CN112562622B - 一种含有梯度变化圆柱空腔的低频吸声覆盖层 - Google Patents

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Abstract

一种含有梯度变化圆柱空腔的低频吸声覆盖层涉及水下航行探测技术领域，包括封口层、吸声层和基层。吸声层由数个相同的长方体单元周期排列而成，其前表面剖面为长方形。在每个单元中，沿入射方向上分布有第一层圆柱空腔、第二层圆柱空腔和第三层圆柱空腔：第一层分布1个圆柱空腔，第二层分布2个等间距的圆柱空腔，第三层分布3个等间距的圆柱空腔。第一层圆柱空腔、第二层圆柱空腔和第三层圆柱空腔两端设置有封口层。封口层和吸声层均采用PDMS制作，基层采用钢材料制作。本发明圆柱空腔的数量采用梯度变化设计能够有效降低吸声频带的频率范围，通过较为简单结构得到较好的低频吸声性能，结构简单，适用于低频减振降噪方面的应用。

Description

一种含有梯度变化圆柱空腔的低频吸声覆盖层
技术领域
本发明涉及水下航行探测技术领域，具体涉及一种含有梯度变化圆柱空腔的低频吸声覆盖层。
背景技术
吸声覆盖层被广泛地应用于覆盖在水下航行器壳体上，其能够抑制壳体振动和吸收主动声纳的探测声波，降低水下航行器的声反射强度，进而减小主动声纳探测距离。目前，国内外应用的吸声覆盖层大多由具有一定阻尼性能的橡胶材料制成，橡胶层内部嵌有周期性空腔结构，如球形、圆台形、圆柱形等，利用空腔谐振、波形转换和弛豫效应的机理对声波进行有效的吸收。然而，基于空腔谐振原理的吸声覆盖层吸声频带普遍较窄，无法实现水下宽带吸声。
现有解决方法包括：(1)利用圆柱形空腔、椭圆形空腔以及组合型空腔的声学性能(陶猛，赵阳，王广玮.基于遗传算法的圆柱空腔吸声覆盖层参数优化研究.振动与冲击2014)。这种结构的设计理念是：在高频段使基底材料与水的特性阻抗相匹配，并适当降低声速，增大损耗因子以获得较大吸声系数，属于阻性吸声；在低频段则以共振和结构设计的抗性吸声为主，以达到最佳吸收带宽效果。综合优化材料属性和结构参数能使结构的吸声系数体现双共振峰或多共振峰特点，从而获得优异的宽频吸声性能，但缺点是，随着大腔的出现(空腔数量增多、腔体积增大)，吸声系数的峰值逐渐降低。(2)采用横向排列的周期性圆柱空腔(Sharma GS,Skvortsov A,MacGillivray I,Kessissoglou N.Acousticperformance of gratings of cylindrical voids in a soft elastic medium with asteel backing.J.Acoust.Soc.Am.2017,141(6):4694-704.)。该结构是一种在PDMS硅橡胶中分布单层圆柱空腔阵列的吸声结构，圆柱空腔的轴线垂直于入射声波的方向，利用空腔谐振和波形转换机理可以大幅度衰减入射声波，而且有效吸声频率可以达到几百赫兹的低频范围，但频带宽度较窄。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种含有梯度变化圆柱空腔的低频吸声覆盖层，能够有效降低吸声频带的频率范围，提高低频声吸收性能的内嵌圆柱空腔的低频宽带吸声覆盖层。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种含有梯度变化圆柱空腔的低频吸声覆盖层，该覆盖层包括：封口层、吸声层和基层；封口层位于所述吸声层的两个端面，用于对所述吸声层进行密封；吸声层由数个相同的长方体单元水平周期排列而成，端面为长方形；每个长方体单元中分布有一定排布方式的圆柱空腔，所述每个长方体的两个端面分别与所对应的封口层的内侧连接；基层位于所述封口层和所述吸声层的底面，模拟水下结构体的外壳。
优选的，所述吸声层的每个单元中由上至下并前后贯穿有三层圆柱空腔，并且第一层分布1个圆柱空腔，第二层分布2个圆柱空腔，第三层分布3个圆柱空腔。
优选的，所述吸声层的每个单元中，第一层圆柱空腔、第二层圆柱空腔和第三层圆柱空腔的轴线与单元的上下表面、左右侧面和所述基层平行，与所述两个封口层相互垂直。
优选的，所述吸声层的每个单元中，第一层圆柱空腔、第二层圆柱空腔和第三层圆柱空腔的空腔长度相等，长度为1m。
优选的，所述吸声层的每个单元中，第一层圆柱空腔中，圆柱空腔的圆心到单元左右边界垂线的长度a1＝20mm；第二层圆柱空腔中，圆柱空腔的圆心到单元最近边界垂线的长度a2＝10mm；第三层圆柱空腔中，两侧圆柱空腔的圆心到单元最近边界垂线的长度a3＝6.7mm。
优选的，所述吸声层的每个单元中，第二层圆柱空腔中相邻圆柱空腔的圆心距b＝20mm；第三层圆柱空腔中相邻圆柱空腔的圆心距c＝13.3mm。
优选的，所述吸声层的每个单元中，三层圆柱空腔的空腔半径相同，半径r＝3mm。
优选的，所述吸声层的每个单元中，单元的上边界与第一层圆柱空腔的净距d1＝21mm，第一层圆柱空腔与第二层圆柱空腔的净距d2＝80mm，第二层圆柱空腔与第三层圆柱空腔的净距为d3＝30mm，第三层圆柱空腔与单元的下边界的净距为d4＝10mm，净距离呈负梯度变化d2＞d3＞d4。
优选的，所述吸声层中每个单元的宽度a相等，宽度a＝40mm；基层厚度s＝20mm；吸声层的厚度d＝150mm，封口层的厚度为30mm。
优选的，所述吸声层和封口层均采用PDMS聚二甲基硅氧烷硅橡胶制作；封口层、吸声层和基层通过粘合剂粘合在一起，并经过一体冷压成型；基层采用钢材料制作。
本发明的有益效果是：本发明可以通过较为简单的结构得到较高的吸声性能，适用于水下低频减振降噪方面的应用，具有较好的水下低频声吸收效果。本发明具有结构简单，制作工艺简单，可设计性强的特点。本发明克服了采用单一材料带来的低频吸声性能欠佳问题；圆柱空腔的数量和间距采用梯度变化设计能够有效降低吸声频带的频率范围，适用于低频宽带减振降噪方面的应用。
附图说明
图1本发明一种含有梯度变化圆柱空腔的低频吸声覆盖层的剖面图。
图2本发明吸声层的长方形单元结构示意图。
图3本发明吸声层的长方形单元正面示意图。
图4本发明一种含有梯度变化圆柱空腔的低频吸声覆盖层实施例1的吸声系数曲线。
图5本发明一种含有梯度变化圆柱空腔的低频吸声覆盖层实施例2的吸声系数曲线。
图中：1、封口层、2、吸声层、3、基层、4、第一层圆柱空腔、5、第二层圆柱空腔、6、第三层圆柱空腔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1和图2所示，一种含有梯度变化圆柱空腔的低频吸声覆盖层，包括封口层1、吸声层2和基层3，所述吸声层2由6个长方体单元组成，单元中分布有一定排布方式的圆柱空腔，所述的圆柱空腔的横截面形状均为圆面。每个圆柱空腔上设置有封口层。所述封口层1和吸声层2均采用PDMS聚二甲基硅氧烷硅橡胶制作，所述基层3采用钢材料制作，在每个单元中，第一层含有1个圆柱空腔，第二层含有2个等间距的圆柱空腔，第三层含有3个等间距的圆柱空腔。三层圆柱空腔的长度相同，长度为1m。选用的吸声层2的厚度d＝150mm，每个单元的厚度相等，厚度d＝150mm，宽度相等，宽度a＝40mm。封口层1的厚度为30mm。基层3的厚度s＝20mm。所述封口层1、吸声层2和基层3通过粘合剂粘合而成，并经过一体冷压成型。
实施例1
本实例的吸声覆盖层中吸声层和封口层的材料为一种PDMS硅橡胶，PDMS硅橡胶的密度为1000kg/m3，复杨氏模量为(1.879+0.540i)MPa，泊松比为0.4997。基层的密度为7890kg/m3，杨氏模量为210GPa，泊松比为0.3。吸声覆盖层中分布三层圆柱空腔。将本发明圆柱空腔数量和梯度均梯度变化的吸声覆盖层与数量和间距均相同圆柱空腔的吸声覆盖层进行对比。对于本发明的实施例中，圆柱空腔数量和间距均梯度变化的吸声覆盖层：其每个单元中，第一层含有1个圆柱空腔，第二层含有2个等间距的圆柱空腔，第三层含有3个等间距的圆柱空腔；选用的第一层圆柱空腔的半径为3mm，第二层圆柱空腔的半径为3mm，第三层圆柱空腔的半径为3mm；选用的吸声覆盖层中吸声层的单元上边界与第一层圆柱空腔的净距为21mm，第一层圆柱空腔与第二层圆柱空腔的净距为80mm，第二层圆柱空腔与第三层圆柱空腔的净距为30mm，第三层圆柱空腔与单元下边界的净距为10mm。对于圆柱空腔数量和间距均相等的吸声覆盖层，其每个单元分布有3层圆柱空腔，每层分布1个圆柱空腔；选用的第一层圆柱空腔、第二层圆柱空腔和第三层圆柱空腔的半径均为3mm；选用的吸声覆盖层中单元的上边界与第一层圆柱空腔的净距为36mm，第一层圆柱空腔与第二层圆柱空腔的净距为35mm，第二层圆柱空腔与第三层圆柱空腔的净距为35mm，第三层圆柱空腔与单元下边界的净距为35mm。图4为两种吸声覆盖层吸声特性对比结果。可以看到，对于圆柱空腔数量和间距相等的吸声覆盖层，频带内出现了三个吸收峰。第一个吸收峰的频率为180Hz，峰值为0.96；第二个吸收峰的频率为730Hz，峰值为0.51。第二个和第三个吸收峰形成宽吸声频带的起始频率为580Hz，截止频率为1130Hz，频带宽度为550Hz。而采用本发明圆柱空腔数量和间距均梯度变化的吸声覆盖层，其第一个吸收峰的频率为141Hz，吸收峰峰值为0.84；第二个吸收峰的频率为490Hz，峰值为0.83。第二个和第三个吸收峰形成的宽吸声频带的起始频率为340Hz，截止频率为920Hz，频带宽度为580Hz。经计算，与圆柱空腔数量和间距均相同的吸声覆盖层相比，本发明圆柱空腔数量和间距均梯度变化的吸声覆盖层的第一个吸收峰频率下降了22.2％，峰值下降了12.5％；第二个吸收峰的频率下降了32.9％，峰值提升了62.7％。可以看出，尽管圆柱空腔数量和间距均梯度变化情况的第一个吸收峰峰值有所下降，但是同时伴随着吸声频带的大幅度降低与第二个吸收峰峰值的显著提高，因此采用圆柱空腔数量和间距均梯度变化的吸声覆盖层可以获得更好的低频声吸收效果。
实施例2
本实例的吸声覆盖层中吸声层和封口层的材料为一种PDMS硅橡胶，PDMS硅橡胶的密度为1000kg/m3，复杨氏模量为(1.879+0.540i)MPa，泊松比为0.4997。基层的密度为7890kg/m3，杨氏模量为210GPa，泊松比为0.3。吸声覆盖层中分布三层圆柱空腔。
采用与实施例1不同参数的圆柱空腔数量和梯度均梯度变化的吸声覆盖层，与数量和间距均相同圆柱空腔的吸声覆盖层进行对比。对于本发明实施例中，圆柱空腔数量和间距均梯度变化的吸声覆盖层：每个单元中，第一层含有1个圆柱空腔，第二层含有2个等间距的圆柱空腔，第三层含有3个等间距的圆柱空腔；选用的第一层圆柱空腔的半径为1.5mm，第二层圆柱空腔的半径为1.5mm，第三层圆柱空腔的半径为1.5mm；选用的吸声覆盖层中吸声层的单元上边界与第一层圆柱空腔4的净距为35.5mm，第一层圆柱空腔与第二层圆柱空腔5的净距为50mm，第二层圆柱空腔与第三层圆柱空腔的净距为40mm，第三层圆柱空腔与单元下边界的净距为20mm。对于圆柱空腔数量和间距均相等的吸声覆盖层，其每个单元分布有3层圆柱空腔，每层分布1个圆柱空腔；选用的第一层圆柱空腔、第二层圆柱空腔和第三层圆柱空腔的半径均为1.5mm；选用的吸声覆盖层中单元的上边界与第一层圆柱空腔的净距为36mm，第一层圆柱空腔与第二层圆柱空腔的净距为35mm，第二层圆柱空腔与第三层圆柱空腔的净距为35mm，第三层圆柱空腔与单元下边界的净距为35mm。图5为两种吸声覆盖层吸声特性对比结果。可以看到，对于圆柱空腔数量和间距相等的吸声覆盖层，在0、2000Hz频率范围内出现了三个吸收峰。第一个吸收峰的频率为350Hz，峰值为0.97；第二个吸收峰的频率为1390Hz，峰值为0.74。而采用本发明圆柱空腔数量和间距均梯度变化的吸声覆盖层，在0、2000Hz频率范围内出现了三个较为明显的吸收峰。其中，第一个吸收峰的频率为270Hz，吸收峰峰值为0.99；第二个吸收峰的频率为1030Hz，峰值为0.89，第三个吸收峰的频率为1580Hz，峰值为0.59。经计算，与圆柱空腔数量和间距均相同的吸声覆盖层相比，本发明圆柱空腔数量和间距均梯度变化的吸声覆盖层第一个吸收峰频率下降了22.9％，峰值增加了2.1％；第二个吸收峰的频率下降了25.9％，峰值提升了20.2％。可以说明，相比于圆柱空腔和数量相同的吸声覆盖层，圆柱空腔数量和间距均梯度变化的吸声覆盖层在的吸声频带范围大幅度向低频移动，且第一个和第二个吸收峰峰值均增加。因此，采用圆柱空腔数量和间距均梯度变化的吸声覆盖层可以获得更好的低频声吸收效果。

Claims (9)

1.一种含有梯度变化圆柱空腔的低频吸声覆盖层，其特征在于，该覆盖层包括：封口层、吸声层和基层；封口层位于所述吸声层的两个端面，用于对所述吸声层进行密封；吸声层由数个相同的长方体单元水平周期排列而成，端面为长方形；每个长方体单元中分布有一定排布方式的圆柱空腔，所述每个长方体的两个端面分别与所对应的封口层的内侧连接；基层位于所述封口层和所述吸声层的底面，模拟水下结构体的外壳；所述吸声层的每个单元中由上至下并前后贯穿有三层圆柱空腔，并且第一层分布1个圆柱空腔，第二层分布2个圆柱空腔，第三层分布3个圆柱空腔。
2.根据权利要求1所述的一种含有梯度变化圆柱空腔的低频吸声覆盖层，其特征在于，所述吸声层的每个单元中，第一层圆柱空腔、第二层圆柱空腔和第三层圆柱空腔的轴线与单元的上下表面、左右侧面和所述基层平行，与所述两个封口层相互垂直。
3.根据权利要求1所述的一种含有梯度变化圆柱空腔的低频吸声覆盖层，其特征在于，所述吸声层的每个单元中，第一层圆柱空腔、第二层圆柱空腔和第三层圆柱空腔的空腔长度相等，长度为1m。
4.根据权利要求1所述的一种含有梯度变化圆柱空腔的低频吸声覆盖层，其特征在于，所述吸声层的每个单元中，第一层圆柱空腔中，圆柱空腔的圆心到单元左右边界垂线的长度a1＝20mm；第二层圆柱空腔中，圆柱空腔的圆心到单元最近边界垂线的长度a2＝10mm；第三层圆柱空腔中，两侧圆柱空腔的圆心到单元最近边界垂线的长度a3＝6.7mm。
5.根据权利要求1所述的一种含有梯度变化圆柱空腔的低频吸声覆盖层，其特征在于，所述吸声层的每个单元中，第二层圆柱空腔中相邻圆柱空腔的圆心距b＝20mm；第三层圆柱空腔中相邻圆柱空腔的圆心距c＝13.3mm。
6.根据权利要求1所述的一种含有梯度变化圆柱空腔的低频吸声覆盖层，其特征在于，所述吸声层的每个单元中，三层圆柱空腔的空腔半径相同，半径r＝3mm。
7.根据权利要求1所述的一种含有梯度变化圆柱空腔的低频吸声覆盖层，其特征在于，所述吸声层的每个单元中，单元的上边界与第一层圆柱空腔的净距d1＝21mm，第一层圆柱空腔与第二层圆柱空腔的净距d2＝80mm，第二层圆柱空腔与第三层圆柱空腔的净距为d3＝30mm，第三层圆柱空腔与单元的下边界的净距为d4＝10mm，净距离呈负梯度变化d2＞d3＞d4。
8.根据权利要求1所述的一种含有梯度变化圆柱空腔的低频吸声覆盖层，其特征在于，所述吸声层中每个单元的宽度a相等，宽度a＝40mm；基层厚度s＝20mm；吸声层的厚度d＝150mm，封口层的厚度为30mm。
9.根据权利要求1所述的一种含有梯度变化圆柱空腔的低频吸声覆盖层，其特征在于，所述吸声层和封口层均采用PDMS聚二甲基硅氧烷硅橡胶制作；封口层、吸声层和基层通过粘合剂粘合在一起，并经过一体冷压成型；基层采用钢材料制作。
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