CN111696503A - 一种阻抗增强穿孔蜂窝板水下吸声超材料结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阻抗增强穿孔蜂窝板水下吸声超材料结构，蜂窝层芯内间隔设置有多个蜂窝共振腔单元，每个蜂窝共振腔单元内部的侧壁和底面上设置有阻尼内衬层，蜂窝层芯的顶部设置有穿孔上面板，穿孔上面板上对应蜂窝共振腔单元周期性的开有小孔，蜂窝层芯的底部设置有下面板，穿孔上面板、蜂窝层芯和下面板连接形成阻抗增强穿孔蜂窝板水下吸声超材料结构。本发明具有优异的低频宽带吸声性能以及良好的承载性能和轻量化性能。在设计方面具有更多的可调结构参数，可根据实际工况需求进行相应调节，结构简单，易于制造。

Description

一种阻抗增强穿孔蜂窝板水下吸声超材料结构
技术领域
本发明属于声学超材料技术领域，具体涉及一种阻抗增强穿孔蜂窝板水下吸声超材料结构。
背景技术
声学超材料是一种人工周期性复合结构，具有不同于天然材料的超常规声学特性，如声聚焦、负折射、单向透射、声隐身等。此外，深亚波长尺度结构对低频声波的完美吸收也是声学超材料的重要特殊性质之一。在空气声学中，通过空间缠绕或层级穿孔的结构设计，可以实现基于亥姆霍兹共振原理的完美吸收。通过具有不同几何参数的多个单元的并行连接，其中一些结构也表现出宽频带吸收能力。但在水声学中，由于水的近似不可压缩性和相对较小的粘性，依赖于空气的粘性能量耗散的超材料将不再适用。此外，在相同频率下，水中的声波波长是空气的4倍以上，这使得通过小尺寸结构实现低频的完全吸收变得更加困难。
传统的水下吸声材料/结构，例如具有周期性排布的空腔的吸声覆盖层、局域共振型声子晶体、阻抗渐变型吸声覆盖层等材料/结构，其基体大多为橡胶或聚氨酯，实际工作时需粘贴在水下装备的钢制外壳上，一方面增加了结构重量，另一方面承载性能较差，在深水载荷作用下易发生变形，从而削弱其吸声性能。
综合来看，上述结构普遍存在低频宽带吸声性能不佳、质量较重、承载性能差的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种阻抗增强穿孔蜂窝板水下吸声超材料结构，解决传统水下吸声结构在普遍存在低频宽带吸声性能不佳、质量较重、承载性能差的问题。
本发明采用以下技术方案：
一种阻抗增强穿孔蜂窝板水下吸声超材料结构，包括蜂窝层芯，蜂窝层芯内间隔设置有多个蜂窝共振腔单元，每个蜂窝共振腔单元内部的侧壁和底面上设置有阻尼内衬层，蜂窝层芯的顶部设置有穿孔上面板，穿孔上面板上对应蜂窝共振腔单元周期性的开有小孔，蜂窝层芯的底部设置有下面板，穿孔上面板、蜂窝层芯和下面板连接形成阻抗增强穿孔蜂窝板水下吸声超材料结构。
具体的，每个小孔对应蜂窝层芯结构中的一个蜂窝共振腔单元，小孔的直径为1.5～5mm。
具体的，小孔的形状包括圆形，三角形、方形、花瓣形或不规则形。
进一步的，小孔在穿孔上面板上交替排布。
具体的，蜂窝层芯的内边长为25～45mm，蜂窝层芯的厚度为25～45mm。
进一步的，蜂窝层芯的形状包括方形蜂窝，圆形蜂窝、三角形蜂窝、六方蜂窝或多尺寸多形状的混杂蜂窝。
具体的，阻尼内衬层的厚度为1～3mm。
进一步的，阻尼内衬层采用粘弹性材料制备而成。
具体的，穿孔上面板采用结构钢制成，厚度为1.5～2.5mm。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种阻抗增强穿孔蜂窝板水下吸声超材料结构，通过焊接或胶接穿孔上面板、蜂窝层芯、下面板，形成多个蜂窝共振腔单元，并在蜂窝共振腔单元的侧壁和底面上粘贴阻尼内衬层，改善了结构的声阻抗特性，提高了结构的低频宽带吸声性能。轻质蜂窝夹层板结构在实现良好的低频宽带水下吸声性能的前提下，减轻了结构重量，保证了结构承载性能，解决了传统水下吸声结构在普遍存在低频宽带吸声性能不佳、质量较重、承载性能差的问题。
进一步的，穿孔上面板上每一个小孔对应蜂窝层芯结构中的一个蜂窝共振腔单元，穿孔的设置将使蜂窝单元内部与外部连通，水通过穿孔流入蜂窝单元内部，形成亥姆霍兹共振腔，穿孔的直径为1.5～5mm，穿孔的直径决定了穿孔内水柱的直径，通过调节穿孔直径可以改变结构的亥姆霍兹共振特性。
进一步的，小孔的形状为圆形、三角形、方形、花瓣形或不规则形，能够调节结构的吸声性能。
进一步的，小孔的直径决定了穿孔内水柱的直径，通过调节穿孔直径可以改变结构的亥姆霍兹共振特性，若将不同孔径进行间隔排布，结构可以在多个频率处实现共振吸声，从而达到宽带吸声的效果。
进一步的，蜂窝内边长为25～45mm，蜂窝腔体作为亥姆霍兹共振腔，起到了声容的作用，通过调整蜂窝内边长，可以控制结构的峰值吸声频率，蜂窝层芯的厚度为25～45mm，蜂窝层芯的厚度决定了共振腔体的尺寸，改变蜂窝层芯厚度可以调整结构的吸声频带。
进一步的，蜂窝层芯由结构钢制成，形状为方形蜂窝、圆形蜂窝、三角形蜂窝、六方蜂窝或多尺寸多形状的混杂蜂窝，蜂窝层芯用于承受压缩载荷，此外，蜂窝壁将结构分割为多个单元，可以实现不同单元的差异化尺寸设计，形成多个共振频率，增加结构的吸声带宽。
进一步的，阻尼内衬层厚度为1～3mm，阻尼内衬层的厚度决定了额外增加的声阻和声容的大小，对结构的声阻抗特性会产生影响，通过合理设计可以实现特定频率的优异吸声效果。
进一步的，阻尼内衬层由橡胶或聚氨酯等粘弹性材料制成，粘贴于每一个蜂窝共振腔单元的侧壁和底面上，阻尼内衬层的粘贴为蜂窝共振腔提供了额外的声阻和声容，改善了结构的阻抗特性，有利于实现结构的低频宽带水下吸声。
进一步的，穿孔上面板由结构钢制成，上面周期性的开有小孔，结构钢的应用使结构具有良好的承载性能，穿孔上面板的厚度为1.5～2.5mm，一方面决定了穿孔内水柱的高度，控制着结构的共振吸声特性，另一方面可以调节结构的承载性能。
综上所述，本发明具有优异的低频宽带吸声性能以及良好的承载性能和轻量化性能。在设计方面具有更多的可调结构参数，可根据实际工况需求进行相应调节，结构简单，易于制造。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明水下吸声结构结构示意图；
图2为本发明蜂窝共振腔单元的水平截面图；
图3为本发明蜂窝共振腔单元的垂直截面图；
图4为本发明三个实施例在0～1000Hz内的吸声系数示意图。
其中：1.穿孔上面板；2.蜂窝层芯；3.阻尼内衬层；4.下面板。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种阻抗增强穿孔蜂窝板水下吸声超材料结构，通过焊接或胶接穿孔上面板、蜂窝层芯和下面板，形成多个蜂窝共振腔单元，并在蜂窝共振腔单元的侧壁和底面上粘贴阻尼内衬层，改善了结构的声阻抗特性，提高了结构的低频宽带吸声性能。轻质蜂窝夹层板结构在实现良好的低频宽带水下吸声性能的前提下，减轻了结构重量，保证了结构承载性能，解决了传统水下吸声结构在普遍存在低频宽带吸声性能不佳、质量较重、承载性能差的问题。
请参阅图1，本发明一种阻抗增强穿孔蜂窝板水下吸声超材料结构，包括穿孔上面板1、蜂窝层芯2、阻尼内衬层3和下面板4，穿孔上面板1、蜂窝层芯2、下面板4通过焊接或胶接相连，阻尼内衬层3粘贴于每一个蜂窝共振腔单元的侧壁和底面上，形成一种阻抗增强穿孔蜂窝板水下吸声超材料。
穿孔上面板1采用结构钢制成，穿孔上面板1上周期性的开有小孔，且穿孔上面板1上每一个小孔对应蜂窝层芯结构中的一个蜂窝共振腔单元，小孔的直径为1.5～5mm，穿孔上面板1的厚度为1.5～2.5mm。
除此之外，穿孔上面板1上小孔形状不限于圆形，三角形、方形、花瓣形或不规则形小孔均可。
请参阅图2和图3，蜂窝层芯2采用结构钢制成，蜂窝层芯2的内边长为25～45mm，蜂窝层芯2的厚度为25～45mm；阻尼内衬层3粘贴于每一个蜂窝共振腔单元的侧壁和底面上，阻尼内衬层3的厚度为1～3mm。
除此之外，蜂窝层芯2的形状不限于方形蜂窝，圆形蜂窝、三角形蜂窝、六方蜂窝或多尺寸多形状的混杂蜂窝均可；制成阻尼内衬层3的材料不限于橡胶，聚氨酯等粘弹性材料均可。
下面板4采用结构钢制成，下面板4用于固定在需要声学处理的水下装备上。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明由穿孔上面板、蜂窝层芯、阻尼内衬层、下面板组成，其吸声性能主要由蜂窝共振腔决定，包括穿孔直径、穿孔上面板厚度、蜂窝层芯高度、蜂窝内边长、阻尼内衬层厚度决定。承载和轻量化性能主要由面板和蜂窝层芯决定，包括穿孔上面板厚度、蜂窝层芯高度、蜂窝内边长等。由于这些结构参数均为可调参数，所以可以通过调节实现相应的吸声、承载和轻量化性能要求。下面通过具体实施例进行对本发明技术方案进行示例性说明。
实施例所用材料：
结构钢：密度7850kg/m3，杨氏模量200GPa，泊松比0.3。
橡胶：密度1100kg/m3，杨氏模量10MPa，泊松比0.49，等效各向同性损耗因子为0.3。
水：密度1000kg/m3，声速1500m/s，动力粘度系数0.00101Pa·s。
实施例的结构尺寸以及材料选择：
实施例1
小孔直径为2.5mm，穿孔上面板厚度2.5mm，蜂窝内边长为45mm，蜂窝层芯高度为45mm，不粘贴阻尼层内衬，该实施例将作为对比参照，用于体现本发明的阻抗增强效果。
实施例2
小孔直径为2.5mm，穿孔上面板的厚度为2.5mm，蜂窝内边长为45mm，蜂窝层芯高度为45mm，阻尼内衬层厚度为3mm。
实施例3
小孔直径为2mm，穿孔上面板的厚度为2mm，蜂窝内边长为35mm，蜂窝层芯高度为35mm，阻尼内衬层厚度为2mm。
实施例4
小孔直径为1.5mm，穿孔上面板的厚度为1.5mm，蜂窝内边长为25mm，蜂窝层芯高度25为mm，阻尼内衬层厚度为1mm。
实施例5
小孔直径为3mm和5mm交替排布，穿孔上面板的厚度为2.5mm，蜂窝内边长为45mm，蜂窝层芯高度为45mm，阻尼内衬层厚度为3mm。
穿孔的直径决定了穿孔内水柱的直径，通过调节穿孔直径可以改变结构的亥姆霍兹共振特性，若将不同孔径进行间隔排布，结构可以在多个频率处实现共振吸声，从而达到宽带吸声的效果。
请参阅图3，在低频时的亥姆霍兹共振现象可以在一定频率范围内实现完美吸声。通过在蜂窝共振腔内壁粘贴阻尼内衬层，改善了结构的声阻抗特性，由橡胶层提供额外的声阻和声容，形成了类亥姆霍兹共振，使本发明实现了水下的低频完美吸声。
除此之外，通过两种孔径间隔排布，使本发明获得了多个共振频率，产生了多个吸声峰值，从而使本发明实现了低频宽带的优异吸声效果
请参阅图3，实施例1由于未粘贴阻尼内衬层，在0～1000Hz几乎没有吸声效果，仅在809Hz处有一个0.30的峰值，该实施例将作为对比参照，用于体现本发明的阻抗增强效果；
实施例2在279～475Hz的吸声系数大于0.5，并在375Hz处达到完美吸声，吸声系数的最大值为0.99；
实施例3在393～646Hz的吸声系数大于0.5，并在517Hz处达到完美吸声，吸声系数的最大值为0.99；
实施例4在662～1000Hz的吸声系数大于0.5，并在838Hz处达到完美吸声，吸声系数的最大值为0.99；
实施例5在337～759Hz的吸声系数大于0.5，具有两个吸声峰值，分别位于445Hz和603Hz，其在603Hz处达到完美吸声，吸声系数的最大值为0.99；
从吸声系数曲线可以看出本发明可以在一定的频率范围内实现优异的低频宽带吸声性能，并且通过不同的结构参数的设计可以实现对声学性能的调节。
本发明达到的技术效果：
1、具有优异的低频宽带吸声性能。
本发明在0～1000Hz的范围内，吸声系数达到0.5以上，半吸声带宽可达到设计频率范围的44.2％，部分位置的吸声峰值达到0.99以上，实现完美吸声。
2、具有良好的承载性能和轻量化性能。
本发明的穿孔上面板、蜂窝层芯、下面板共同组成了轻质蜂窝夹层板结构，该结构具有良好的耐压性能、抗弯性能，是一种承载、轻量化的多功能结构。
3、具有更多的可调参数和变量。
本发明中的穿孔直径、穿孔上面板厚度、蜂窝层芯高度、蜂窝内边长、阻尼内衬层厚度等均为可调参数，可以根据具体的使用场景，如对承载性能的要求或对声学性能的要求合理的进行选择调整。
4、结构简单，易于制造。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种阻抗增强穿孔蜂窝板水下吸声超材料结构，其特征在于，包括蜂窝层芯(2)，蜂窝层芯(2)内间隔设置有多个蜂窝共振腔单元，每个蜂窝共振腔单元内部的侧壁和底面上设置有阻尼内衬层(3)，蜂窝层芯(2)的顶部设置有穿孔上面板(1)，穿孔上面板(1)上对应蜂窝共振腔单元周期性的开有小孔，蜂窝层芯(2)的底部设置有下面板(4)，穿孔上面板(1)、蜂窝层芯(2)和下面板(4)连接形成阻抗增强穿孔蜂窝板水下吸声超材料结构。
2.根据权利要求1所述的阻抗增强穿孔蜂窝板水下吸声超材料结构，其特征在于，每个小孔对应蜂窝层芯结构中的一个蜂窝共振腔单元，小孔的直径为1.5～5mm。
3.根据权利要求1所述的阻抗增强穿孔蜂窝板水下吸声超材料结构，其特征在于，小孔的形状包括圆形，三角形、方形、花瓣形或不规则形。
4.根据权利要求1或2或3所述的阻抗增强穿孔蜂窝板水下吸声超材料结构，其特征在于，小孔在穿孔上面板(1)上交替排布。
5.根据权利要求1所述的阻抗增强穿孔蜂窝板水下吸声超材料结构，其特征在于，蜂窝层芯(2)的内边长为25～45mm，蜂窝层芯(2)的厚度为25～45mm。
6.根据权利要求1或5所述的阻抗增强穿孔蜂窝板水下吸声超材料结构，其特征在于，蜂窝层芯(2)的形状包括方形蜂窝，圆形蜂窝、三角形蜂窝、六方蜂窝或多尺寸多形状的混杂蜂窝。
7.根据权利要求1所述的阻抗增强穿孔蜂窝板水下吸声超材料结构，其特征在于，阻尼内衬层(3)的厚度为1～3mm。
8.根据权利要求1或7所述的阻抗增强穿孔蜂窝板水下吸声超材料结构，其特征在于，阻尼内衬层(3)采用粘弹性材料制备而成。
9.根据权利要求1所述的阻抗增强穿孔蜂窝板水下吸声超材料结构，其特征在于，穿孔上面板(1)采用结构钢制成，厚度为1.5～2.5mm。
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