CN111009232A - 一种声隐身覆盖层及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种声隐身覆盖层及其应用，该声隐身覆盖层覆盖于声保护体表面，所述声隐身覆盖层由吸声覆盖层及内嵌于吸声覆盖层的一个或多个组合式吸声结构组成；所述组合式吸声结构由双层球壳构成，外层球壳表面有一圆形开孔，开孔正对吸声覆盖层外表面，与吸声覆盖层外面的介质连通，内层球壳放置于外层球壳内部，内层球壳内充满空气。本发明提供的声隐身覆盖层结构简单，声隐身覆盖层内组合式吸声结构尺寸小，整体易于实现，具有良好的宽带吸声性能，尤其是低频吸声性能良好，并且可以通过改变组合式吸声结构内、外层球壳的尺寸参数，设计声隐身覆盖层的吸声频段。

Description

一种声隐身覆盖层及其应用
技术领域
本发明属于声隐身技术领域，涉及一种具有良好的宽带吸声性能尤其是低频吸声性能的声隐身覆盖层及其应用。
背景技术
现代水下航行器普遍在表面敷设吸声覆盖层，用于吸收主动声纳的探测声波，从而降低自身声目标强度，减小被发现的几率。
目前的吸声覆盖层普遍在中、高频段具有良好的吸声性能，但在低频段吸声性能较差(低于3000Hz)，主要原因在于，满足工程应用条件的吸声覆盖层，其厚度通常是受限的，而有限厚度的基底材料难以直接吸收水中传来的低频声波。
通过在覆盖层中内嵌具有低频共振特性或具有波形转换能力的声学结构，是改善覆盖层低频吸声性能的主要手段。目前，常见的声学结构有散射型的微粒填充物、谐振型的空腔结构、黏滞损耗型的多孔材料等。其中，多孔材料受吸声机制所限，难以起到低频吸声效果；而另两类声学结构在尺寸受限的情况下，低频吸声性能也很难得到改善。因此，新型声学结构的设计，是改善声隐身覆盖层宽带吸声性能，尤其是低频吸声性能的关键问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种具有良好的宽带吸声性能尤其是低频吸声性能的声隐身覆盖层及其应用。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
提供一种声隐身覆盖层，覆盖于声保护体表面，所述声隐身覆盖层由吸声覆盖层及内嵌于吸声覆盖层的一个或多个组合式吸声结构组成；
所述组合式吸声结构由双层球壳构成，外层球壳表面有一圆形开孔，开孔正对吸声覆盖层外表面，与吸声覆盖层外面的介质连通，内层球壳放置于外层球壳内部，内层球壳内充满空气。
按上述方案，所述吸声覆盖层由低弹性模量、高损耗因子的材料制成，优选的吸声覆盖层材料为厚度≤50mm的橡胶。
按上述方案，所述外层球壳由高弹性模量材料制成。优选的高弹性模量材料为金属材料，如铝合金、钢。
按上述方案，所述外层球壳外直径D1取值范围为：10≤D1＜50。
按上述方案，所述外层球壳厚度为0.3～5mm。
按上述方案，外层球壳表面开孔带倒角，开孔直径为0.1D1～0.3D1，开孔角度α为0～50゜。开孔角度对组合式吸声结构的共振吸声频率有影响，开孔角度大，结构的共振吸声频率也高。
按上述方案，所述内层球壳内直径小于外层球壳外直径，内层球壳内直径为5～30mm。
按上述方案，所述内层球壳厚度为0.3～3mm。
按上述方案，所述内层球壳由低弹性模量材料制成。优选的低弹性模量材料为橡胶，硅胶。
按上述方案，所述吸声覆盖层外面的介质为水或海水。
按上述方案，所述声保护体为水下航行器。
本发明还包括上述声隐身覆盖层在水下航行器声隐身方面的应用。
本发明的声隐身覆盖层能够实现宽带吸声尤其是低频吸声的原理在于：
水中气泡具有吸声效果良好、共振频率低的特点，其共振频率根据以下的Minnaert频率公式：
Figure BDA0002317968170000021
式中，f为气泡共振频率，R为气泡半径，γ为空气绝热系数，Pl为液体压力(气泡所在液体环境的压力)，ρl为液体密度。该式表明，在特定的液体环境中，气泡的共振频率与气泡半径呈反比。以常压下的水中气泡为例，共振频率为500Hz的气泡，其半径仅约6mm。研究表明，薄壁橡胶气球与气泡具有类似的性质，毫米级橡胶气球的共振频率便可低至千赫兹左右，这种尺寸的结构应用于吸声覆盖层中是完全可以接受的。当声波进入该组合式吸声结构时，内层球易在声波的激励下振动，在特定频率下还会发生共振，从而使声能剧烈损耗；与此同时，当组合式吸声结构内层球发生形变时，内、外两层球壳间的构成了体积可变的腔体，可产生具有一定带宽的宽频共振，从而拓宽吸声频带。通过改变内、外层球壳的尺寸参数，可使组合结构的吸声频段发生变化。通过在吸声覆盖层的表面内嵌多种工作于不同频段的组合式吸声结构，可进一步改善吸声覆盖层的宽频吸声性能，尤其是低频吸声性。
上述组合式吸声结构的吸声频率与吸声性能均与材料、壁厚、开孔角度、直径等参数有关，关键参数包括：(1)内层球材料：内层球材料的弹性模量越低，共振吸声频段越低，优选的材料为橡胶；(2)内层球内直径D：内直径D越大，共振吸声频段越低，优选的内直径为5mm～30mm，对应的共振吸声频段约为1kHz～2kHz；(2)外层球壳开孔角度α：在金属壳外表面开孔直径d不变的情况下，开口角度α大，组合结构的共振吸声频段高，共振吸声性能也高，优选的开孔角度为0゜～50゜；(3)外层球壳厚度t：在外层球壳内径不变的情况下，外层球壳厚度t越大，组合结构的共振吸声频段越高，共振吸声性能也越高，优选的厚度为0.3mm～5mm。上述组合式吸声结构在特定设计参数下的吸声效果可通过数值仿真获得。
上述组合式吸声结构应用于吸声覆盖层时，可根据所需的吸声频段和吸声效果，调整组合吸声结构的几何参数、材料参数、排列密度和排列方式等。
上述组合结构，其内层球利用了气泡易发生低频共振的特性，实现了小尺寸结构的低频吸声；其外层球可对内层球起保护作用，并为内层球提供自由振动的介质环境；同时，双层球壳间构成的体积可变的腔体本身也具有一定宽度的共振频率，拓宽了组合结构的吸声频带。通过调整内外壳的材料、几何参数，可有效调节组合结构的工作频段，形式简单、易于设计和实现。
本发明的有益效果在于：本发明提供的声隐身覆盖层结构简单，声隐身覆盖层内组合式吸声结构尺寸小，整体易于实现，具有良好的宽带吸声性能，尤其是低频吸声性能良好，并且可以通过改变组合式吸声结构内、外层球壳的尺寸参数，设计声隐身覆盖层的吸声频段。
附图说明
图1为本发明实施例1组合式吸声结构示意图；
图2为实施例1声隐身覆盖层剖面示意图；
图3为实施例1组合式吸声结构的吸声效果；
图4为实施例2内嵌两种组合式吸声结构的吸声覆盖层结构示意图；
图5为实施例2内嵌三种组合式吸声结构的吸声覆盖层结构示意图；
图6为实施例2内嵌多种组合式吸声结构的吸声覆盖层吸声效果图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种声隐身覆盖层，覆盖于水下航行器表面，剖面示意图如图2所示，钢板厚度为10mm，声隐身覆盖层由厚50mm的丁腈橡胶及内嵌于丁腈橡胶外表面的组合式吸声结构组成，丁腈橡胶外表面与水接触，在橡胶的表层挖一直径为24.6mm的球形空腔(球心距橡胶表面12.3mm)，空腔内置一外直径24.6mm、厚0.3mm的钢制球壳，在钢制球壳朝向丁腈橡胶外表面的一侧，开一直径为3mm的孔，开孔无倒角，该孔可将环境中的水引至钢制球壳内部，在钢制球壳内设有一内直径12.0mm、厚0.3mm的丁腈橡胶球，橡胶球内为常压空气，外层钢制球壳及内层丁腈橡胶球即构成声隐身覆盖层的组合式吸声结构，组合式吸声结构示意图如图1所示。
当平面声波Pin从水中垂直入射橡胶层时，一部分声波进入橡胶层内嵌的双层球组合吸声结构中，引发内层球及双层球间腔体振动，从而使部分声能以热能的形式被耗散。上述组合式吸声结构的吸声效果图如图3所示，图中下方的曲线为50mm厚橡胶覆盖层的吸声系数曲线，上方曲线为在基材中加入本实施例组合式吸声结构后的橡胶覆盖层吸声曲线，可以看到，内嵌组合式吸声结构后，吸声覆盖层在500Hz～10kHz的宽频吸声性能得到了明显改善，尤其是在1kHz～2kHz的低频段出现了两个吸声峰。
实施例2
一种采用单一尺寸组合吸声结构的声隐身覆盖层，覆盖于水下航行器表面，航行器外层钢板厚度为10mm，声隐身覆盖层由厚50mm的丁腈橡胶及内嵌于丁腈橡胶外表面的组合式吸声结构组成，丁腈橡胶外表面与水接触，在橡胶的表层挖一直径为11.6mm的球形空腔(球心距橡胶表面5.8mm)，11.6mm空腔内置一外直径11.6mm、厚0.4mm的钢制球壳，在钢制球壳朝向丁腈橡胶外表面的一侧，开一直径为3mm的孔，开孔倒角10度，该孔可将环境中的水引至钢制球壳内部，在钢制球壳内设有一内直径6.0mm、厚1.0mm的丁腈橡胶球，橡胶球内为常压空气，外层钢制球壳及内层丁腈橡胶球即构成声隐身覆盖层的组合式吸声结构。
一种采用两种尺寸组合吸声结构的声隐身覆盖层，覆盖于水下航行器表面，剖面示意图如图4所示。钢板厚度为10mm，声隐身覆盖层由厚50mm的丁腈橡胶及内嵌于丁腈橡胶外表面的组合式吸声结构组成，丁腈橡胶外表面与水接触，在橡胶的表层挖两个直径为16.0mm的球形空腔(球心距橡胶表面8.0mm，两个球心间距60.0mm)。上方空腔内置一外直径16.0mm、厚0.7mm的钢制球壳，在钢制球壳朝向丁腈橡胶外表面的一侧，开一直径为3mm的孔，开孔倒角40度，该孔可将环境中的水引至钢制球壳内部，在钢制球壳内设有一内直径7.0mm、厚0.3mm的丁腈橡胶球，橡胶球内为常压空气；下方空腔内置一外直径16.0mm、厚2.6mm的钢制球壳，在钢制球壳朝向丁腈橡胶外表面的一侧，开一直径为3mm的孔，开孔倒角40度，该孔可将环境中的水引至钢制球壳内部，在钢制球壳内设有一内直径5.8mm、厚0.9mm的丁腈橡胶球，橡胶球内为常压空气。
一种采用三种尺寸组合吸声结构的声隐身覆盖层，覆盖于水下航行器表面，剖面示意图如图5所示。钢板厚度为10mm，声隐身覆盖层由厚50mm的丁腈橡胶及内嵌于丁腈橡胶外表面的组合式吸声结构组成，丁腈橡胶外表面与水接触，在橡胶的表层按上、中、下的顺序依次挖直径为16.6mm、24.4mm、16.6mm的球形空腔(球心距橡胶表面依次为8.3mm、12.2mm、8.3mm，相邻两球心间距80.0mm)。上方空腔内置一外径16.6mm、厚1.0mm的钢制球壳，在钢制球壳朝向丁腈橡胶外表面的一侧，开一直径为3mm的孔，开孔倒角50度，该孔可将环境中的水引至钢制球壳内部，在钢制球壳内设有一内直径13.2mm、厚0.5mm的丁腈橡胶球，橡胶球内为常压空气；中间空腔内置一外径24.4mm、厚4.1mm的钢制球壳，在钢制球壳朝向丁腈橡胶外表面的一侧，开一直径为3mm的孔，开孔倒角50度，该孔可将环境中的水引至钢制球壳内部，在钢制球壳内设有一内直径10.8mm、厚2.9mm的丁腈橡胶球，橡胶球内为常压空气；下方空腔内置一外径16.6mm、厚2.9mm的钢制球壳，在钢制球壳朝向丁腈橡胶外表面的一侧，开一直径为3mm的孔，开孔倒角50度，该孔可将环境中的水引至钢制球壳内部，在钢制球壳内设有一内直径5.8mm、厚0.9mm的丁腈橡胶球，橡胶球内为常压空气。
上述采用单、双、三种尺寸组合吸声结构的声隐身覆盖层的吸声曲线如图6所示，可以看到，通过在覆盖层中内嵌多种规格的组合式吸声结构，可以有效拓宽覆盖层的吸声频段、提高吸声性能，从而取得更好的吸声效果。实际应用中可根据需要设计组合式吸声结构的数量及排布方式、排布密度等。

Claims (10)

1.一种声隐身覆盖层，覆盖于声保护体表面，其特征在于，所述声隐身覆盖层由吸声覆盖层及内嵌于吸声覆盖层的一个或多个组合式吸声结构组成；
所述组合式吸声结构由双层球壳构成，外层球壳表面有一圆形开孔，开孔正对吸声覆盖层外表面，与吸声覆盖层外面的介质连通，内层球壳放置于外层球壳内部，内层球壳内充满空气。
2.根据权利要求1所述的声隐身覆盖层，其特征在于，所述吸声覆盖层为橡胶材料，厚度≤50mm。
3.根据权利要求1所述的声隐身覆盖层，其特征在于，所述外层球壳由金属材料制成。
4.根据权利要求1所述的声隐身覆盖层，其特征在于，所述外层球壳外直径D1取值范围为：10≤D1＜50，所述外层球壳厚度为0.3～5mm。
5.根据权利要求4所述的声隐身覆盖层，其特征在于，外层球壳表面开孔带倒角，开孔直径为0.1D1～0.3D1，开孔角度α为0～50゜。
6.根据权利要求1所述的声隐身覆盖层，其特征在于，所述内层球壳内直径小于外层球壳外直径，内层球壳内直径为5～30mm。
7.根据权利要求1所述的声隐身覆盖层，其特征在于，所述内层球壳厚度为0.3～3mm。
8.根据权利要求1所述的声隐身覆盖层，其特征在于，所述内层球壳由橡胶或硅胶制成。
9.根据权利要求1所述的声隐身覆盖层，其特征在于，所述吸声覆盖层外面的介质为水或海水，所述声保护体为水下航行器。
10.一种权利要求1-9任一所述的声隐身覆盖层在水下航行器声隐身方面的应用。
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