CN111128106A - 一种水下低频窄带隔声结构单元 - Google Patents
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Abstract
一种水下低频窄带隔声结构单元，涉及减振降噪领域，具体涉及一种水下隔声结构。舰船等水下航行器在航行中通常存在较强的低频线谱振动噪声，本发明是一种能够适用于水下的、对低频线谱噪声有良好的隔声效果的隔声结构。水下低频窄带隔声结构单元包括穿孔板、弹性元件和固定框；弹性元件一端固定在穿孔板下表面，弹性元件另一端固定在固定框上。本发明隔声结构单元具有结构简单、外形适应性强、声学设计简单的特点。本发明中穿孔板上通孔的孔隙形状可以任意选择。
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
穿孔板原名冲孔板，就是在不同材质的板材上打孔得到的板材。目前穿孔板的声学应用主要体现在吸声方面，利用孔与后腔形成的声共振达到吸声耗能的目的。在空气中，利用穿孔板进行吸声的研究内容较多，为了增加吸声频带半宽，马大猷提出了微穿孔板吸声体的准确理论和设计。
在水下，穿孔板的吸声影响相对较少。白国峰等人将微穿孔板置于水下，根据空气中微穿孔板共振吸声体的理论设计思想，进行了微穿孔板水下吸声特性仿真研究，指出：微穿孔板可以在水中得到一定的低频宽带吸声效果，但对于微穿孔板结构要求比较苛刻，特别是孔直径要求比空气中更小，为10-4米的量级。
舰船等水下航行器在航行中通常存在较强的低频线谱振动噪声，这主要是有机械设备的周期性运动产生的，它们在频谱图上是孤立出现的，且声源级很高，成为水声探测设备的关键捕捉特征，严重影响水下航行器的声隐蔽安全。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供了一种能够适用于水下的、对低频线谱噪声有良好的隔声效果的隔声结构。
本发明水下低频窄带隔声结构单元包括穿孔板、弹性元件和固定框；弹性元件一端固定在穿孔板下表面，弹性元件另一端固定在固定框上。
本发明中穿孔板材质为不锈钢板、铝板、铁板、低碳钢板或铜板等。本发明中所述穿孔板上的孔为通孔。
本发明中固定框为栅格状刚硬固定结构。
本发明利用弹性元件与穿孔板上孔隙的耦合共振实现低频窄带隔声，从而可以有效隔离低频线谱噪声。本发明水下低频窄带隔声结构单元主要针对低频段进行隔声处理。
本发明水下低频窄带隔声结构单元在声波的作用下，声能一部分透过本发明隔声结构单元形成透射声；而另一部分声能会在弹性元件所在空间(穿孔板与固定框之间)以及穿孔板通孔内形成往复流动，这部分声能能量是不向外辐射的，在隔声频率附近，声能在穿孔板与固定框之间的往复流动达到最大，形成耦合共振，从而将绝大部分声能限制在隔声结构附近，透射声能大大降低，形成优异的线谱隔声效果。
本发明可通过调节弹性元件(弹簧)单位面积的总弹性系数以及穿孔板的穿孔率(孔隙占整个平板表面积的百分比)，对水下隔声频率和隔声效果进行调控，达到针对指定低频线谱噪声的隔声目的。
本发明隔声结构单元具有结构简单、外形适应性强、声学设计简单的特点。本发明中穿孔板上通孔的孔隙形状可以任意选择。
附图说明
图1为本发明水下低频窄带隔声结构单元的结构意图。
图2为实施例4水下低频窄带隔声结构单元的结构意图。
图3是由多个小的独立刚性平板阵列排布替代穿孔板的隔声结构示意图。
图4为本发明的有限元仿真示意图。
图5是实施例2不同弹性元件单位面积总弹性系数水下低频窄带隔声结构单元的隔声量。
图6是实施例3不同穿孔率的水下低频窄带隔声结构单元的隔声量。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式水下低频窄带隔声结构单元包括穿孔板1、弹性元件2和固定框3；弹性元件2一端固定在穿孔板1下表面，弹性元件2另一端固定在固定框3上。
本发明对外部静压力没有要求，可应用于水下大潜深高静压力的情况。本发明中穿孔板1上的通孔1-1可以不规则的分布于整块穿孔板1上。
弹性元件2可采用铆接、焊接或胶结方式固定于穿孔板1和固定框3上。
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：穿孔板1为四边形或六边形。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：穿孔板1厚度为 0.01～0.03m。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：穿孔板1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。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：所述穿孔板1 的穿孔率为0.0625％～4％。其它与具体实施方式一至四之一相同。
本实施方式也可以由多个小的独立刚性平板5阵列排布替代穿孔板1，刚性平板之间的缝隙面积(相当于孔面积)符合本实施方式限定的穿孔率即可(缝隙8是通孔1-1的一种变形形式，如图3所示)。本发明可以满足对隔声结构的不同外形设计需求。
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：固定框3所在平面与穿孔板1所在平面平行。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：固定框3为栅格状刚性固定结构。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：固定框3的重心与穿孔板1的重心位于同一垂线上。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：弹性元件2 的个数为1个或多个。其它与具体实施方式一至八之一相同。
弹性元件2横截面重心或者由多个弹性元件2横截面组成的图形重心与穿孔板1的重心位于同一垂线上。
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：穿孔板1与固定框3之间的垂直距离为2～6cm。其它与具体实施方式一至九之一相同。
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：每平方米水下低频窄带隔声结构单元中弹性元件2的总弹性系数为5×107N/m～5×1010N/m。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：多个水下低频窄带隔声结构单元采用并列方式组合，结构单元单元之间的间隙为0或小于0.01m。其它与具体实施方式一至十一之一相同。
本实施方式多个水下低频窄带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。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二之一的不同点在于：水下低频窄带隔声结构单元的平均密度与水或海水的密度一致。其它与具体实施方式一至十二之一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十三之一的不同点在于：穿孔板1 上单个通孔的面积为16mm2～100mm2。其它与具体实施方式一至十三之一相同。
实施例1
本实施例水下低频窄带隔声结构单元包括穿孔板1、弹性元件2和固定框3；弹性元件2 一端固定在穿孔板1下表面，弹性元件2另一端固定在固定框3上。
本实施例中穿孔板1为正方形，尺寸为0.28m×0.28m×0.02m，穿孔板1上有1个通孔1-1，通孔1-1为方形；穿孔板1的穿孔率为0.0625％；穿孔板1为合金钢AISI 4340 Steel、密度为 7850kg/m3、杨氏模量为2.05×1011Pa、泊松比为0.28；实验介质为水，水中声速为1500m/s，水密度为1000kg/m3；本实施例水下隔声结构单元的每平方米水下低频窄带隔声结构单元中弹性元件2的总弹性系数为1.28×109N/m；其中固定框3所在平面与穿孔板1所在平面平行；固定框3为栅格状刚性固定结构，固定框3的重心与穿孔板1的重心位于同一垂线上；多个弹性元件2横截面组成的图形重心与穿孔板1的重心位于同一垂线上。
实施例2
本实施例与实施例1的区别仅在于改变不同弹性元件2单位面积总弹性系数。对本实施例进行了有限元计算，计算模型如图4所示。不同弹性元件2单位面积总弹性系数水下低频窄带隔声结构单元的隔声量如图5所示。
实施例3
本实施例与实施例1的区别仅在于改变穿孔板1的穿孔率。对本实施例进行了有限元计算。不同穿孔率的水下低频窄带隔声结构单元的隔声量如图6所示。
实施例4
结合图2说明本实施例，本实施例水下低频窄带隔声结构单元包括穿孔板1、弹性元件2 和固定框3；弹性元件2一端固定在穿孔板1下表面，弹性元件2另一端固定在固定框3上。本实施例中穿孔板1为长方形，穿孔板1上有多个通孔1-1，通孔1-1为方形；穿孔板1的穿孔率为0.0625％，穿孔板上单个通孔的面积为16mm2～100mm2。
实验结果显示本发明在水下的隔声量频率曲线具有窄带形式，在设计频率附近具有非常显著的隔声效果。同时，穿孔率和弹性元件2单位面积总弹性系数对隔声结构的隔声量是显著影响，是本发明隔声设计的关键参数。单位面积总弹性系数相同的情况下，增大穿孔板1的穿孔率，隔声量峰值频率将会增大；穿孔板1的穿孔率相同的情况下，增大单位面积总弹性系数，隔声量峰值频率将会增大且频带展宽。仿真计算结果表明，本发明水下隔声结构针对低频窄带线谱噪声具有较好的隔声效果，且可以通过调整穿孔板1穿孔率以及弹性元件2单位面积总弹性系数来设计隔声结构的隔声频率。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作出了描述，若在本发明基础上作出一些修改或改进，而其并不偏离本发明之精神，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种水下低频窄带隔声结构单元，其特征在于水下低频窄带隔声结构单元包括穿孔板(1)、弹性元件(2)和固定框(3)；弹性元件(2)一端固定在穿孔板(1)下表面，弹性元件(2)另一端固定在固定框(3)上。
2.根据权利要求1所述的水下低频窄带隔声结构单元，其特征在于穿孔板(1)为四边形或六边形。
3.根据权利要求1所述的水下低频窄带隔声结构单元，其特征在于穿孔板(1)厚度为0.01～0.03m。
4.根据权利要求1所述的水下低频窄带隔声结构单元，其特征在于穿孔板(1)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所述的水下低频窄带隔声结构单元，其特征在于所述穿孔板(1)的穿孔率为0.0625％～4％，穿孔板(1)上单个通孔的面积为16mm2～100mm2。
6.根据权利要求1所述的水下低频窄带隔声结构单元，其特征在于固定框(3)所在平面与穿孔板(1)所在平面平行。
7.根据权利要求1或6所述的水下低频窄带隔声结构单元，其特征在于固定框(3)为栅格状刚性固定结构，固定框(3)的重心与穿孔板(1)的重心位于同一垂线上。
8.根据权利要求7所述的水下低频窄带隔声结构单元，其特征在于弹性元件(2)的个数为1个或多个。
9.根据权利要求1所述的水下低频窄带隔声结构单元，其特征在于每平方米水下低频窄带隔声结构单元中弹性元件(2)的总弹性系数为5×107N/m～5×1010N/m。
10.根据权利要求1所述的水下低频窄带隔声结构单元，其特征在于多个水下低频窄带隔声结构单元采用并列方式组合，结构单元单元之间的间隙为0或小于0.01m。
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