然有比较好的隔声性能，但是在海水静压作用下，隔声性能随水深增加而迅速变差。
目前常用的声学覆盖层结构通常是含有各种空腔结构或者填充了局部共振单元的粘弹性复合结构。含空腔的结构是基于空腔形变耗能和空腔形成的阻抗失配实现吸隔声。赵洪刚等人利用多重散射理论研究了球形空腔覆盖层的声学性能。白国锋在其基础上，发展了一种半数值半解析的多重散射理论模型，分析了影响轴对称空腔结构声学性能的主要能量耗散机制。王曼开展了含空腔结构的水声吸声覆盖层理论与实验研究，引入Block-Floquet周期边界条件，采用有限元法研究了具有双周期结构的吸声特性。但是空腔结构在海水静压作用下，隔声性能随着水深增加而迅速变差。
基于双层板的隔声结构比较多，但多为板间含空气腔的相关结构，比如：内部含有空气腔的双层加筋板、蜂窝夹层双板、双层穿孔板、利用管格栅的双层板等，隔声结构内部的空腔都是通过结构自身支撑的，弹性系数受结构形式自身的影响而难以控制，隔声量往往限制在一定频带内。唐广鑫等人提出通过采用双层板中间加筋提高局部板共振频率的办法减少在同一频带内的共振峰以达到降噪效果。板上添加筋条后，板的总重量不会明显增加，但其刚性可以显著提高，同时薄板被筋条划分成若干小块，所以带筋板的运动可以看成是若干相互耦合在一起的小板的运动。随后进行了仿真模拟，结果表明加筋板明显减少了相同频带内的隔声低谷。
发明内容
本发明的目的是提供一种水下隔声频带宽、效果好、参数设计性强的水隔声结构。
水下隔声结构单元包括上盖板、下盖板以及弹性元件；上盖板和下盖板形状相同，平行设置，用弹性元件固定连接；弹性元件两端分别位于上、下盖板的中央；上盖板边缘和下盖板边缘用柔性防水材料连接，在上、下盖板之间形成一个密封空气层；其中上盖板和下盖板为金属板。
本发明水下隔声结构单元为由上盖板以及下盖板形成的双层柱体，柱体截面为方形。
本发明水下隔声结构单元采用弹性元件(弹簧)支撑的双层板结构，对于宽频带的噪声源的低频和中高频的噪声均具有较好的隔声效果。本发明水下隔声结构单元中的上、下盖板在满足刚度要求下可调整选用不同密度的金属板，从而方便的调节水下隔声结构单元的总质量。水下隔声结构单元采用弹性元件支撑的双层板结构，相比于普通橡胶层而言，弹簧弹性系数可选择范围大，能根据需求选取弹簧弹性系数，达到指定的隔声效果。水下隔声结构单元构造简单、可设计性强，存在简单的理论解析解，便于根据隔声量公式方便的对隔声结构进行参数选择，以满足实际需求。
本发明水下隔声结构单元内部的空腔采用弹性元件进行支撑，适合水下外部高静压力情况下使用，通过调节弹性元件的总弹性系数对水下隔声结构单元的隔声效果进行控制。
本发明水下隔声结构单元仅适用于弹性元件正常弹性工作范围内使用，可根据水下使用深度选择弹性元件的弹性系数范围。
本发明在上、下盖板之间形成一个密封空气层，使水下隔声结构单元内部不进水，保持与外部水介质形成较大的阻抗失配。
附图说明
图1是本发明水下隔声结构单元结构示意图。
图2为本发明由多个水下隔声结构单元组成的平板状结构示意图。
图3为本发明水下隔声结构单元在平面波入射作用下的隔声示意图。
图4为本发明的有限元仿真示意图。
图5为本发明的位移响应有限元解与解析解的对比曲线图。
图6为本发明的隔声量有限元解与解析解的对比曲线图。
图7为本发明与传统普通橡胶层的隔声量对比曲线图。
图8为固定盖板的密度不同盖板的厚度对于隔声量的影响对比曲线图。
图9为固定盖板的厚度0.001m，不同盖板的密对于隔声量的影响对比曲线图。
图10为固定盖板的厚度0.01m，不同盖板的密度对于隔声量的影响对比曲线图。
图11为不同水下隔声结构单元的弹簧弹性系数对于隔声量的影响对比曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1描述本实施方式，水下隔声结构单元包括上盖板1、下盖板2以及弹性元件3；上盖板1和下盖板2形状相同，平行设置，用弹性元件固定连接；弹性元件两端分别位于上、下盖板的中央；上盖板边缘和下盖板边缘用柔性防水材料4连接，在上、下盖板之间形成一个密封空气层；其中上盖板和下盖板为金属板。
本实施方式上盖板和下盖板须满足一定刚度条件，水下压力环境不塌陷。在水下上、下盖板表面不同位置具有近乎相同的振动状态，即盖板运动近乎整体平动。根据不同的隔声需求可选取不同弹性系数的弹簧。理论计算表明，上、下盖板为边长0.2米的正方形、水下隔声结构单元总弹性系数(水下隔声结构单元中弹性元件的弹性系数之和)为2.7×107N/m时，频率大于1kHz的隔声量均显著大于15dB，而将其置于水下100m在静水压作用下弹簧仅会产生1.48mm的压缩量。相比传统的橡胶隔声层，本实施方式可实现大水深优异的隔声性能。
本实施方式弹性元件采用铆接、焊接或胶结方式固定连接上盖板和下盖板。
本实施方式水下隔声结构单元内部的空腔通过多个(4个)弹簧支撑，与单个弹簧支撑相比，本实施方式上盖板1、下盖板2支撑更为稳定不摇晃。弹性系数可通过弹簧进行调整。本发明水下隔声结构单元隔声频带较宽，水下隔声结构单元总弹性系数相同的情况下，单个弹簧与多个弹簧对于隔声效果并无差异。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于：上盖板和下盖板为四边形。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点在于：上盖板和下盖板为矩形。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一的不同点在于：上盖板和下盖板的厚度为0.001～0.01m。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一的不同点在于：上盖板和下盖板为钢板，密度为200kg/m3～10000kg/m3，杨氏模量为1×1010N/m2～1×1012N/m2，泊松比为0.28～3。其它与具体实施方式一至四之一相同。
改变上盖板和下盖板的密度可以调节整个隔声结构的平均密度，密度易于调节是本发明的优势之一。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一的不同点在于：上盖板和下盖板的宽度为0.15～0.5m，上盖板和下盖板的长度为0.15～0.5m。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一的不同点在于：弹性元件的个数为1个或多个。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一的不同点在于：每平方米水下隔声结构单元中弹性元件的总弹性系数为5×107N/m～5×1010N/m。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一的不同点在于：水下隔声结构单元的平均密度与水或海水的密度一致或接近。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一的不同点在于：多个水下隔声结构单元采用并列方式组合(如图2所示)。其它与具体实施方式一至九之一相同。
本实施方式水下隔声结构分块设计，每一小块为独立的隔声结构单元(水下隔声结构单元)，多个隔声结构单元拼接可以形成不同尺寸形成的隔声结构，满足不同尺寸的隔声结构设计需求。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一的不同点在于：上盖板和下盖板之间的距离为2～6cm。其它与具体实施方式一至十之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一的不同点在于：柔性防水材料为内衬有高强度纤维布的防水软橡胶。其它与具体实施方式一至十一之一相同。
本实施方式内衬有高强度纤维布的防水软橡胶具有高强度，可避免水下巨大的压力差将密封层撕裂破坏。本发明隔声的机理是基于弹性元件的弹性支撑实现的，采用具有柔性的内衬有高强度纤维布的防水软橡胶能尽可能减小密封层对上下盖板的支持作用。
实施例1有限元仿真验证
本实施例仿真计算了本发明水下隔声结构单元的隔声量并与理论解进行对比(实验示意图如图4所示)。上下盖板材料为合金钢AISI 4340Steel、密度为7850kg/m3、杨氏模量为2.05×1011Pa、泊松比为0.28，上下盖板尺寸均为0.2m×0.2m×0.001m。介质为水，水中声速为1500m/s、密度为1000kg/m3。本实施例水下隔声结构单元中弹簧弹性系数为2.7×108N/m。
结合图3说明平面声波入射作用下本发明水下隔声结构单元的隔声量解析解计算方法。以A盖板下表面(A盖板外侧表面)为坐标原点建立坐标系，x＝da为A盖板内侧表面所在位置，x＝db为B盖板外侧表面所在位置。设入射声波为平面波(略去时间因子ejωt)则入射声波可以写为
pi＝piae-jkx (1)
其中，pi为入射平面波声压，pia为入射平面波声压幅值，k为平面波波数，k＝ω/c，ω为频率，c为声波在水中传播的波速，j为虚数单位。同时，反射声波pr和透射声波pt分别为
pr＝praejkx,pt＝ptae-jkx (2)
其中pra、pta分别为反射波、透射波声压幅值。
对于下盖板A，进行力学分析，其运动控制方程可写为
Spi(0)+Spr(0)-K(ξa-ξb)＝-ω2Maξa (3)
其中，S为下盖板A表面积(即A板外侧与水接触部分的面积)，ξa为A盖板的位移，ξb为B盖板的位移，Ma为A盖板质量，pi(0)为在x＝0位置处的入射波声压，pr(0)为在x＝0位置处的反射波声压。K为弹簧弹性系数。
对于上盖板B，进行力学分析，其运动控制方程可写为
K(ξa-ξb)-Spt(db)＝-ω2Mbξb (4)
其中，Mb为B盖板质量，pt(db)为在x＝db位置处的透射波声压。
根据欧拉公式，可以得到A板表面振速vA和B板表面振速vB用声压表示的形式，如下所示：
其中，ρ为介质即水的密度，c为水中声波传播的波速。vi、vr、vt分别为入射波、反射波、透射波所引起的水中质点振速。
假设A、B盖板在运动中无形变，即A盖板厚度方向两侧位移相同，B盖板厚度方向两侧位移也相同。在x＝0位置处，A盖板位移与水中质点法向位移连续，即振速连续，由式(5-1)可得
即
pr(0)＝pi(0)-jωρcξa (7)
在x＝db位置处，上盖板B位移与水中质点法向位移连续，即振速连续，由式(5-2)可得
即
pt(db)＝jωρcξb (9)
将式(7)、(9)代入式(3)、(4)，可得
Spi(0)+S[pi(0)-jωρcξa]-K(ξa-ξb)＝-ω2Maξa (10)
K(ξa-ξb)-jωSρcξb＝-ω2Mbξb (11)
整理得
[ω2Ma-(jωSρc+K)]ξa+Kξb＝-2Spi(0)
Kξa+[ω2Mb-(jωSρc+K)]ξb＝0 (12)
可得解方程可得A板位移ξa和B板位移ξb分别表示为，
根据声压反射系数的定义，声压反射系数可得
根据声压透射系数的定义，声压透射系数可得
隔声量的定义为
将式(16)代入式(17)即可得到隔声量。
基于上述理论，对本实施例模型进行了解析计算，得到了平面波作用下的板面位移和结构的隔声量；同时，对本实施例进行了有限元计算，计算模型如图(4)所示，得到了相应的有限元数值解。两者比较结果表明，平面波作用下上、下盖板位移的有限元解与解析解两条曲线吻合较好(如图5所示)，隔声结构的隔声量有限元解与解析解两条曲线吻合较好(如图6所示)，说明本实施例解析解是正确可靠的。在更改材料参数后可以利用位移响应以及隔声量的表达式直接得到对应水下隔声结构单元的位移响应以及隔声量，简单易算。
本实施例水下隔声结构单元与尺寸相同的传统普通橡胶层进行隔声量对比，实验采用的传统普通橡胶层的杨氏模量为2.7×108pa，密度为1050kg/m3，泊松比为0.49；实验的水深为100m；实验结果如图7所示。本实施例水下隔声结构单元的隔声效果优异，尤其在中高频本实施例水下隔声结构单元隔声量能达到10dB以上。从图7实验对比曲线中可以看出，本实施例水下隔声结构单元的隔声量要显著高于传统普通橡胶层，且不存在橡胶层每隔一定频段出现较差隔声效果频带的现象。说明本发明水下隔声频带宽。
实施例2
本实施例与实施例1的不同点仅在于改变上、下盖板的质量。
固定上、下盖板的密度(密度7850kg/m3)情况下改变上、下盖板的厚度，隔声量对比结果如图8所示。
固定上、下盖板的厚度(厚度0.001m)情况下改变上、下盖板的密度，隔声量对比结果如图9所示。
固定上、下盖板的厚度(厚度0.01m)情况下改变上、下盖板的密度，隔声量对比结果如图10所示。
根据图8说明本发明水下隔声结构单元中上、下盖板的质量对于整个系统的隔声量是有影响的，并且中高频区和低频区影响不同。低频段盖板质量较轻隔声效果好，高频段盖板质量较重隔声效果好，可根据隔声要求选择盖板质量。
实施例3
本实施例与实施例1的不同点仅在于改变水下隔声结构单元中总弹簧弹性系数。
不同弹簧弹性系数隔声量对比结果如图11所示(弹簧弹性系数越小隔声量越大，结合水下使用环境选择总弹簧弹性系数，否则超过弹簧弹性形变许可范围，弹簧容易被压缩，从而影响隔声效果)。实验结果说明本发明水下隔声结构单元中弹簧弹性系数对于整个系统的隔声量是有影响的，高频隔声效果好于低频。
Claims (10)
1.一种水下隔声结构单元，其特征在于水下隔声结构单元包括上盖板、下盖板以及弹性元件；上盖板和下盖板形状相同，平行设置，用弹性元件固定连接；弹性元件两端分别位于上、下盖板的中央；上盖板边缘和下盖板边缘用柔性防水材料连接，在上、下盖板之间形成一个密封空气层；其中上盖板和下盖板为金属板。
2.根据权利要求1所述的水下隔声结构单元，其特征在于上盖板和下盖板为四边形。
3.根据权利要求1所述的水下隔声结构单元，其特征在于上盖板和下盖板的厚度为0.001～0.01m。
4.根据权利要求1所述的水下隔声结构单元，其特征在于上盖板和下盖板的密度为200kg/m3～10000kg/m3，杨氏模量为1×1010N/m2～1×1012N/m2，泊松比为0.28～0.3。
5.根据权利要求1所述的水下隔声结构单元，其特征在于上盖板和下盖板之间的距离为2～6cm。
6.根据权利要求1所述的水下隔声结构单元，其特征在于弹性元件的个数为1个或多个。
7.根据权利要求1或6所述的水下隔声结构单元，其特征在于每平方米水下隔声结构单元中弹性元件的总弹性系数为5×107N/m～5×1010N/m。
8.根据权利要求1所述的水下隔声结构单元，其特征在于水下隔声结构单元的平均密度与水或海水的密度一致。
9.根据权利要求1所述的水下隔声结构单元，其特征在于多个水下隔声结构单元采用并列方式组合。
10.根据权利要求1所述的水下隔声结构单元，其特征在于柔性防水材料为内衬有高强度纤维布的防水软橡胶。
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