CN110956946A - 一种带有功能梯度板的耦合共振型水下声学覆盖层 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种带有功能梯度板的耦合共振型水下声学覆盖层。包括外覆盖层、内覆盖层和功能梯度板，外覆盖层和内覆盖层铺设在功能梯度板的两侧，外覆盖层和内覆盖层内均有周期性空腔，外覆盖层中空腔与内覆盖层中空腔位置一一对应、形状互不相同。外覆盖层和内覆盖层铺设在功能梯度板的两侧，三者以此种方式耦合提高了声学覆盖层低频范围的吸声性能，并有效地拓宽了覆盖层的吸声频率范围。使得功能梯度板的动力学行为对覆盖层吸声特性的影响占主导作用。由于功能梯度板的共振效应，空腔与功能梯度板之间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，同时，增强了在特定频率下声学覆盖层的共振效应，增强了声波的能量耗散。

Description

一种带有功能梯度板的耦合共振型水下声学覆盖层
技术领域
本发明涉及的是一种减振降噪材料，具体地说是一种应用在水下航行器表面的声学覆盖层结构。
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，设计一种带有功能梯度板的组合空腔耦合共振型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具有良好的降噪效果的带有功能梯度板的耦合共振型水下声学覆盖层。
本发明的目的是这样实现的：
包括覆盖层，所述的覆盖层包括外覆盖层1和内覆盖层3，还包括功能梯度板2，外覆盖层1和内覆盖层3铺设在功能梯度板2的两侧实现三者耦合，外覆盖层1和内覆盖层3内均有周期性空腔，外覆盖层1中空腔与内覆盖层3中空腔位置一一对应、形状互不相同。
本发明还可以包括：
1.所述空腔的形状为圆柱、圆台或方柱，内覆盖层3空腔的形状根据外覆盖层1空腔的形状确定。
2.外覆盖层1和内覆盖层3的材质均为聚氨酯吸声橡胶；功能梯度板2是由两种或两种以上的材料复合而成。
3.功能梯度板2各材料的属性沿厚度方向呈连续梯度变化，通过改变功能梯度板的材料组分比，调节功能梯度板的动力学特性。
4.功能梯度板是由铝和氧化锆陶瓷复合而成。
本发明提供了一种带有功能梯度板的耦合共振型水下声学覆盖层，该覆盖层具有良好的降噪效果，特别是针对特定频率的入射声波的降噪效果良好。
本发明是一种带有功能梯度板的耦合共振型水下声学覆盖层结构，从声波入射方向，该覆盖层依次由外覆盖层1、功能梯度板2、内覆盖层3组成。外覆盖层1和内覆盖层3主要材质均为聚氨酯吸声橡胶，外覆盖层1和内覆盖层3均有周期性空腔结构。功能梯度板2由2种或多种材料复合而成。
功能梯度板2各材料属性沿厚度方向呈连续梯度变化，可按所需吸声频段调配。
外覆盖层1和内覆盖层3均具有周期性空腔结构，其中外覆盖层1中空腔与内覆盖层3中空腔一一对应，二者的空腔形状存在着最佳的对应关系。
本发明的声学作用机理简述如下：
声波从外覆盖层1一侧入射，由于外覆盖层1的声阻抗与水介质的声阻抗非常接近，声波更容易进入到声学覆盖层内部，不在表面发生反射；而聚氨酯吸声材料的阻尼性能优异，声能在弹性驰豫、内摩擦等作用下转化为热能耗散。
在外覆盖层1的背后敷设的内覆盖层3，内覆盖层(3)中空腔的阻抗与聚氨酯吸声橡胶相差极大，声波在空腔边界发生反射，不仅可以增加声波传播距离、有效地降低声波的透射，使得声波反射到外覆盖层中进行二次能量耗散，提高整体覆盖层结构的吸声性能；另外，组合空腔之间的耦合共振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。同时，空腔之间的耦合共振效应可以增强声波能量在覆盖层中的耗散，使声波的能量转化为热能耗散掉；此外，通过改变功能梯度板的材料组分比，调节功能梯度板的动力学特性，从而实现对覆盖层的吸声频率范围的可调性。
外覆盖层1和内覆盖层3分别铺设在功能梯度板2的两侧，三者以此种方式耦合，使得功能梯度板的动力学行为对覆盖层吸声特性的影响占主导作用。由于功能梯度板的共振效应，使得空腔与功能梯度板之间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，同时，增强了在特定频率下声学覆盖层的共振效应，增强了声波的能量耗散。
附图说明
图1为本发明一种带有功能梯度板的耦合共振型水下声学覆盖层结构示意图。
图2为功能梯度板的梯度指数P对整体覆盖层吸声性能的影响规律关系图。
图3为本发明与单一空腔型覆盖层吸声性能对比关系图。
图4为材料的物理参数。
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，声波沿图中箭头方向入射，该覆盖层依次由外覆盖层1、功能梯度板2、内覆盖层3三部分组成。外覆盖层1和内覆盖层3铺设在功能梯度板2的两侧实现三者耦合。内覆盖层3粘贴在水下航行器外表面。
外覆盖层1和内覆盖层3主要材质均为聚氨酯吸声橡胶。外覆盖层1和内覆盖层3均具有周期性排列的空腔结构，其空腔形状可为圆柱、圆台、方柱等，其中外覆盖层1中空腔与内覆盖层3中空腔一一对应，二者的空腔形状存在着最佳的对应关系，例如图1中，外覆盖层1中圆柱形空腔与内覆盖层3中圆台形空腔组合可以增强空腔之间的耦合共振效应，使得覆盖层的吸声性能达到最佳的效果。但本发明中空腔形状并不局限于该图例，也可以是其他对称型或者非对称型空腔结构。
功能梯度板2以铝、氧化锆陶瓷为基材进行复合，还可以是铜、氧化铝；铜、氧化硅为基材进行复合等。在厚度方向连续改变这两种基材的体积分数，使该板材的整体材料属性沿厚度方向具有不同的梯度变化规律，以获得不同的动力学特性。功能梯度板2密度越大，声学覆盖层共振频率越低，对应的第一吸声峰频率也就越低。
下面通过具体仿真计算对本发明进一步描述：
本算例中覆盖层的材料选取聚氨酯，功能梯度板的基材选取铝和氧化锆陶瓷，各材料参数如图4的表1所示，外覆盖层和内覆盖层的厚度均为0.03m,功能梯度板的厚度为0.01m，内覆盖层中圆柱型空腔的半径和高度分别为0.004m和0.01m。外覆盖层中圆台型空腔上底和下底半径分别为0.012m和0.002m。通过对本发明的声学特性进行仿真计算，当梯度指数P＝0时，功能梯度板退化为各向同性的均质铝板，当梯度指数P→∞时，功能梯度板退化为各向同性的均质陶瓷板。通过改变两种基材的体积分数，使该板材的整体材料属性沿厚度方向按不同的梯度规律变化，计算结果如图2所示，随着梯度指数的增大，覆盖层的吸声峰介于两种极限(P＝0,P→∞)情况之间向低频移动。因此本发明可以按需改变这两种基材的体积分数来改变功能梯度板的动力学特性从而调节覆盖层的吸声频率范围，实现覆盖层吸声频率范围的可调性。
图3对比了本发明与单一空腔型覆盖层吸声性能，在保证相同孔隙率的条件下，在低频范围，本发明的水下吸声性能明显优于单一空腔型覆盖层，不仅拓宽了低频段吸声频带，而且增大了吸声峰值。这主要由于组合空腔之间的耦合共振有效地拓宽了覆盖层的吸声频率范围，同时结构的共振效应增强声波能量在覆盖层中的耗散，使声波的能量转化为热能耗散掉。此外，由于功能梯度板的共振效应，使得空腔与功能梯度板之间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。因此，将两个空腔结构分别铺设在功能梯度板的两侧，三者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。
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 (6)

1.一种带有功能梯度板的耦合共振型水下声学覆盖层，包括覆盖层，其特征是：所述的覆盖层包括外覆盖层(1)和内覆盖层(3)，还包括功能梯度板(2)，外覆盖层(1)和内覆盖层(3)铺设在功能梯度板(2)的两侧实现三者耦合，外覆盖层(1)和内覆盖层(3)内均有周期性空腔，外覆盖层(1)中空腔与内覆盖层(3)中空腔位置一一对应、形状互不相同。
2.根据权利要求1所述的带有功能梯度板的耦合共振型水下声学覆盖层，其特征是：所述空腔的形状为圆柱、圆台或方柱，内覆盖层(3)空腔的形状根据外覆盖层(1)空腔的形状确定。
3.根据权利要求2所述的带有功能梯度板的耦合共振型水下声学覆盖层，其特征是：外覆盖层(1)和内覆盖层(3)的材质均为聚氨酯吸声橡胶；功能梯度板(2)是由两种或两种以上的材料复合而成。
4.根据权利要求3所述的带有功能梯度板的耦合共振型水下声学覆盖层，其特征是：功能梯度板(2)各材料的属性沿厚度方向呈连续梯度变化，通过改变功能梯度板的材料组分比，调节功能梯度板的动力学特性。
5.根据权利要求4所述的带有功能梯度板的耦合共振型水下声学覆盖层，其特征是：功能梯度板是由铝和氧化锆陶瓷复合而成。
6.根据权利要求2-5任何一项所述的带有功能梯度板的耦合共振型水下声学覆盖层，其特征是：外覆盖层中空腔的形状为圆柱形，内覆盖层中空腔的形状为圆台形。
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