CN112053671A - 一种粘弹性材料横向隔板分区水下吸声结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粘弹性材料横向隔板分区水下吸声结构，底板上竖直间隔设置有多个壁板，每个壁板的一侧水平设置有多个横向隔板，相邻两个壁板之间构成一个元胞，每个元胞内设置粘弹性材料。本发明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
技术领域
本发明属于水下吸声复合结构技术领域，具体涉及一种粘弹性材料横向隔板分区水下吸声结构。
背景技术
与空气环境下的吸声结构相比，由于水中声速较大以及水粘性较小等原因，水下吸声一直是一个比较困难的问题。水下吸声常采用粘弹性材料，粘弹性材料如橡胶或聚氨酯等由高分子材料组成，在声波的激励下分子链之间相互摩擦从而产生能量损耗。由于低频声波的穿透能力强，所以在吸收低频声波时需要更厚的厚度或在内部引入共振结构，如Alberich型吸声覆盖层在内部引入空腔，利用空腔的谐振提升低频的吸声性能。
但随着声纳的不断发展以及人类探测深度的不断增加，此类材料已经不能满足人类的需要。因此通过结构的设计提升粘弹性材料的声能损耗能力以及实现具有承压能力的水下吸声结构具有重要的工程应用前景。
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，提供一种粘弹性材料横向隔板分区水下吸声结构，通过结构的合理设计解决传统水下吸声结构不耐水压以及宽频吸声性能较差的难题。
本发明采用以下技术方案：
一种粘弹性材料横向隔板分区水下吸声结构，包括底板，底板上竖直间隔设置有多个壁板，每个壁板的一侧水平设置有多个横向隔板，相邻两个壁板之间构成一个元胞，每个元胞内设置粘弹性材料。
具体的，横向隔板的长度相同，或从上至下等距离递增设置。
进一步的，相同横向隔板的长度为0～40mm，不同横向隔板的长度等距离递增设置，且长度不大于元胞宽度。
进一步的，相邻两个横向隔板之间的距离为12.5～16.7mm。
具体的，元胞的宽度为a＝15～50mm。
具体的，壁板、横向隔板和底板的厚度为1～5mm，壁板的高度与粘弹性材料的高度保持一致。
进一步的，壁板、横向隔板和底板采用金属材料或碳纤维/玻璃纤维复合材料制得。
具体的，粘弹性材料的密度为500～1000kg/m3。
具体的，粘弹性材料的横波声速为200～1200m/s，横波损耗因子为0.01～0.09；纵波声速为30～300m/s，纵波损耗因子大于0.7。
具体的，粘弹性材料横向隔板分区水下吸声结构的整体厚度为30～60mm。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种粘弹性材料横向隔板分区水下吸声结构，在粘弹性材料中引入壁板，壁板与底部连接，并在壁板上连接有横向隔板，隔板不会因声波而振动。粘弹性材料在声波的激励下发生振动，由于隔板的存在，靠近隔板的材料振动受到约束，而远离隔板的材料振动相对比较剧烈，从而在粘弹性材料中产生很强的剪切作用。由于粘弹性材料的剪切损耗远大于压缩损耗，所以可以大幅度提升粘弹性材料的声波损耗能力。另一方面，隔板与底板连接，使得结构具有一定的承载能力，进一步改善了结构的耐水压能力，隔板在粘弹性材料中周期性排布。
进一步的，横向隔板长度相同制作方便。
进一步的，横向隔板长度上至下等距离递增长度的梯度设置有利于声波传到下层，有利于粘弹性材料的充分利用。
进一步的，相邻两个横向隔板间距设置为整体厚度的1/3，这与粘弹性材料的粘性有关，也利于加工，取其他方式等分也可。
进一步的，元胞宽度选取与粘弹性材料的参数相关，两者之间相互配合从而实现良好的吸声性能。
进一步的，壁板、横向隔板和底板厚度为1～5mm，可以保证隔板的刚度使隔板不随粘弹性材料一起振动。
进一步的，为了保证隔板与粘弹性材料之间的声阻抗失配，并且具有一定的承载能力，隔板选取可以为钢、铝等金属或碳纤维及玻璃纤维等复合材料。
进一步的，阻尼材料为聚氨酯类粘弹性材料，在结构中起主要吸声作用，剪切波损耗因子为0.6及以上，以保证对声波能量具有足够的损耗能力。
进一步的，为了使粘弹性材料中声波的损耗最大化，更好的实现对声波的吸收，提高结构的吸声性能，隔板的形状进行了改变。通过改变横向隔板的数量以及长度，改变了声波的传播方向增加了粘弹性结构的有效厚度。
进一步的，为了保证结构具有足够的吸声能力，粘弹性材料横向隔板分区水下吸声结构的总厚度为15～50mm。
综上所述，本发明一种粘弹性材料横向隔板分区水下吸声结构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)为一种横向隔板结构，(b)为另一种横向隔板结构；
图2为几种对比结构单胞二维示意图，其中，(a)为等厚度均匀粘弹性材料，(b)为元胞壁固定的粘弹性材料，(c)为一种带有横向隔板的粘弹性材料，其中隔板的长度一致，(d)为设置了三条不同长度的横向隔板，隔板由上到下越来越长三条隔板之间距离相等；
图3为本发明吸声结构与等厚度均匀粘弹性材料的吸声系数曲线对比。
其中：1.隔板；2.粘弹性材料；3.横向隔板；4.底板。
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。
本发明提供了一种粘弹性材料横向隔板分区水下吸声结构，将金属或碳纤维/玻璃纤维复合材料隔板插入橡胶与和底板相连的纵向壁板固定，并将聚氨酯等粘弹性材料填充其中凝固。所形成的新结构不仅具有良好的力学性能，而且横向隔板对粘弹性材料的吸声性能有很大的提升作用。通过改变横向隔板的长度以及数量可以实现不同频率范围的良好吸声。从而实现了一种既能承载，又具有宽频吸声效果的水下吸声结构。
请参阅图1，本发明一种粘弹性材料横向隔板分区水下吸声结构，包括壁板1、粘弹性材料2、横向隔板3和底板4，壁板1包括多个，竖直间隔设置在底板4上，每个壁板1的一侧水平设置有横向隔板3，相邻两个壁板1之间构成一个元胞，每个元胞内设置粘弹性材料2构成天线形隔板填充粘弹性材料水下吸声结构，壁板1、横向隔板3和底板4起到承载作用和提升粘弹性材料吸声性能的作用，粘弹性材料2作为吸声材料用于吸收声波能量。
横向隔板3包括多个，从上至下平行设置，横向隔板3的长度相同或横向隔板3的长度从上至下依次等距离递增设置。
等宽横向隔板3的长度为0～40mm，不大于元胞宽度，横向隔板3的长度从上至下等距离递增设置，相邻两个横向隔板之间的距离为12.5～16.7mm。
元胞的宽度为a＝15～50mm。
壁板1、横向隔板3和底板4采用铁，铝等金属材料或碳纤维/玻璃纤维复合材料制得，为保证一定的承载能力和重量等要求，壁板1、横向隔板3和底板4的厚度为1～5mm，壁板1的高度与粘弹性材料2的高度保持一致。
粘弹性材料2包括聚氨酯，密度为500～1000kg/m3；横波声速为200～1200m/s，横波损耗因子为0.01～0.09；纵波声速为30～300m/s，纵波损耗因子在0.7以上。
粘弹性材料横向隔板分区水下吸声结构的整体厚度为20～50mm。
本发明一种粘弹性材料横向隔板分区水下吸声结构可以实现2～20kHz之间具有良好吸声效果，相对于相同厚度的粘弹性材料，吸声性能得到了大幅度提升。原因在于考虑隔板与粘弹性材料之间为理想连接，即两种材料之间不发生相对位移。当声波传播到结构表面时，由于隔板与底板连接，不发生移动，粘弹性材料在振动的时候振动的不协调导致内部存在很大的剪切作用，从而将声波能量损耗掉。当把隔板做成图1(a)的样子时，两条横向隔板等距排列将粘弹性材料中隔开成不同的区域，从而吸声性能得到进一步提升。图1(b)使用三条长度的横向隔板，形成一定的梯度使声波可以更多的传入结构中。
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1
实施例用材料：
金属钢：其特征是密度7850kg/m3，杨氏模量205GPa，泊松比0.28。
粘弹性材料：其特征是密度900kg/m3，纵波波速900m/s，纵波损耗因子为0.09，横波波速为100m/s，横波损耗因子为0.9。
水：其特征是密度1000kg/m3，声速1500m/s。
实施例与对比例的结构尺寸：
请参阅图2，(a)为等厚度均匀粘弹性材料，(b)为元胞壁固定的粘弹性材料，(c)为一种带有横向隔板的粘弹性材料，横向隔板的长度一致，(d)设置了三条不同长度的横向隔板，横向隔板由上到下越来越长三条隔板之间距离相等。为了保证对照的客观性，实施例与对比例的厚度h保持一致为h＝50mm，元胞的宽度为a＝30mm。隔板厚度t＝1mm，(c)中横向隔板的长度为b＝15mm，横向隔板之间相隔距离h1＝16.7mm；对于第二种结构(d)中横向隔板的长度分别为b1＝7.5mm，b2＝15mm，b3＝22.5mm；横向隔板之间等间距为h2＝12.5mm。
实施例2
实施例用材料：
金属钢：其特征是密度7850kg/m3，杨氏模量205GPa，泊松比0.28。
粘弹性材料：其特征是密度900kg/m3，纵波波速1200m/s，纵波损耗因子为0.2，横波波速为120m/s，横波损耗因子为0.9。
水：其特征是密度1000kg/m3，声速1500m/s。
实施例与对比例的结构尺寸：
请参阅图2，(a)为等厚度均匀粘弹性材料对比例，(b)为元胞壁固定的粘弹性材料，(c)为一种带有横向隔板的粘弹性材料，横向隔板的长度一致，(d)设置了三条不同长度的横向隔板，横向隔板由上到下越来越长三条隔板之间距离相等。为了保证对照的客观性，实施例与对比例的厚度h保持一致为h＝50mm，元胞的宽度为a＝50mm。隔板厚度t＝1mm，(c)中横向隔板的长度为b＝25mm，横向隔板之间相隔距离h1＝16.7mm；对于第二种结构(d)中横向隔板的长度分别为b1＝12.5mm，b2＝25mm，b3＝37.5mm；横向隔板之间等间距为h2＝12.5mm。
实施例3
实施例用材料：
金属钢：其特征是密度7850kg/m3，杨氏模量205GPa，泊松比0.28。
粘弹性材料：其特征是密度800kg/m3，纵波波速800m/s，纵波损耗因子为0.2，横波波速为100m/s，横波损耗因子为0.9。
水：其特征是密度1000kg/m3，声速1500m/s。
实施例与对比例的结构尺寸：
请参阅图2，(a)为等厚度均匀粘弹性材料对比例，(b)为元胞壁固定的粘弹性材料，(c)为一种带有横向隔板的粘弹性材料，横向隔板的长度一致，(d)设置了三条不同长度的横向隔板，横向隔板由上到下越来越长三条隔板之间距离相等。为了保证对照的客观性，实施例与对比例的厚度h保持一致为h＝40mm，元胞的宽度为a＝15mm。隔板厚度t＝1mm，(c)中横向隔板的长度为b＝7.5mm，横向隔板之间相隔距离h1＝13.3mm；对于第二种结构(d)中横向隔板的长度分别为b1＝3.75mm，b2＝7.5mm，b3＝11.25mm；横向隔板之间等间距为h2＝10mm。
采用以上材料和结构尺寸进行数值模拟，给出了实施例和对比例的吸声系数对比如下：
计算了0～10000Hz之间四种结构的吸声系数，请参阅图3，黑实线表示等厚度均匀粘弹性材料的吸声系数，划线表示带有元胞壁面固定的吸声系数，点线和点划线分别代表两种粘弹性材料横向隔板分区水下吸声结构的吸声系数，从凸显中可以看出，相对于等厚度粘弹性材料，本发明所提出的吸声结构在0～10000Hz内都有大幅度的提升。新结构的吸声系数在1000Hz以上时均达到0.5以上。并且通过改变横向隔板的数量、长度以及间隔距离时，由于改变了粘弹性材料的不同分部方式，故吸声系数发生移动，实施例2和3的吸声系数结果如图3(b)和(c)所示，在参数取值范围内通过隔板与粘弹性材料之间的相互配合，均可实现对粘弹性材料水下吸声性能的大幅度提升。。
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1kHz～100kHz吸声系数均在0.5以上，平均吸声系数达0.7以上，满足一定频段内吸声的要求；
2、结构简单、加工方便；
3、通过改变隔板的材料和厚度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。
综上所述，本发明一种粘弹性材料横向隔板分区水下吸声结构，可用于制造水下非耐压结构或一些承载结构，具有很广泛的工程应用前景。
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 (10)
1.一种粘弹性材料横向隔板分区水下吸声结构，其特征在于，包括底板(4)，底板(4)上竖直间隔设置有多个壁板(1)，每个壁板(1)的一侧水平设置有多个横向隔板(3)，相邻两个壁板(1)之间构成一个元胞，每个元胞内设置粘弹性材料(2)。
2.根据权利要求1所述的粘弹性材料横向隔板分区水下吸声结构，其特征在于，横向隔板(3)的长度相同，或从上至下等距离递增设置。
3.根据权利要求2所述的粘弹性材料横向隔板分区水下吸声结构，其特征在于，相同横向隔板(3)的长度为0～40mm，不同横向隔板(3)的长度等距离递增设置，且长度不大于元胞宽度。
4.根据权利要求1或2或3所述的粘弹性材料横向隔板分区水下吸声结构，其特征在于，相邻两个横向隔板(3)之间的距离为12.5～16.7mm。
5.根据权利要求1所述的粘弹性材料横向隔板分区水下吸声结构，其特征在于，元胞的宽度为a＝15～50mm。
6.根据权利要求1所述的粘弹性材料横向隔板分区水下吸声结构，其特征在于，壁板(1)、横向隔板(3)和底板(4)的厚度为1～5mm，壁板(1)的高度与粘弹性材料(2)的高度保持一致。
7.根据权利要求6所述的粘弹性材料横向隔板分区水下吸声结构，其特征在于，壁板(1)、横向隔板(3)和底板(4)采用金属材料或碳纤维/玻璃纤维复合材料制得。
8.根据权利要求1所述的粘弹性材料横向隔板分区水下吸声结构，其特征在于，粘弹性材料(2)的密度为500～1000kg/m3。
9.根据权利要求1所述的粘弹性材料横向隔板分区水下吸声结构，其特征在于，粘弹性材料(2)的横波声速为200～1200m/s，横波损耗因子为0.01～0.09；纵波声速为30～300m/s，纵波损耗因子大于0.7。
10.根据权利要求1所述的粘弹性材料横向隔板分区水下吸声结构，其特征在于，粘弹性材料横向隔板分区水下吸声结构的整体厚度为30～60mm。
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2020
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