CN111890741B - 一种基于新型孔腔的水下吸声超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于优化孔腔的水下吸声超材料，所述水下吸声超材料包括周期性排布的元胞单元，元胞由纤维增强树脂面板、粘弹性聚合物层和优化孔腔组合三个部分组成。三块纤维增强树脂面板将元胞沿声部入射传播方向分割为高度不同的上下两层，两层内部均填充粘弹性聚合物，优化孔腔组合包括两个独立孔腔，分别位于两层粘弹性聚合物内部。所述水下吸声超材料的孔腔采用曲线优化型的外形实现低频宽带吸声，并采用纤维增强树脂面板增强耐水压能力，可以应用于两端均为水背衬的条件，克服传统含孔腔聚合物需要贴覆于刚制外壳材料上使用的局限性，为水下吸声材料提供了新的选择。本发明具有结构简单、原材料易得、制备工艺成熟，孔腔几何参数可设计性强等特点，满足轻质和低频宽带吸声的一体化需求，在水下装备的吸声蒙皮或者减振降噪材料等领域具有广泛的用途。
Description
技术领域
本发明属于水下吸声技术领域，具体涉及一种基于新型孔腔的水下吸声超材料。
背景技术
水下声学探测与隐身一直是水声工程领域面临的重要技术问题。随着水声探测技术及设备的不断发展，其主动、被动探测频率不断向低频发展，从而具备远距离的探测威胁，这就迫切需要提升水下装备的减振降噪及低频声波隐身能力。内嵌周期性分布孔腔的阻尼聚合物材料在水下吸声材料领域有广泛的研究与应用，包括谐振型和非谐振型两种，通常敷设在水下装备的钢外壳上吸收水下声波。
谐振型吸声结构通常分为若干层，每一层的孔腔大小和分布均不一样，以实现整体的吸声频宽，以Alberich型结构最为典型，其在聚合物材料内部分布有周期性的圆柱形孔腔。Alberich型结构遵循了阻抗匹配的原理，聚合物采用特性阻抗与水相近的橡胶或者聚氨酯以实现阻抗匹配，使得声波能够最大限度的进入吸声材料内部，进而被吸收。在吸声机理方面，包括粘弹性聚合物内部阻性吸收，孔腔边界散射增加传播路径，孔腔表面波形转换将入射纵声波转化为损耗更强的剪切波，孔腔上沿的阻尼层鼓状振动以及孔腔径向谐振吸声等。由于谐振频率与孔腔的尺度(近似于体积的立方根)成反比，因此低频吸声往往需要大尺度的孔腔才能实现，而圆柱孔腔也存在共振吸声频率较窄的缺点。非谐振型吸声结构的典型孔腔形状为细长“倒喇叭”形状，沿入射声波在厚度上的传播，其孔腔内径逐渐增大，兼具阻抗渐变和谐振的优点，能够较为有效的拓宽声波吸收频带。但“倒喇叭”孔腔的吸声结构在其第一吸收峰之后会出现一个较宽的吸声谷区，导致吸声系数迅速下降，不利于宽频带的高效吸声。
Alberich型吸声结构和“倒喇叭”型吸声结构都能实现较好的低频吸声，但仍然需要探索新型的低频宽带强吸声结构，并且以往的研究通常只考虑将吸声结构贴敷于钢质衬板上使用，即钢背衬的使用条件，较少考虑静水压力对吸声结构变形及声学性能变化的影响；同时，也忽略了其在两端均为水背衬条件下的应用的可行性，从而限制了其在水下装备更多结构部位发挥作用。
发明内容
本发明的目的是解决传统含孔腔聚合物高静水压下易变形导致声学性能下降的技术问题，且希望能突破传统孔腔型吸声聚合物需要贴敷于钢板表面使用的局限性。
为解决上述技术问题达到相应的目的，本发明提供一种基于新型孔腔的水下吸声超材料，技术方案如下：
一种基于新型孔腔的水下吸声超材料，由周期性排布的元胞单元组成，所述元胞单元包括三块纤维增强树脂面板、粘弹性聚合物层、曲线优化型孔腔；三块纤维增强树脂面板将元胞沿声部入射传播方向分割为高度不同的上下两层，两层内部均填充粘弹性聚合物构成包含孔腔的粘弹性聚合物层；
其中，曲线优化型孔腔为孔腔组合，由两个独立的上层孔腔和下层孔腔构成，分别位于两层粘弹性聚合物层内部；
曲线优化型孔腔组合中的两个孔腔的外形分别呈现中心轴对称曲线变化，在水平方向上位于元胞的中心，并且孔腔的底面与纤维增强树脂面板直接连接；
上层孔腔的高度为20～24mm，孔腔直径在2～6mm之间变化，沿声波入射及传播方向，孔腔直径呈现逐步增加的趋势；
下层孔腔的高度为28～32mm，孔腔直径在6～20mm之间变化。
进一步的，元胞的周期分布成正方形，周期大小为40～50mm，元胞总厚度为55～70mm。
进一步的，纤维增强树脂面板的厚度为2～3mm，采用连续玻璃纤维增强树脂材料或者连续碳纤维增强树脂材料制成。
进一步的，上层粘弹性聚合物层的厚度为23～28mm，下层粘弹性聚合物层的厚度为35～40mm。
进一步的，粘弹性聚合物采用改性橡胶或改性聚氨酯制成，弹性模量为25～35MPa，各向同性损耗因子大于等于0.45。
此外，本发明还给出了一种制备基于新型孔腔的水下吸声超材料的方法，包括如下步骤：
步骤1、通过机加工或者3D打印的方式加工得到树脂基或者金属基的孔腔模具及粘弹性聚合物浇注模具；
步骤2、将改性聚合物浇注至模具内，经室温固化后脱模，得到两层独立的内嵌孔腔的固态粘弹性聚合物；
步骤3、用树脂将纤维增强树脂基面板、固态粘弹性聚合物粘接成整体，即完成水下吸声超材料的制备。
本发明的有效收益如下：
1.本发明提出的一种基于新型孔腔的水下吸声超材料，采用曲线优化型的孔腔组合实现低频宽带吸声，并采用纤维增强树脂面板增强耐水压能力，可以应用于两端均为水背衬的条件，克服了传统含孔腔聚合物需要贴覆于刚制外壳材料上使用的局限性，为水下吸声材料提供新的选择。经参数优化后，本发明提出的水下吸声超材料在3～10kHz频段内的吸收率均高于0.8，且1～3kHz频段内的平均吸收率高于0.5。
2.本发明提出的一种基于新型孔腔的水下吸声超材料，元胞结构简单、原材料易得、制备工艺成熟，孔腔几何参数可设计性强，可以灵活调整水下吸声超材料的声学性能和力学性能，满足轻质和低频宽带吸声的一体化需求。
附图说明
图1为本发明吸声结构元胞示意图；
图2为本发明元胞结构分解图；
其中：1-上层纤维增强树脂面板；2-中层纤维增强树脂面板；3-底层纤维增强树脂面板；4-上层粘弹性聚合物层；5-下层粘弹性聚合物层；6-上层孔腔；7-下层孔腔；
图3为本发明实施例1中水下吸声超材料在1～10kHz的吸收、反射透射率；
图4为本发明实施例1中水下吸声超材料与不含纤维增强树脂面板时吸声系数的对比；
图5为本发明实施例2中水下吸声超材料在1～10kHz的吸收、反射透射率；
图6为本发明实施例2中水下吸声超材料与不含纤维增强树脂面板时吸声系数的对比；
图7为本发明实施例2中水下吸声超材料在1MPa水压下的位移分布情况。
具体实施方式
本发明旨在提供一种基于新型孔腔的水下吸声超材料，通过曲线优化型的孔腔组合结构实现低频宽带吸声，同时采用纤维增强树脂面板增强了耐水压能力，从而可以应用于两端均为水背衬的条件。
为了更好地理解本发明，下面结合附图及实施例对本发明进行详细的解释和说明。
本发明提供一种基于新型新型孔腔的水下吸声超材料，包括周期性排布的元胞单元，元胞的结构组成图如图1所示。元胞由纤维增强树脂面板、粘弹性聚合物层和曲线优化型孔腔组合三个部分组成。三块纤维增强树脂面板将元胞沿声部入射传播方向分割为高度不同的上下两层，两层内部均填充粘弹性聚合物，曲线优化型孔腔组合包括两个独立孔腔，分别位于两层粘弹性聚合物内部。
元胞的周期分布成正方形，周期大小为40～50mm，元胞总厚度为55～70mm。考虑到孔腔的轴对称外形，元胞呈现正方形分布有利于保持单元结构及其吸声性能的对称性。事实上元胞采用其他周期分布形状也能实现本发明，但周期分布成正方形会收到更好的效果。
这里，纤维增强树脂面板1、2、3的厚度为2～3mm，采用连续玻璃纤维增强树脂材料或者连续碳纤维增强树脂材料制成。上层粘弹性聚合物层4的厚度为23～28mm，下层粘弹性聚合物层5的厚度为35～40mm。粘弹性聚合物采用改性橡胶或改性聚氨酯制成，弹性模量为25～35MPa，各向同性损耗因子大于等于0.45。
曲线优化型孔腔的上层孔腔6的高度为20～24mm，孔腔直径在2～6mm之间变化，沿声波入射及传播方向，孔腔直径呈现逐步增加的趋势，使得上层聚合物的阻抗逐渐变化，有利于声波向超材料内部传播并不断被消耗。
曲线优化型孔腔的下层孔腔7的高度为28～32mm，孔腔直径在6～20mm之间变化，沿声波入射及传播方向，孔腔直径呈现多层次的变化，主要是用于实现低频宽带的吸声。
本发明采用上层孔腔较小、下层孔腔较大的孔腔组合形式，可以实现吸声粘弹性聚合物内部的阻抗梯度变化并增加孔腔对声波的散射、波形转换作用，孔腔组合中的两个孔腔的外形分别呈现中心轴对称曲线变化，在水平方向上位于元胞的中心，并且孔腔的底面与纤维增强树脂面板直接连接，更利于吸声超材料的制备。
本发明采用具有较好刚性的纤维增强树脂面板，可以使水的压力载荷较为均为的作用于元胞上，从而避免了纯聚合物元胞在高水压下被压塌的情况。
同时，本发明给出一种水下吸声超材料的制备方法，首先通过机加工或者3D打印的方式加工得到树脂基或者金属基的孔腔模具及粘弹性聚合物浇注模具，其次将改性聚合物浇注至模具内，经室温固化后脱模，得到两层独立的内嵌孔腔的固态粘弹性聚合物，最后用树脂将纤维增强树脂基面板、固态粘弹性聚合物粘接成整体，即得到本发明的水下吸声超材料。
现有技术中，含孔腔吸声聚合物的孔腔形式较为固定，通常为圆柱形、锥形或者喇叭型孔腔，低频宽带吸声性能存在一定局限，并且传统聚合物需要贴敷在钢质外壳表面使用。本发明提出的水下吸声超材料，采用曲线优化型的孔腔组合实现低频宽带吸声，并采用纤维增强树脂面板增强耐水压能力，可以应用于两端均为水背衬的条件，为水下吸声材料提供新的选择。
本发明提出的水下吸声超材料结构简单、原料易得、制备工艺成熟，孔腔几何参数可设计性强，因此实施可行性高。下面给出利用本发明具体实施的两个例子。
实施例1
元胞边长50mm，厚度70mm，各层纤维增强树脂面板的厚度均为2mm，纤维增强树脂面板为玻璃纤维增强树脂材料，其弹性模量为18GPa，泊松比0.15，密度为1700g/cm3。上层和下层粘弹性聚合物的厚度分别为26mm和38mm，粘弹性聚合物采用改性聚氨酯，密度为960kg/m3，杨氏模量为30MPa，泊松比0.49，等效各向同性损耗因子为0.5。组合孔腔中，位于上层的孔腔底部半径为6mm，高度22mm，孔腔半径随高度变化在2～6mm之间变化；下层孔腔的半径为20mm，高度32mm，孔腔半径随高度变化在8～20mm之间变化。水特征密度为1000kg/m3，声速1500m/s。水下吸声超材料的制备过程，首先通过机加工方式加工得到聚四氟孔腔模具及粘弹性聚合物浇注模具，其次将改性聚合物浇注至模具内，经室温固化后脱模，得到两层独立的内嵌孔腔的固态粘弹性聚合物，最后用树脂将纤维增强树脂基面板、固态粘弹性聚合物粘接成整体，即得到本发明的水下吸声超材料。
通过有限元方法分析了周期性元胞结构在声波入射端和出射端均为水背衬环境下的声学性能。图2是实施例1中水下吸声超材料在1～10kHz的吸收、反射和透射率。可以看出，在3～10kHz频率范围内声波吸收率均大于0.8，并且1～3kHz频率范围内的平均吸收系数也达到了0.51，说明具有良好的低频宽带吸声效果。图3是实施例1中水下吸声超材料与不含纤维增强树脂面板时吸声系数的对比，可以看出，不含纤维增强树脂面板时材料在3～10kHz频率范围内声波吸收率也均大于0.8，但在1～3kHz频率范围内的平均吸收系数达到了0.63，明显高于本发明提出的含纤维增强树脂面板的水下吸声超材料，说明高模量纤维增强树脂面板对1～2kHz内的吸收有抑制的效果，不利于低频吸声，但对2～10kHz频率范围内的吸声效果影响不大。纤维增强树脂面板层有利于增加水下吸声超材料的耐水压能力，综合而言，本发明提出的水下吸声超材料具有良好的低频宽带吸声性能。
实施例2
元胞边长48mm，厚度68mm，各层纤维增强树脂面板的厚度均为2mm，纤维增强树脂面板为碳纤维增强树脂材料，其弹性模量为80GPa，泊松比0.15，密度为1200g/cm3。上层和下层粘弹性聚合物的厚度分别为24mm和38mm，粘弹性聚合物采用改性聚氨酯，密度为1100kg/m3，杨氏模量为35MPa，泊松比0.49，等效各向同性损耗因子为0.45。组合孔腔中，位于上层的孔腔底部半径为7mm，高度20mm，孔腔半径随高度变化在1～7mm之间变化；下层孔腔的半径为22mm，高度30mm，孔腔半径随高度变化在7～22mm之间变化。水特征密度为1000kg/m3，声速1500m/s。水下吸声超材料的制备过程，首先通过3D打印的方式加工热固性塑料的孔腔模具及粘弹性聚合物浇注模具，其次将改性聚合物浇注至模具内，经室温固化后脱模，得到两层独立的内嵌孔腔的固态粘弹性聚合物，最后用树脂将纤维增强树脂基面板、固态粘弹性聚合物粘接成整体，即得到本发明的水下吸声超材料。
通过有限元方法分析了周期性元胞结构在声波入射端和出射端均为水背衬环境下的声学性能。图4是实施例2中水下吸声超材料在1～10kHz的吸收、反射和透射率。可以看出，在3～10kHz频率范围内声波吸收率均大于0.8，1～3kHz频率范围内的平均吸收系数为0.42，具有良好的低频宽带吸声效果。图5是实施例2中水下吸声超材料与不含纤维增强树脂面板时吸声系数的对比，可以看出，不含纤维增强树脂面板时材料在3～10kHz频率范围内声波吸收率也均大于0.8，但在1～3kHz频率范围内的平均吸收系数为0.61，明显高于本发明提出的含纤维增强树脂面板的水下吸声超材料。对比实施例1，碳纤维增强树脂面板的模量比玻璃纤维增强树脂面板的模量要更高，对1～2kHz内的吸收效果的抑制也更强，不利于低频吸声，但对2～10kHz频率范围内的吸声效果同样影响不大。图6为实施例2中水下吸声超材料在1MPa静水压力下的元胞中心线上位移的变化情况，由于元胞的对称性，位移也呈现对称分布，可以看出，最大的位移量在中心位置，位移量为3.46mm，相对于整个元胞的厚度68mm，变形率为5.08％，变形较小。由于高模量碳纤维增强树脂面板的存在，使得元胞的整体位移量较小，且位移分布较为均衡，避免了纯聚合物结构在高水压下被压塌的风险，说明纤维增强树脂面板层有利于增加水下吸声超材料的耐水压能力。综合而言，本发明提出的水下吸声超材料具有良好的耐水压与低频宽带吸声一体化性能。
Claims (6)
1.一种基于新型孔腔的水下吸声超材料，由周期性排布的元胞单元组成，所述元胞单元包括三块纤维增强树脂面板、粘弹性聚合物层、孔腔；三块纤维增强树脂面板将元胞沿声部入射传播方向分割为高度不同的上下两层，两层内部均填充粘弹性聚合物构成上层粘弹性聚合物层和下层粘弹性聚合物层；其特征在于：
所述孔腔为曲线优化型孔腔组合，由两个独立的上层孔腔和下层孔腔构成，分别位于两层粘弹性聚合物层内部；
所述曲线优化型孔腔组合中的两个孔腔的外形分别呈现中心轴对称曲线变化，在水平方向上位于元胞的中心，并且孔腔的底面与纤维增强树脂面板直接连接；
所述上层孔腔的高度为20~24mm，孔腔直径在2~6mm之间变化，沿声波入射及传播方向，孔腔直径呈现逐步增加的趋势；
所述下层孔腔的高度为28~32mm，孔腔直径在6~20mm之间变化。
2.根据权利要求1所述的一种基于新型孔腔的水下吸声超材料，其特征在于：每个元胞的周期分布呈现正方形，元胞的周期大小为40~50mm，元胞总厚度为55~70mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于新型孔腔的水下吸声超材料，其特征在于：所述纤维增强树脂面板的厚度为2~3mm，采用连续玻璃纤维增强树脂材料或者连续碳纤维增强树脂材料制成。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于新型孔腔的水下吸声超材料，其特征在于：所述上层粘弹性聚合物层的厚度为23~28mm，下层粘弹性聚合物层的厚度为35~40mm。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于新型孔腔的水下吸声超材料，其特征在于：所述粘弹性聚合物采用改性橡胶或改性聚氨酯制成，弹性模量为25~35MPa，各向同性损耗因子大于等于0.45。
6.制备如权利要求1或2所述的水下吸声超材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、通过机加工或者3D打印的方式加工得到树脂基或者金属基的孔腔模具及粘弹性聚合物浇注模具；
步骤2、将改性聚合物浇注至模具内，经室温固化后脱模，得到两层独立的内嵌孔腔的固态粘弹性聚合物；
步骤3、用树脂将纤维增强树脂基面板、固态粘弹性聚合物粘接成整体，即完成水下吸声超材料的制备。
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