CN111696506B - 一种阻尼材料填充开孔泡沫金属型水下吸声复合结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阻尼材料填充开孔泡沫金属型水下吸声复合结构，包括用于承载的开孔泡沫金属骨架，开孔泡沫金属骨架的上表面和下表面分别设置有硬阻尼材料覆盖层，开孔泡沫金属骨架和硬阻尼材料覆盖层构成密封结构，开孔泡沫金属骨架内填充有用于吸声的软阻尼材料。本发明具有优异的力学性能以及良好的水下吸声性能，在设计方面具有更多的可调参数，包括结构参数以及材料参数，可根据实际工况需求进行相应调节，结构简单，易于制造。

Description

一种阻尼材料填充开孔泡沫金属型水下吸声复合结构
技术领域
本发明属于水下吸声复合结构技术领域，具体涉及一种阻尼材料填充开孔泡沫金属型水下吸声复合结构。
背景技术
声波作为目前唯一能够在海洋中远距离传播的能量形式，是完成水下通讯、定位以及搜索等任务的唯一信息载体。故在复杂的海洋环境下，水下吸声材料在军事和民用方面都有非常重要的应用。传统的水下吸声材料大都采用高分子阻尼材料，如橡胶，聚氨酯等。其吸声机理主要以声波在材料内部引起的分子内摩擦以及声波在不同介质界面上的耗能机制为基础。这些材料在水下应用时能起到一定的吸声降噪效果，但同时存在一些缺陷：随着水深的不断增加，压力的增大会使其失去弹性，进而失去吸收振动与噪音的功能。故寻找一种既能承载，又能吸声的水下吸声复合材料是非常有意义和应用价值的。
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，提供一种阻尼材料填充开孔泡沫金属型水下吸声复合结构，解决传统水下吸声结构在深水压下失效的难题，实现了材料的结构功能一体化设计。
本发明采用以下技术方案：
一种阻尼材料填充开孔泡沫金属型水下吸声复合结构，包括用于承载的开孔泡沫金属骨架，开孔泡沫金属骨架的孔隙率为70％～90％，孔隙孔径为5～15mm，开孔泡沫金属骨架的上表面和下表面分别设置有硬阻尼材料覆盖层，开孔泡沫金属骨架和硬阻尼材料覆盖层构成密封结构，开孔泡沫金属骨架内填充有用于吸声的软阻尼材料。
具体的，开孔泡沫金属骨架采用铁，铜或铝金属材料发泡制得，厚度为 30～60mm。
进一步的，开孔泡沫金属骨架的厚度为30～60mm。
具体的，软阻尼材料填充在开孔泡沫金属骨架的空隙处，杨氏模量为 2～10MPa，损耗因子大于0.3。
具体的，硬阻尼材料覆盖层的杨氏模量为30～100MPa。
具体的，硬阻尼材料覆盖层的厚度为1～3mm。
进一步的，水下吸声复合结构的吸声频率为2～20kHz。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种阻尼材料填充开孔泡沫金属型水下吸声复合材料，在开孔泡沫金属中填充阻尼材料，通过泡沫金属骨架与阻尼材料之间不同步的振动来损耗能量达到提高吸声性能的效果。并且由于泡沫金属骨架的存在，使结构具有一定的承载能力，提高了结构的吸声性能和耐水压性能。
进一步的，为了保证阻尼材料在结构中的含量以及结构对静水压的承受能力，泡沫金属的含量控制在70％～90％之间，为了保证结构的力学性能和对声学性能的增强作用，泡沫金属开孔大小在5～15mm之间。
进一步的，开孔泡沫金属骨架材料的选取可以是铝，钢或铜等具有良好力学性能的金属。
进一步的，为了保证结构具有足够的吸声能力，阻尼材料的总厚度为 30～60mm。
进一步的，阻尼材料为橡胶或聚氨酯类粘弹性材料，在结构中起主要吸声作用，各向同性损耗因子为0.3及以上，以保证对声波能量具有足够的损耗能力。
进一步的，在泡沫金属填充阻尼材料后的结构上下表面覆盖一层硬的阻尼材料，以作为密封以及保护金属材料不被腐蚀的作用。
综上所述，本发明具有优异的力学性能以及良好的水下吸声性能，在设计方面具有更多的可调参数，包括结构参数以及材料参数，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为本发明结构示意图，其中，(a)为结构的整体示意图，(b)为结构分解示意图；
图2为纯阻尼材料、泡沫铝填充阻尼材料两种不同结构的吸声系数对比图；
图3为不同阻尼层厚度时结构的吸声系数曲线对比图；
图4为不同元胞大小时结构的吸声系数曲线对比图；
图5为不同泡沫金属材料时结构的吸声系数曲线对比图；
图6为不同阻尼材料模量时结构的吸声系数曲线对比图。
其中：1.开孔泡沫金属骨架；2.软阻尼材料；3.硬阻尼材料覆盖层。
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。
网络互穿结构复合材料的基体与增强相在整个材料中形成各自的三维连续网络并且互相缠绕，该结构可充分发挥各组成相各自的优势，以获得最佳的综合性能。泡沫金属是近年来发展迅速的一种功能型材料，它是由金属基体和相互贯通的孔隙相复合而成，表现出集结构和功能于一身的优良特性。相对于传统的致密金属，泡沫金属在结构上具有很多的优良特性，比如轻质、高比强度、高比刚度、高阻尼等；作为功能材料，它又具有吸/隔声、隔/散热、电磁波屏蔽等优点。
在研究过程中发现，将网络互穿结构复合材料的设计思想引入到水下吸声材料的设计中，将聚氨酯类阻尼材料填充到泡沫金属的孔隙中，形成的复合材料不仅能够具有一定的承载能力，由于泡沫金属骨架散射的作用，吸声性能也得到了一定的提高。
本发明提供了一种阻尼材料填充开孔泡沫金属型水下吸声复合结构，将粘弹性阻尼材料填充入开孔泡沫金属中，然后再在所得结构的上下表面覆盖硬阻尼材料覆盖层，用于对吸声结构进行密封保护。通过将阻尼材料与泡沫金属相复合不仅提高了结构的力学性能，而且对阻尼材料的吸声性能也有很大的提升作用。
请参阅图1，本发明一种阻尼材料填充开孔泡沫金属型水下吸声复合结构，包括起承载作用的开孔泡沫金属骨架1、作为吸声材料的软阻尼材料2和硬阻尼材料覆盖层3，硬阻尼材料覆盖层3分别设置在开孔泡沫金属骨架1的上表面和下表面，能够保证结构的密封性以及保护泡沫金属骨架不被海水腐蚀，软阻尼材料2填充在开孔泡沫金属骨架1内用于吸声。
开孔泡沫金属骨架1由铁，铜或铝金属材料发泡制得，孔隙率为70％～90％，孔隙孔径为5～15mm，厚度为30～60mm。
软阻尼材料2具体为粘弹性材料，如软橡胶或软聚氨酯等，其杨氏模量为 2～10MPa，损耗因子在0.3以上，完全填充开孔泡沫金属骨架1的空隙。
硬阻尼材料覆盖层3具体为粘弹性材料，如硬橡胶或硬聚氨酯等，其杨氏模量为30～100MPa，厚度为1～3mm，覆盖在开孔泡沫金属骨架1的上下表面起保护作用。
本发明一种阻尼材料填充开孔泡沫金属水下吸声复合材料可以实现在 2～20kHz之间具有良好吸声效果，原因在于阻尼材料与开口泡沫金属之间相互渗透，可以看作是一种网络互穿复合材料，两种材料之间不再是简单的叠加，由于泡沫金属的存在，声波下传播到结构表面时引起结构的振动，这时由于声阻抗的不协调，声波在阻尼材料中的传播速度远小于泡沫金属骨架中的传播速度，所以在两种材料的界面附近产生非常强烈的剪切作用，将纵波转化为横波，横波不能从结构中再传播到水中，故在结构中通过不断地散射和反射，最终耗散掉。此外，泡沫金属骨架对声波在阻尼材料中地传播有散射作用，改变声波地传播方向，增加其传播距离。另外，本结构还满足在高静水压下维持吸声性能不发生下降的要求；结构简单、可操作性强。
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。
实施例
实施例用材料：
金属铝：密度2700kg/m3，杨氏模量70GPa，泊松比0.33。
软聚氨酯：密度980kg/m3，杨氏模量6MPa，泊松比0.493，损耗因子为0.5。
硬聚氨酯：密度1100kg/m3，杨氏模量30MPa，泊松比0.490，损耗因子为 0.3。
水：其特征是密度1000kg/m3，声速1500m/s。
实施例的结构尺寸：
仿真计算使用开孔泡沫铝十四面体模型，元胞边长为8mm，泡沫铝骨架直径为2mm，孔隙率为70.1％，泡沫铝厚度为50mm；硬聚氨酯覆盖层上下相同，厚度为2mm.
采用以上材料和结构尺寸进行数值模拟，给出了实施例的结果如下：
本发明的吸声性能请参阅图2，图2对比了纯橡胶结构，泡沫铝填充聚氨酯结构，以及本发明泡沫铝填充聚氨酯内嵌空腔三种不同结构的吸声系数曲线。纯橡胶结构的吸声系数在2kHz～20kHz频率范围内主要集中在0.65左右，而泡沫铝填充聚氨酯后结构的吸声系数可以在6kHz达到0.8以上，开孔泡沫铝在4.6kHz 以下甚至对聚氨酯的吸声性能有抑制的作用。而本发明可以在2kHz～20kHz范围内实现平均吸声系数达到0.80。
此外，采用以上所述方法和材料，为了进一步说明结构尺寸对本发明声学性能的影响规律，对于本发明提供了以下对比例：
对比例1
请参阅图3，为不同泡沫铝填充聚氨酯结构厚度的吸声系数对比。在计算过程中，分别取结构厚度为30mm、40mm和50mm，在此过程中保持其他参数不变。从图中可以看出，阻尼层越厚，结构的吸声系数越高，尤其是低频段。
对比例2
请参阅图4，为不同泡沫铝孔径时结构的吸声系数对比。在计算过程中，分别取泡沫铝孔径为8mm、10mm和12mm，并保持其他参数不变。从图中可以看出，随着开孔直径的增大，第一个峰值会往低频移动，这是因为孔径的增大对内部聚氨酯的约束减弱，柔度增大，固有振动频率降低。同时整体结构的吸声系数会有所下降，这是由于泡沫铝孔径增大导致泡沫铝的含量降低，剪切效应的增强减小。
对比例3
请参阅图5，为不同泡沫金属结构的吸声系数对比。在计算过程中，分别将金属骨架设置为铝，铁和铜。其中铁的特征是密度7850kg/m3，杨氏模量200GPa，泊松比0.27，损耗因子0。铜的特征是密度8960kg/m3，杨氏模量120GPa，泊松比0.34，损耗因子0。从图中可以看出与泡沫铝相比，铜和铁的复合结构的吸声系数会有所提升，这是因为与铝相比，铜和铁的声阻抗更大，与聚氨酯之间的相互作用更加剧烈。
对比例4
请参阅图6，为软聚氨酯的模量不同时结构的吸声系数对比。在计算过程中，分别取软聚氨酯的杨氏模量为2MPa、6MPa和10MPa，并保持其他参数不变。从图中可以看出，随着软聚氨酯模量的增加，吸声曲线的第一个峰值会往高频移动，同时吸声系数会提升，原因是模量变大使得结构的固有振动频率增大，同时模量的增加会使损耗模量同时增大，所以吸声系数会有所提升。
根据上述数据可以看出，本发明达到的技术效果如下：
1、本发明的仿真计算结果在5～20kHz吸声系数均在0.8以上，平均吸声系数达0.8以上，满足一定频段内完美吸声的要求；
2、与传统吸声材料相比，本发明不仅提升了整体吸声性能，而且解决了低频吸声性能较差的问题；
3、结构简单、加工方便；
4、通过改变泡沫金属的材料，孔隙率以及孔径等参数可以改变结构的力学性能和声学性能，适应不同场合下的要求。
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 (4)

1.一种阻尼材料填充开孔泡沫金属型水下吸声复合结构，其特征在于，包括用于承载的开孔泡沫金属骨架（1），开孔泡沫金属骨架（1）的厚度为30~60mm，开孔泡沫金属骨架（1）的孔隙率为70%~90%，孔隙孔径为5~15mm，开孔泡沫金属骨架（1）的上表面和下表面分别设置有硬阻尼材料覆盖层（3），硬阻尼材料覆盖层（3）的杨氏模量为30~100MPa，硬阻尼材料覆盖层（3）的厚度为1~3mm，开孔泡沫金属骨架（1）和硬阻尼材料覆盖层（3）构成密封结构，开孔泡沫金属骨架（1）内填充有用于吸声的软阻尼材料（2），杨氏模量为2~10MPa，损耗因子大于0.3。
2.根据权利要求1所述的阻尼材料填充开孔泡沫金属型水下吸声复合结构，其特征在于，开孔泡沫金属骨架（1）采用铁，铜或铝金属材料发泡制得。
3.根据权利要求1所述的阻尼材料填充开孔泡沫金属型水下吸声复合结构，其特征在于，软阻尼材料（2）填充在开孔泡沫金属骨架（1）的空隙处。
4.根据权利要求1或2或3所述的阻尼材料填充开孔泡沫金属型水下吸声复合结构，其特征在于，水下吸声复合结构的吸声频率为2~20kHz。
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