CN113077776A - 一种内嵌半径梯度变化的球形空腔阵列多频带声学覆盖层 - Google Patents
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Abstract
一种内嵌半径梯度变化的球形空腔阵列多频带声学覆盖层涉及声学领域，解决声吸收频带单一的问题，该覆盖层包括：吸声层和基衬层；所述吸声层由相同形状的矩形单元周期排列而成，所述矩形单元的左右侧面相互贴合且处于一个平面上；所述基衬层贴合于所述吸声层的底面。本发明可以通过较为简单的结构设计，以较小的结构厚度得到独特优异的吸声性能，适用于水下减振降噪方面的应用，具有较好的水下吸声效果。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的问题；空腔半径采用梯度变化的设计能够很大程度减小声学覆盖层的结构厚度，适用于多频带的吸声，可以满足不同的减振降噪需求。
Description
技术领域
本发明涉及声学领域，具体涉及一种内嵌半径梯度变化的球形空腔阵列多频带声学覆盖层。
背景技术
声学覆盖层是带有声学结构的粘弹性材料(橡胶)吸声层，它粘贴在水下航行器的表面，可以最大限度地吸收入射到水-声学覆盖层界面上的声波能量，同时还能抑制振动、隔离内部噪声向外辐射，降低自噪声和改变壳体表面声辐射特性的作用。目前，国内外的水下声学覆盖层通常由具有一定阻尼性能的单一橡胶材料组成，制作成内嵌特定形状空腔的平板，如圆柱形空腔、圆台形空腔等，利用空腔谐振、横纵波转换和弛豫效应，在一定窄频带内具有良好的吸声性能，但此类结构吸声频带单一较窄。若想实现多个频带或宽频带吸声，结构厚度必须足够大。
关于声学覆盖层设计的公开报道有很多，例如：一种内嵌圆柱空腔阵列的低频宽带声学覆盖层(申请号为201910214443.3)；一种二元嵌入式圆柱空腔声学覆盖层(申请号为201520561991.0)等。采用横向排列的周期性均匀圆柱空腔(Sharma GS,Skvortsov A,MacGillivray I,Kessissoglou N.Acoustic performance of gratings of cylindricalvoids in a soft elastic medium with a steel 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，而且在一定低频范围可以达到有效吸声，但频带单一且宽度较窄。采用纵向排列的半径和空腔间距梯度变化的多层空腔阵列(Shibo Wang,Sound absorption of periodicallycavities with gradient changes of radii and distances between cavities in asoft elastic medium.APPLIED ACOUSTICS，2020(170))，可以实现低频宽带吸声，但是声学覆盖层厚度较大。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种内嵌半径梯度变化的球形空腔阵列多频带声学覆盖层，解决声吸收频带单一的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种内嵌半径梯度变化的球形空腔阵列多频带声学覆盖层，该覆盖层包括：吸声层和基衬层；所述吸声层由相同形状的矩形单元周期排列而成，所述矩形单元的左右侧面相互贴合且处于一个平面上；所述基衬层贴合于所述吸声层的底面。
优选的，所述矩体单元中，从左到右排设有三列不同半径的球形空腔，第一列球形空腔、第二列球形空腔和第三列球形空腔，且三列球形空腔的球心位于同一个平面上，所述平面与吸声层的上下底面平行。
优选的，所述矩形单元中，每列球形空腔的球心都位于一条直线上，且该直线平行于矩形单元的所述左右侧面。
优选的，所述矩体单元中，每列球形空腔的第一个球形空腔的球心位于一条直线上，且该直线平行于矩形单元的前后侧面。
优选的，所述矩形单元中，第一列球形空腔中所有球形空腔的半径均为r1＝6mm，第二列球形空腔中所有球形空腔的半径均为r2＝3mm，第三列球形空腔中所有球形空腔的半径均为r3＝1.5mm。
优选的，所述矩体单元中，第一列球形空腔中所有空腔球心所在的直线与第二列球形空腔中所有空腔球心所在的直线的间距为a，第二列球形空腔中所有空腔球心所在的直线与第三列球形空腔中所有空腔球心所在的直线的间距为a，a＝40mm；第一列球形空腔的球心到矩体单元较近的所述左右侧面的距离为a1，第三列球形空腔的球心到矩体单元较近的所述左右侧面的距离为a2，a1＝a2＝20mm。
优选的，所述矩体单元中，每列球形空腔中相邻两个球形空腔的球心相距为b＝20mm。
优选的，所述矩体单元中，所有球形空腔的球心所在的平面与矩体单元上下底面的距离相等，为20mm。
优选的，所述吸声层采用PDMS聚二甲基硅氧烷硅橡胶制作，宽度为A＝120mm，厚度为D＝40mm；所述基衬层采用AISI4340合金结构钢材料制作，厚度t＝20mm。
优选的，所述吸声层和所述基衬层通过粘合剂粘接并一体冷压成型。
本发明的有益效果是：本发明可以通过较为简单的结构设计，以较小的结构厚度得到独特优异的吸声性能，适用于水下减振降噪方面的应用，具有较好的水下吸声效果。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的问题；空腔半径采用梯度变化的设计能够很大程度减小声学覆盖层的结构厚度，适用于多频带的吸声，可以满足不同的减振降噪需求。
附图说明
图1为本发明声学覆盖层的结构示意图，是截取本发明声学覆盖层的两个矩形单元；
图2为本发明声学覆盖层的一个矩形单元的主视图；
图3为本发明声学覆盖层的一个矩形单元的俯视图；
图4为本发明声学覆盖层实施例1的吸声系数曲线；
图5为本发明声学覆盖层实施例2的吸声系数曲线。
图中各标号依次表示：1、吸声层，2、基衬层，3、矩形单元，4、第一列球形空腔，5、第二列球形空腔，6、第三列球形空腔。
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。
下面结合附图和实施例对本发明做更详细的说明。
如图1、图2和图3所示，一种内嵌半径梯度变化的球形空腔的声学覆盖层，包括吸声层1和基衬层2，所述吸声层1由三个矩形单元3组成，矩形单元3中内嵌有三列不同半径的球形空腔，所述吸声层1采用PDMS聚二甲基硅氧烷硅橡胶制作，所述基衬层2采用AISI4340合金结构钢材料制作，采用的球形空腔的横截面形状为圆形。在每个矩形单元3中，由左到右排有三列不同半径的球形空腔组，第一列球形空腔4半径r1＝6mm，第二列球形空腔5半径r2＝3mm，第三列球形空腔6半径r3＝1.5mm。第一列球形空腔4中所有空腔球心所在的直线与第二列球形空腔5中所有空腔球心所在的直线的间距为a，第二列球形空腔5中所有空腔球心所在的直线与第三列球形空腔6中所有空腔球心所在的直线的间距为a，a＝40mm；第一列球形空腔4的球心到矩形单元3的左侧面的距离为a1，第三列球形空腔6的球心到矩形单元3的右侧面的距离为a2，a1＝a2＝20mm；每列球形空腔中相邻两个球形空腔的球心相距为b＝20mm；所有球形空腔的球心所在的平面与矩形单元3上底面的距离为d1，与矩形单元3下底面的距离为d2，d1＝d2＝20mm。声学覆盖层的吸声层1的厚度为＝40mm，每个矩形单元3的高度相等即等于声学覆盖层的厚度D，每个矩形单元3的宽度为D＝120mm。基衬层2的厚度为t＝20mm。所述吸声层1和所述基衬层2通过粘合剂粘接并一体冷压成型。
实施例1
本实例的声学覆盖层中的吸声层1的材料为一种PDMS聚二甲基硅氧烷硅橡胶，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。声学覆盖层中的基衬层2的材料为一种合金钢，密度为7890kg/m3，杨氏模量为210GPa，泊松比为0.3。将本发明内嵌半径梯度变化的球形空腔的声学覆盖层与传统内嵌半径均匀不变的球形空腔的声学覆盖层进行对比。对于传统的内嵌半径均匀不变的球形空腔的声学覆盖层，同样由数个相同的矩形单元3、左右侧面分别相互贴合构成；矩形单元3的大小、内嵌球形空腔阵列的球心位置和球形空腔个数均与本发明相同，但是三列球形空腔的半径均匀不变，半径均为5mm。图5为两种声学覆盖层的吸声系数对比结果。通过分析可以看到，对于传统内嵌半径均匀的球形空腔的声学覆盖层，频带内仅出现了1个较窄峰，吸收峰的频率为450Hz，峰值为0.98；对于本发明内嵌半径梯度变化的球形空腔的声学覆盖层，频带内出现了3个收峰，第一个吸收峰的频率为500Hz，峰值为0.95，第二个吸收峰的频率为2200Hz，峰值为0.8，第三个吸收峰的频率为3850Hz，峰值为0.9。因此采用内嵌半径均梯度变化的球形空腔阵列的声学覆盖层可以在不增加吸声层厚度的前提下，通过对球形空腔半径引入梯度变化，可以同时获得多个声吸收频带，满足对不同频率的吸声应用需求，比均匀半径的球形空腔阵列的声学覆盖层有更广泛的应用。
实施例2
本实例的声学覆盖层中的吸声层的材料为一种PDMS聚二甲基硅氧烷硅橡胶，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。声学覆盖层中的基衬层的材料为一种合金钢，密度为7890kg/m3，杨氏模量为210GPa，泊松比为0.3。改变本发明的参数：第一列球形空腔4半径r1＝8mm，第二列球形空腔5半径r2＝4mm，第三列球形空腔6半径r3＝2mm，其他参数均不变。将本发明内嵌半径梯度变化的球形空腔的声学覆盖层与传统内嵌半径均匀不变的球形空腔的声学覆盖层进行对比。对于传统的内嵌半径均匀不变的球形空腔的声学覆盖层，同样由数个相同的矩形单元3、左右侧面分别相互贴合构成；矩形单元3的大小、内嵌球形空腔阵列的球心位置和球形空腔个数均与本发明相同，但是三列球形空腔的半径均匀不变，半径均为5mm。图4为两种声学覆盖层的吸声系数对比结果。通过分析可以看到，对于传统内嵌半径均匀的球形空腔的声学覆盖层，频带内仅出现了1个较窄峰，吸收峰的频率为450Hz，峰值为0.98；对于本发明内嵌半径梯度变化的球形空腔的声学覆盖层，频带内出现了3个收峰，第一个吸收峰的频率为350Hz，峰值为0.99，第二个吸收峰的频率为1600Hz，峰值为0.56，第三个吸收峰的频率为3450Hz，峰值为0.75。因此采用内嵌半径均梯度变化的球形空腔阵列的声学覆盖层可以在不增加吸声层厚度的前提下，通过对球形空腔半径引入梯度变化，可以同时获得多个声吸收频带，满足对不同频率的吸声应用需求，比均匀半径的球形空腔阵列的声学覆盖层有更广泛的应用。
Claims (10)
1.一种内嵌半径梯度变化的球形空腔阵列多频带声学覆盖层，其特征在于，该覆盖层包括：吸声层和基衬层；所述吸声层由相同形状的矩形单元周期排列而成，所述矩形单元的左右侧面相互贴合且处于一个平面上；所述基衬层贴合于所述吸声层的底面。
2.根据权利要求1所述的一种内嵌半径梯度变化的球形空腔阵列多频带声学覆盖层，其特征在于，所述矩体单元中，从左到右排设有三列不同半径的球形空腔，第一列球形空腔、第二列球形空腔和第三列球形空腔，且三列球形空腔的球心位于同一个平面上，所述平面与吸声层的上下底面平行。
3.根据权利要求1所述的一种内嵌半径梯度变化的球形空腔阵列多频带声学覆盖层，其特征在于，所述矩形单元中，每列球形空腔的球心都位于一条直线上，且该直线平行于矩形单元的所述左右侧面。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种内嵌半径梯度变化的球形空腔阵列多频带声学覆盖层，其特征在于，所述矩体单元中，每列球形空腔的第一个球形空腔的球心位于一条直线上，且该直线平行于矩形单元的前后侧面。
5.根据权利要求4所述的一种内嵌半径梯度变化的球形空腔阵列多频带声学覆盖层，其特征在于，所述矩形单元中，第一列球形空腔中所有球形空腔的半径均为r1＝6-8mm，第二列球形空腔中所有球形空腔的半径均为r2＝3-4mm，第三列球形空腔中所有球形空腔的半径均为r3＝1.5-2mm。
6.根据权利要求4所述的一种内嵌半径梯度变化的球形空腔阵列多频带声学覆盖层，其特征在于，所述矩体单元中，第一列球形空腔中所有空腔球心所在的直线与第二列球形空腔中所有空腔球心所在的直线的间距为a，第二列球形空腔中所有空腔球心所在的直线与第三列球形空腔中所有空腔球心所在的直线的间距为a，a＝40mm；第一列球形空腔的球心到矩体单元较近的所述左右侧面的距离为a1，第三列球形空腔的球心到矩体单元较近的所述左右侧面的距离为a2，a1＝a2＝20mm。
7.根据权利要求4所述的一种内嵌半径梯度变化的球形空腔阵列多频带声学覆盖层，其特征在于，所述矩体单元中，每列球形空腔中相邻两个球形空腔的球心相距为b＝20mm。
8.根据权利要求4所述的一种内嵌半径梯度变化的球形空腔阵列多频带声学覆盖层，其特征在于，所述矩体单元中，所有球形空腔的球心所在的平面与矩体单元上下底面的距离相等，为20mm。
9.根据权利要求1所述的一种内嵌半径梯度变化的球形空腔阵列多频带声学覆盖层，其特征在于，所述吸声层采用PDMS聚二甲基硅氧烷硅橡胶制作，宽度为A＝120mm，厚度为D＝40mm；所述基衬层采用AISI4340合金结构钢材料制作，厚度t＝20mm。
10.根据权利要求1所述的一种内嵌半径梯度变化的球形空腔阵列多频带声学覆盖层，其特征在于，所述吸声层和所述基衬层通过粘合剂粘接并一体冷压成型。
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Also Published As
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|---|---|
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