CN112164383A - 正弦隔板填充粘弹性材料水下吸声结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种正弦隔板填充粘弹性材料水下吸声结构，包括底板，底板上刚性连接有若干等距分布的正弦弯曲隔板，正弦弯曲隔板之间填充有密度为500 kg/m3~1000kg/m3粘弹性材料；记正弦弯曲隔板高度为h，则相邻正弦弯曲隔板之间间距为4h/5，正弦弯曲隔板的厚度t=h/60~h/6。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。正弦隔板提供了更大的表面积以及弯曲的路径增加了声波传播的距离，故可以在很大程度上提升粘弹性材料的吸声性能。另一方面，正弦隔板与底板连接，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。

Description

正弦隔板填充粘弹性材料水下吸声结构
技术领域
本发明涉及水下吸声复合结构设计领域，具体是一种正弦隔板填充粘弹性材料水下吸声结构。
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
本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种正弦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，解决了宽频吸声性能较差的难题。
本发明包括底板，底板上刚性连接有若干等距分布的正弦弯曲隔板，正弦弯曲隔板之间填充有密度为500kg/m3～1000kg/m3粘弹性材料；所述的正弦弯曲隔板以底面中点为远点横向为x轴，其方程为x＝A·sin(B·πy)；记正弦弯曲隔板高度为h，则相邻正弦弯曲隔板之间间距为4h/5，正弦弯曲隔板的厚度t＝h/60～h/6。
进一步改进，所述的粘弹性材料为聚氨酯类粘弹性材料，波声速为200m/s～1200m/s，横波损耗因子为0.01～0.09；纵波声速为30m/s～300m/s，纵波损耗因子在0.7以上。
进一步改进，所述的正弦弯曲隔板高度h＝30mm～60mm。
进一步改进，所述的正弦弯曲隔板采用金属材料或纤维复合材料。
本发明有益效果在于：
1、由于正弦隔板与底板相连，并且钢性较大，故假设正弦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，靠近隔板的粘弹性材料振动受到约束，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。正弦隔板提供了更大的表面积以及弯曲的路径增加了声波传播的距离，故可以在很大程度上提升粘弹性材料的吸声性能。另一方面，正弦隔板与底板连接，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。
2、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。
3、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，正弦隔板选取可以为钢、铝等金属或碳纤维及玻璃纤维等复合材料。
4、通过改变正弦隔板函数曲线形式，增加粘弹性材料与刚性壁面的接触面积，增加粘弹性材料的剪切作用，改变声波的传播路径，增加传播距离最终实现结构吸声系数的提高，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。
综上所述，本发明一种正弦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。
附图说明
图1(a)为本发明结构示意图。
图1(b)为单个元胞的结构示意图。
图2为当正弦隔板填充粘弹性材料水下吸声结构的吸声系数以及改变参数对结构吸声性能影响。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种正弦隔板填充粘弹性材料水下吸声结构，如图1(a)所示，将正弦弯曲的金属或碳纤维/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。并且通过改变曲折结构的弯曲方式以及结构参数，可以改变结构的力学性能以及水下吸声性能。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和图2，本发明一种正弦隔板填充粘弹性材料水下吸声结构，包括金属或碳纤维/玻璃纤维复合材料正弦弯曲隔板1，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，作为吸声材料吸收声波能量。
正弦弯曲隔板1由铁，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，隔板的厚度在1～5mm之间，高度与粘弹性材料保持一致。
粘弹性材料2的密度在500kg/m3～1000kg/m3之间；横波声速在200m/s～1200m/s之间，横波损耗因子在0.01～0.09之间；纵波声速在30m/s～300m/s之间，纵波损耗因子在0.5以上。
整体结构的厚度在30mm～60mm之间。
本发明一种正弦隔板填充粘弹性材料水下吸声结构可以实现2kHz～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。而如果将隔板做成正弦曲折的形状，一方面可以增加隔板与粘弹性材料之间的接触面积，另一方面，曲折的结构改变了声波的传播路径，增加了粘弹性材料的等效厚度，故粘弹性材料的吸声性能得到大幅度提升。通过改变正弦函数的参数可以改变隔板的形式，从而达到不同的吸声效果。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。
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0.5。
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：
参考图1(b)，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，每个隔板及其两侧的粘弹性材料组成一个元胞，元胞的宽度为a＝40mm。以底面中点为远点横向为x轴，其方程为x＝A·sin(B·πy),其中通过调整A和B的大小可以调整曲折隔板的弯曲程度。在讨论中分别取B＝60和B＝120进行分析.
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之间两种结构以及均匀对照组的吸声系数。
参考图2，其中黑实线表示等厚度均匀粘弹性材料的吸声系数，划线表示B＝60时结构的吸声系数，点划线代表B＝120时结构的吸声系数。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0.5以上。当提高B的时候，对结构来说，相当于增加了曲折的数量，增大了表面积，另外还改变了声波的传播路径，增加了粘弹性材料的等效厚度，故粘弹性材料的吸声性能得到大幅度提升.故吸声系数在整个频段内都会有所提升。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种正弦隔板填充粘弹性材料水下吸声结构，其特征在于：包括底板，底板上刚性连接有若干等距分布的正弦弯曲隔板，正弦弯曲隔板之间填充有密度为500kg/m3～1000kg/m3粘弹性材料；所述的正弦弯曲隔板以底面中点为远点横向为x轴，其方程为x＝A·sin(B·πy)；记正弦弯曲隔板高度为h，则相邻正弦弯曲隔板之间间距为4h/5，正弦弯曲隔板的厚度t＝h/60～h/6。
2.根据权利要求1所述的正弦隔板填充粘弹性材料水下吸声结构，其特征在于：所述的粘弹性材料为聚氨酯类粘弹性材料，波声速为200m/s～1200m/s，横波损耗因子为0.01～0.09；纵波声速为30m/s～300m/s，纵波损耗因子在0.7以上。
3.根据权利要求1所述的正弦隔板填充粘弹性材料水下吸声结构，其特征在于：所述的正弦弯曲隔板高度h＝30mm～60mm。
4.根据权利要求1所述的正弦隔板填充粘弹性材料水下吸声结构，其特征在于：所述的正弦弯曲隔板采用金属材料或纤维复合材料。
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