CN111696505B - 一种环形开槽低频水下吸声深亚波长超结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种环形开槽低频水下吸声深亚波长超结构，元胞为正方体型结构，元胞内多个环形开槽呈同心圆排布，环形开槽在水平方向上位于橡胶的中央，环形开槽在竖直方向位于橡胶的下侧，多个元胞阵列设置构成环形开槽低频水下吸声深亚波长超结构。本发明结构实现了深亚波长尺寸结构的低频完美吸声，可以铺设于水下装备表面，实现水下低频减振降噪的需求，具有很广泛的工程应用前景，为水下装备的低频减振降噪问题提供了全新的解决方案。

Description

一种环形开槽低频水下吸声深亚波长超结构
技术领域
本发明属于水下吸声技术领域，具体涉及一种环形开槽低频水下吸声深亚波长超结构。
背景技术
声波是目前唯一能够在水下远距离传输信息的通信方式，因此对于水下结构来说，其减振降噪问题一直是水声领域的重大工程问题。由于水下低频声波的波长较长，1000Hz的声波波长可达到1.5m，远远大于一般吸声结构的尺寸，因此相对于高频声波而言，低频声波更加难于处理。
对此，研究人员针对水背衬、钢背衬以及空气背衬下的水下吸声结构展开了广泛的研究。目前水下吸声结构以Alberich型吸声覆盖层和局域共振型声子晶体为主，其中在水下声波的激励下，Alberich型吸声覆盖层中空腔上侧的阻尼层会发生鼓状振动；同时，由于阻尼介质与空腔内空气声阻抗的不匹配，会使得声波在空腔表面发生散射；此外，在声波入射到空腔表面时还会发生波形转换，以上即为Alberich型吸声覆盖层的吸声机理。以上所述局域共振型声子晶体，即为一种在具有阻尼作用的固体介质中内嵌周期性局域共振体的水下吸声结构。在低频范围内，局域共振型声子晶体的吸声机理主要是局域共振体在声波激励下的共振造成的剪切损耗；在频率较高时，局域共振型声子晶体的主要吸声机理是局域共振体对固体中声波的散射作用。目前阶段的研究主要基于以上两种结构形式进行尺寸和材料性能优化设计，目前已经能够实现2000Hz以上的宽带吸声，但在1000Hz及以下的低频范围内，对声波的完全吸收还难以实现。除此之外的一些研究则提出了一些相对较为复杂的结构以实现低频吸声，但结构的复杂性不利于工程应用。
总的来看，尽管现有的结构能够实现较宽的吸声频带或较低的吸声频率，但实际工程应用中还存在以下问题：
(1)深亚波长结构对低频声波的吸收难以实现；
(2)低频吸声结构普遍较为复杂，不利于工程应用。
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，提供一种环形开槽低频水下吸声深亚波长超结构，超结构橡胶一侧为水声入射侧，钢板一侧为空气背衬，解决深亚波长结构对低频声波的吸收难以实现的难题。
本发明采用以下技术方案：
一种环形开槽低频水下吸声深亚波长超结构，包括正方体结构的元胞，元胞的内部呈同心圆排布设置有多个环形开槽，元胞包括橡胶，橡胶下侧与钢板连接，环形开槽设置在橡胶内，多个元胞阵列设置构成环形开槽低频水下吸声深亚波长超结构。
具体的，环形开槽在水平方向上位于橡胶的中央，环形开槽在竖直方向位于橡胶的下侧。
具体的，橡胶的厚度为30～50mm。
进一步的，钢板的厚度为10～20mm。
具体的，环形开槽的高度为10～20mm。
具体的，环形开槽的槽宽为0.5～1.5mm。
具体的，相邻环形开槽之间的橡胶厚度为1～2mm。
进一步的，环形开槽的数量为6个。
具体的，元胞的边长为40～60mm。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种环形开槽低频水下吸声深亚波长超结构，在空气背衬下的钢板上铺设橡胶，构成弹簧-振子系统，对水下声波进行吸收，并在橡胶下侧设置环形开槽，环形开槽在水平方向上位于橡胶的中央，环形开槽在竖直方向位于橡胶的下侧，降低结构刚度，使吸声峰值对应的频率向低频移动；超结构橡胶一侧为水声入射侧，钢板一侧为空气背衬，通过在覆盖在钢板上的橡胶下侧设置环形开槽，降低了橡胶的刚度，降低了结构的共振频率，实现了深亚波长结构对低频声波的吸收。
进一步的，环形开槽在水平方向上为位于橡胶的中央是为了使相邻两个元胞内的环形开槽不会发生交叉联通；在竖直方向位于橡胶的下侧是为了防止环形开槽与外界水域联通。
进一步的，为了使结构在能够实现良好的吸声性能同时，减小结构的厚度，将橡胶的厚度设置为30～50mm。
进一步的，为了使结构吸声峰值频率降低，同时降低结构的质量并减小结构的厚度，将钢板的厚度设置为10～20mm。
进一步的，为了降低结构的刚度，将环形开槽的高度设置为10～20mm。
进一步的，为了控制结构的刚度在一定范围内变化，将环形开槽的槽宽设置为0.5～1.5mm。
进一步的，为了降低结构的刚度，同时保证开槽处的橡胶具有足够的强度，将相邻环形开槽之间的橡胶厚度设置为1～2mm。
进一步的，为了降低结构的刚度，同时使结构尽量简单，以便于加工，将环形开槽的数量设置为6个。
进一步的，为了使相邻两个元胞内的环形开槽不发生交叉连通，将元胞的边长设置为40～60mm。
综上所述，本发明水下吸声结构具有优异的低频吸声性能，解决了深亚波长结构对低频声波难以吸收的问题，是一种性能优异、结构简单且易于加工的水下吸声超结构。
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为本发明吸声结构示意图，其中，(a)为元胞阵列示意图，(b)为元胞结构示意图，(c)为元胞竖直截面图，(d)为元胞水平截面图；
图2为本发明三个实施例在0～1500Hz范围内的吸声系数示意图。
其中：1.橡胶；2.钢板；3.环形开槽。
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。
本发明提供了一种环形开槽低频水下吸声深亚波长超结构，解决了深亚波长结构对低频声波的吸收难以实现，且低频吸声结构普遍较为复杂，不利于工程应用的难题，通过使橡胶层和钢板形成弹簧振子系统，并在橡胶层内设置环形开槽，降低了结构刚度，有效的将结构的吸声峰值移至较低频率，满足了低频范围内实现对声波的几乎完全吸收的要求；结构尺寸远小于吸声峰值处的对应频率下的声波波长，即深亚波长尺度结构低频吸声要求；结构简单、易于加工的要求。具有优异的吸声性能，能够有效保证结构厚度为70mm时，对频率为305Hz的声波的几乎完全吸收(吸声系数为0.975)，结构尺寸仅为对应频率下声波波长的1/70，实现了深亚波长尺寸结构的低频完美吸声，可以铺设于水下装备表面，实现水下低频减振降噪的需求，具有很广泛的工程应用前景，为水下装备的低频减振降噪问题提供了全新的解决方案。
请参阅图1，本发明一种环形开槽低频水下吸声深亚波长超结构，包括元胞，元胞为正方体结构，边长为40～60mm，内部呈同心圆排布设置有多个环形开槽3，多个元胞阵列设置构成环形开槽低频水下吸声深亚波长超结构。
元胞包括橡胶1，橡胶1下侧与钢板2连接，环形开槽3设置在橡胶1内，橡胶1的厚度为30～50mm，钢板2的厚度为10～20mm。
环形开槽3在水平方向上位于橡胶1的中央，环形开槽3在竖直方向位于橡胶1的下侧。
环形开槽3的数量为6个；环形开槽3的高度为10～20mm；环形开槽3的槽宽为0.5～1.5mm；相邻环形开槽3之间的橡胶厚度为1～2mm。
优选的，请参阅图1(a)，为元胞按10×10阵列所得到的一种环形开槽低频水下吸声深亚波长超结构。
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。
本发明声学性能的预估采用有限元方法进行，下面通过具体应用中的实例对本发明技术方案进行示例性说明。
实施例用材料如下：
橡胶：其特征是密度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。
钢板：其特征是密度7850kg/m3，杨氏模量200GPa，泊松比0.3，等效各向同性损耗因子为0。
水：其特征是密度1000kg/m3，声速1500m/s。
空气：其特征是密度1.29kg/m3，声速343m/s。
实施例的结构尺寸：
实施例1
橡胶的厚度为30mm，钢板的厚度为10mm，元胞的边长为40mm，环形开槽的数量为6个，环形开槽的高度为10mm，环形开槽的槽宽为0.5mm，相邻环形开槽之间的橡胶厚度为1mm。
实施例2
橡胶的厚度为40mm，钢板的厚度为15mm，元胞的边长为50mm，环形开槽的数量为6个，环形开槽的高度为15mm，环形开槽的槽宽为1mm，相邻环形开槽之间的橡胶厚度为1.5mm。
实施例3
橡胶的厚度为50mm，钢板的厚度为20mm，元胞的边长为60mm，环形开槽的数量为6个，环形开槽的高度为20mm，环形开槽的槽宽为1.5mm，相邻环形开槽之间的橡胶厚度为2mm。
采用以上所述材料和结构尺寸进行数值模拟，给出了实施例的结果如下所述：
在本发明的声学性能方面，参照图2所示，为一种环形开槽低频水下吸声深亚波长超结构的三个实施例在0-1500Hz范围内的吸声系数。
由图中可知，实施例1在799～1106Hz范围内的吸声系数大于0.8，并在928Hz处达到吸声峰值，峰值大小为0.99，结构尺寸为峰值位置处声波波长的1/40；
实施例2在426～549Hz范围内的吸声系数大于0.8，并在474Hz处达到吸声峰值，峰值大小为0.99，结构尺寸为峰值位置处声波波长的1/58；
实施例3在273～346Hz范围内的吸声系数大于0.8，并在305Hz处达到吸声峰值，峰值大小为0.97，结构尺寸为峰值位置处声波波长的1/70。
从吸声峰值位置来看，实施例3的峰值位置对应的频率最低，在较低频段具有更好的吸声性能。
从吸声带宽来看，实施例1、实施例2和实施例3的吸声带宽分别为307Hz、123Hz和73Hz，因此实施例1的吸声频带较宽。
根据上述数据可以看出，本发明达到的技术效果：
1、最低吸声频率可达305Hz，且吸声系数为0.97，满足低频范围内实现对声波的几乎完全吸收的要求；
2、结构尺寸为峰值位置处声波波长的1/70，满足深亚波长尺度结构低频吸声要求；
3、结构中仅包括环形开槽的橡胶和钢板，满足结构简单、易于加工的要求。
根据本发明环形开槽低频水下吸声深亚波长超结构的上述特点，它实现了深亚波长尺寸结构的低频完美吸声，可以铺设于水下装备表面，实现水下低频减振降噪的需求，具有很广泛的工程应用前景，为水下装备的低频减振降噪问题提供了全新的解决方案。
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 (3)

1.一种环形开槽低频水下吸声深亚波长超结构，其特征在于，包括正方体结构的元胞，元胞的边长为40~60mm，元胞的内部呈同心圆排布设置有多个环形开槽（3），元胞包括厚度为30~50mm的橡胶（1），橡胶（1）下侧与钢板（2）连接，环形开槽（3）设置在橡胶（1）内，钢板（2）的厚度为10~20mm，环形开槽（3）的高度为10~20mm，环形开槽（3）的槽宽为0.5~1.5mm，相邻环形开槽（3）之间的橡胶厚度为1~2mm，多个元胞阵列设置构成环形开槽低频水下吸声深亚波长超结构。
2.根据权利要求1所述的环形开槽低频水下吸声深亚波长超结构，其特征在于，环形开槽（3）在水平方向上位于橡胶（1）的中央，环形开槽（3）在竖直方向位于橡胶（1）的下侧。
3.根据权利要求1所述的环形开槽低频水下吸声深亚波长超结构，其特征在于，环形开槽（3）的数量为6个。
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