CN112071295A

CN112071295A - 一种隔板填充粘弹性材料水下吸声结构

Info

Publication number: CN112071295A
Application number: CN202010931078.0A
Authority: CN
Inventors: 辛锋先; 卢天健; 于晨磊; 段明宇
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics; Xian Jiaotong University
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics; Xian Jiaotong University
Priority date: 2020-09-07
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2020-12-11

Abstract

本发明公开了一种隔板填充粘弹性材料水下吸声结构，包括底板，底板上竖直间隔设置有多个隔板，相邻两个隔板与底板构成一个元胞，每个元胞内设置有粘弹性材料。本发明一种隔板填充粘弹性材料水下吸声结构可以很大程度提高粘弹性材料的吸声性能。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

一种隔板填充粘弹性材料水下吸声结构

技术领域

本发明属于水下吸声复合结构技术领域，具体涉及一种隔板填充粘弹性材料水下吸声结构。

背景技术

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。

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，提供一种隔板填充粘弹性材料水下吸声结构，通过结构的合理设计提高粘弹性材料水下吸声性能，解决了粘弹性材料宽频吸声性能较差的难题。

本发明采用以下技术方案：

一种隔板填充粘弹性材料水下吸声结构，包括底板，底板上竖直间隔设置有多个隔板，相邻两个隔板与底板构成一个元胞，每个元胞内设置有粘弹性材料。

具体的，底板和隔板的厚度为1～5mm，底板的高度与粘弹性材料的高度相同。

具体的，每个元胞的宽度为10～20mm。

具体的，粘弹性材料为聚氨酯类粘弹性材料，密度为800～1400kg/m³。

具体的，粘弹性材料的横波声速为500～2000m/s，横波损耗因子为0.01～0.1；纵波声速为30～500m/s，纵波损耗因子大于0.5。

具体的，底板和隔板采用金属材料或碳纤维/玻璃纤维复合材料制得。

具体的，隔板填充粘弹性材料水下吸声结构的厚度为30～60mm。

进一步的，隔板填充粘弹性材料水下吸声结构在2～100kHz的吸声系数大于0.8，平均吸声系数大于0.9。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种隔板填充粘弹性材料水下吸声结构，隔板与底板连接，隔板单元之间相距适当的距离，在隔板与隔板之间填充粘弹性水下吸声材料。由于隔板与底板相连，并且钢性较大，故假设隔板不会因声波的扰动而振动。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。

进一步的，隔板厚度为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，元胞的宽度的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，粘弹性材料的密度为800～1400kg/m³，采用聚氨酯类粘弹性材料，在结构中起主要吸声作用。

进一步的，粘弹性材料横波损耗因子为0.5及以上，以保证粘弹性材料与钢板之间有足够的粘滞作用，对声波能量具有足够的损耗能力。

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，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20～50mm。

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，隔板可以做成倾斜的形状，倾斜角度为60°～90°。

综上所述，本发明一种隔板填充粘弹性材料水下吸声结构可以很大程度提高粘弹性材料的吸声性能。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为本发明水下吸声结构的示意图；

图2为三种不同的倾角结构，其中，(a)为竖直隔板，(b)为平行倾斜隔板，(c)为对称倾斜隔板；

图3为本发明水下吸声结构三个实施例的吸声系数示意图。

其中：1.底板；2.粘弹性材料；3.隔板。

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。

本发明提供了一种隔板填充粘弹性材料水下吸声结构，采用金属或碳纤维/玻璃纤维复合材料隔板与底板相连固定，并将聚氨酯或橡胶等粘弹性材料填充到隔板所形成的空间中凝固。最终形成的结构相较于相同厚度的粘弹性材料，吸声性能得到了大幅度的提高，在很宽的频带范围内实现吸声系数大于0.8。并且所形成的结构在静水压下具有不变形的能力，从而实现了一种既能抗静水压，又具有宽频吸声效果的水下吸声结构。

请参阅图1和图2，本发明一种隔板填充粘弹性材料水下吸声结构，包括底板1和隔板3，隔板3包括多个，竖直间隔设置在底板1上，相邻两个隔板3与底板1构成一个元胞，每个元胞内设置粘弹性材料2构成隔板填充粘弹性材料水下吸声结构，隔板3和底板1起承载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。

其中，每个元胞的宽度为10～20mm。

底板1和隔板3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，底板1和隔板3的厚度为1～5mm，高度与粘弹性材料2保持一致。

粘弹性材料2的密度为800～1400kg/m³；横波声速为500～2000m/s，横波损耗因子为0.01～0.2；纵波声速为30～500m/s，纵波损耗因子在0.5以上。

水下吸声结构的整体厚度为30～60mm。

本发明一种隔板填充粘弹性材料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3与粘弹性材料2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。另外，本结构还满足在高静水压下维持吸声性能不易发生下降的要求；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：

金属钢：在仿真计算中按照刚性处理。

粘弹性材料1：其特征是密度900kg/m³，纵波波速1000m/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：

对照例为等厚度的均匀橡胶材料，为了保证对照的客观性，材料参数与实施例保持一致。请参阅图2，三种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＝15mm。隔板厚度t＝1mm，(b)和(c)设置隔板倾角为79°，并且为对称和阵列两种不同形式。

实施例2

实施例用材料：

金属钢：在仿真计算中按照刚性处理。

粘弹性材料2：其特征是密度1000kg/m³，纵波波速1200m/s，纵波损耗因子为0.15，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：

对照例为等厚度的均匀橡胶材料，为了保证对照的客观性，材料参数与实施例保持一致。请参阅图2，三种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＝20mm。隔板厚度t＝1mm，(b)和(c)设置隔板倾角为83°，并且为对称和阵列两种不同形式。

实施例3

实施例用材料：

金属钢：在仿真计算中按照刚性处理。

粘弹性材料3：其特征是密度800kg/m³，纵波波速600m/s，纵波损耗因子为0.15，横波波速为80m/s，横波损耗因子为0.8。

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：

对照例为等厚度的均匀橡胶材料，为了保证对照的客观性，材料参数与实施例保持一致。请参阅图2，三种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＝10mm。隔板厚度t＝1mm，(b)和(c)设置隔板倾角为88°，并且为对称和阵列两种不同形式。

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0～10000Hz之间两种结构以及均匀对照组的吸声系数。

请参阅图3(a)，其中黑划线表示等厚度均匀粘弹性材料的吸声系数，实线表示竖直隔板结构的吸声系数，点划线代表倾斜阵列时发明结构的吸声系数，点线代表倾斜对称排列时发明结构的吸声系数。从图中可以看出，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2000Hz以上时均达到0.8以上。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。并且改变隔板倾角时，发明结构的吸声系数有所降低，但从力学性能角度看，对称结构的力学承载能力将得到提升。

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2～100kHz吸声系数均在0.8以上，平均吸声系数达0.9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，本发明一种隔板填充粘弹性材料水下吸声结构，可用于制造水下吸声覆盖层，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

1.一种隔板填充粘弹性材料水下吸声结构，其特征在于，包括底板(1)，底板(1)上竖直间隔设置有多个隔板(3)，相邻两个隔板(3)与底板(1)构成一个元胞，每个元胞内设置有粘弹性材料(2)。

2.根据权利要求1所述的隔板填充粘弹性材料水下吸声结构，其特征在于，底板(1)和隔板(3)的厚度为1～5mm，底板(1)的高度与粘弹性材料(2)的高度相同。

3.根据权利要求1所述的隔板填充粘弹性材料水下吸声结构，其特征在于，每个元胞的宽度为10～20mm。

4.根据权利要求1所述的隔板填充粘弹性材料水下吸声结构，其特征在于，粘弹性材料(2)为聚氨酯类粘弹性材料，密度为800～1400kg/m³。

5.根据权利要求1所述的隔板填充粘弹性材料水下吸声结构，其特征在于，粘弹性材料(2)的横波声速为500～2000m/s，横波损耗因子为0.01～0.1；纵波声速为30～500m/s，纵波损耗因子大于0.5。

6.根据权利要求1所述的隔板填充粘弹性材料水下吸声结构，其特征在于，底板(1)和隔板(3)采用金属材料或碳纤维/玻璃纤维复合材料制得。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的隔板填充粘弹性材料水下吸声结构，其特征在于，隔板填充粘弹性材料水下吸声结构的厚度为30～60mm。

8.根据权利要求7所述的隔板填充粘弹性材料水下吸声结构，其特征在于，隔板填充粘弹性材料水下吸声结构在2～100kHz的吸声系数大于0.8，平均吸声系数大于0.9。