CN113823251B - 六方蜂窝-粘弹性材料耦合水下吸声结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种六方蜂窝‑粘弹性材料耦合水下吸声结构，包括底板，底板表面开有若干六方蜂窝壁面，粘弹性材料填充入六方蜂窝壁面内部，粘弹性材料与六方蜂窝壁面之间形成六方蜂窝壁面‑粘弹性材料复合结构，粘弹性材料在六方蜂窝壁面上表面形成均质粘弹性材料层，粘弹性材料和底板底部之间留有空气层。本发明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。
Description
技术领域
本发明涉及水下吸声复合结构领域，具体是一种六方蜂窝-粘弹性材料耦合水下吸声结构。
背景技术
粘弹性材料等粘弹性材料被广泛用于消散水下声能，以降低敌方装备的精确搜索和定位能力以进行保护。它们由聚合物链组成，在声波作用下，聚合物链发生相对运动，通过分子内摩擦将声波能量耗散掉。但是，这些材料的吸声效率主要取决于声波的波长和材料的厚度。因此，当层的厚度有限时，在低频段实现尽可能宽的带宽和有效吸声是一个很大的挑战。
为了解决吸声性能的厚度限制，人们提出了几种尝试，例如改性粘弹性材料或嵌入空腔。在这些工作中，研究人员试图通过混合金属或非金属粉末来增加分子链之间的内摩擦来提高粘弹性材料的吸声性能，从而增加能量耗散，提高粘弹性材料的整体吸声性能。受粘弹性材料在低频域固有的弱耗散的限制，复合材料的低频吸声仍然很弱。腔体共振水下吸声材料主要依靠腔壁的低频共振来提高低频吸声性能，在实践中得到广泛应用。但共振式吸声材料的特点是高吸声性能只在共振频率附近的窄带内有效，不利于实际应用。尽管水下吸声材料取得了很大进展，但仍难以克服吸声层的厚度限制来实现具有宽频有效吸声覆盖层的设计。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种六方蜂窝-粘弹性材料耦合水下吸声结构，通过结构的合理设计提高吸声橡胶的水下吸声性能，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：
一种六方蜂窝-粘弹性材料耦合水下吸声结构，包括底板，底板表面开有若干六方蜂窝壁面，粘弹性材料填充入六方蜂窝壁面内部，粘弹性材料与六方蜂窝壁面之间形成六方蜂窝壁面-粘弹性材料复合结构，粘弹性材料在六方蜂窝壁面上表面形成均质粘弹性材料层，粘弹性材料和底板底部之间留有空气层。
具体的，六方蜂窝采用金属材料或碳纤维/玻璃纤维复合材料制得，以保证足够的刚度和与橡胶之间的声阻抗差异。
进一步的，六方蜂窝壁面的厚度为0.5~3 mm，隔板的高度为10~50 mm。
进一步的，六方蜂窝每个元胞的宽度为10~30 mm。
进一步的，粘弹性材料可以是橡胶或聚氨酯类高分子材料，密度为800~1400 kg/m3。
具体的，粘弹性材料的横波声速为500~2000 m/s，横波损耗因子为0.01~0.3；纵波声速为30~300 m/s，纵波损耗因子大于0.5。
进一步的，内置空气层的厚度为1~10 mm。
进一步的，六方蜂窝-粘弹性材料复合层厚度为20~50 mm。
进一步的，六方蜂窝-粘弹性材料耦合水下吸声结构上表面覆盖一层均匀粘弹性材料，均质粘弹性材料层的厚度为1~10 mm。
进一步的，六方蜂窝-粘弹性材料耦合水下吸声结构的整体厚度为30~60 mm。
进一步的，六方蜂窝-粘弹性材料耦合水下吸声结构在900~10000 Hz的吸声系数大于0.8，整个频带平均吸声系数大于0.9。
本发明一种六方蜂窝-粘弹性材料耦合水下吸声结构，六方蜂窝与底板连接，蜂窝之间填充粘弹性水下吸声材料如橡胶等。由于蜂窝骨架与底板相连，并且刚性较大，故假设蜂窝壁面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，由于六方蜂窝的存在，靠近蜂窝壁面的材料振动受到约束，而远离蜂窝壁面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，橡胶与底板之间有空气层，空气层释放底部约束，增强橡胶的振动，进一步提升粘弹性材料的声波损耗能力。另一方面，蜂窝与底板连接，压力通过蜂窝传递到底面，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，六方蜂窝壁面厚度为1~5 mm，可以保证隔板的刚度使蜂窝壁面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800~1400 kg/m3，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蜂窝壁面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，为了保证蜂窝壁面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，蜂窝选取可以为钢、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，内置空气层的六方蜂窝-粘弹性材料耦合水下吸声结构的总厚度为20~60 mm。
进一步的，为了提高六方蜂窝-粘弹性材料耦合水下吸声结构中粘弹性材料的振动，在橡胶和底板之间内嵌以空气层，空气层的厚度为1~10 mm。
本发明有益效果在于：
1、本发明的仿真计算结果在900~10000 Hz吸声系数均在0.8以上，平均吸声系数达0.9以上，满足宽频段内有效吸声的要求；
2、六方蜂窝结构简单，与橡胶混合工艺简单，加工方便；
3、通过改变蜂窝的材料和厚度等参数可以改变整体结构的力学性能，适应不同场合下的要求。
4、上层橡胶有效保护金属蜂窝不受海水腐蚀，并保持表面平整，有效降低表面阻力。
综上所述，本发明一种六方蜂窝-粘弹性材料耦合水下吸声结构，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。
附图说明
图1为本发明水下吸声结构的示意图；
图2（a）为蜂窝俯视图。
图2（b）为蜂窝侧视图。
图3（a）为本发明水下吸声结构实施例一的吸声系数示意图。
图3（b）为本发明水下吸声结构实施例二的吸声系数示意图。
图3（c）为本发明水下吸声结构实施例三的吸声系数示意图。
其中：1.橡胶；2.六方蜂窝壁面；3.空气层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
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。
本发明提供了一种六方蜂窝-粘弹性材料耦合水下吸声结构，采用金属或碳纤维/玻璃纤维复合材料组成蜂窝，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。橡胶底部设置空气层其提升橡胶振动。结构上表面覆盖纯橡胶覆盖层，保护蜂窝不受海水侵蚀。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易变形的性质，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，本发明一种六方蜂窝-粘弹性材料耦合水下吸声结构，包括橡胶1和蜂窝2以及空气层3，蜂窝2由横向和纵向排布的钢板组成，间隔排布在底板上，相邻两个隔板构成一个元胞，每个元胞内填充橡胶1。另外，橡胶底部设置空气层其提升吸声性能的作用。结构上表面覆盖一层纯橡胶覆盖层，起到保护蜂窝不受海水侵蚀的作用。构成的六方蜂窝-粘弹性材料耦合水下吸声结构中，蜂窝2起提升粘弹性材料吸声性能的作用以及传递水压等载荷，粘弹性材料1作为吸声材料用于吸收声波能量。
其中，每个元胞的宽度为10~30 mm。
粘弹性材料1的密度为800~1400 kg/m3；横波声速为500~2000 m/s，横波损耗因子为0.01~0.3；纵波声速为30~300 m/s，纵波损耗因子在0.5以上。
六方蜂窝2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，蜂窝壁面3的厚度为0.5~3 mm。
空气层3 内部为空气，厚度在1~10 mm。
水下吸声结构的整体厚度为30~60 mm。
本发明一种六方蜂窝-粘弹性材料耦合水下吸声结构可以实现900~10000 Hz之间具有良好的吸声效果，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。原因在于钢的模量远大于橡胶，相对于橡胶，钢板可看作刚性的。声波引起橡胶振动，由于与蜂窝连接位置振动受到限制，在蜂窝壁面附近产生强烈的剪切作用，从而将声波能量损耗掉。底部空气层释放底部对橡胶振动的约束，增加相交的振动，从而有效提高低频阶结构的吸声性能。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1
金属钢：其特征是密度7850 kg/m3，杨氏模量为2.05 GPa，泊松比为0.28。
粘弹性材料1：其特征是密度1000 kg/m3，纵波波速1000 m/s，纵波损耗因子为0.3，横波波速为100 m/s，横波损耗因子为0.9。
水：其特征是密度1000 kg/m3，声速1500 m/s。
空气：其特征是密度1.29 kg/m3，声速340 m/s。
实施例结构尺寸：
蜂窝元胞尺寸：a=20 mm。金属板厚度：t=1 mm。空气层厚度：h 1=5 mm。蜂窝橡胶混合层厚度：h 2=40 mm。上层纯橡胶覆盖层厚度：h 3=5 mm。
实施例2
实施例用材料：
金属钢：其特征是密度7850 kg/m3，杨氏模量为2.05 GPa，泊松比为0.28。
粘弹性材料2：其特征是密度900 kg/m3，纵波波速1200 m/s，纵波损耗因子为0.3，横波波速为100 m/s，横波损耗因子为0.9。
水：其特征是密度1000 kg/m3，声速1500m/s。
空气：其特征是密度1.29 kg/m3，声速340 m/s。
实施例结构尺寸：
蜂窝元胞尺寸：a=25 mm。金属板厚度：t=1 mm。空气层厚度：h 1=4 mm。蜂窝橡胶混合层厚度：h 2=35 mm。上层纯橡胶覆盖层厚度：h 3=3 mm。
实施例3
实施例用材料：
金属钢：其特征是密度7850 kg/m3，杨氏模量为2.05 GPa，泊松比为0.28。
粘弹性材料3：其特征是密度100 kg/m3，纵波波速1200 m/s，纵波损耗因子为0.1，横波波速为90 m/s，横波损耗因子为0.9。
水：其特征是密度1000 kg/m3，声速1500 m/s。
空气：其特征是密度1.29 kg/m3，声速340 m/s。
实施例结构尺寸：
蜂窝元胞尺寸：a=15 mm。金属板厚度：t=1 mm。空气层厚度：h 1=2 mm。蜂窝橡胶混合层厚度：h 2=50 mm。上层纯橡胶覆盖层厚度：h 3=8 mm。
对照例1为与实施例等厚度的均匀橡胶材料，对照例2为内部不含空气层的蜂窝橡胶混合结构，总厚度保持一致。为了保证对照的客观性，材料参数与实施例保持一致。
采用以上材料和结构尺寸进行理论计算及数值模拟，给出了实施例和对比例的吸声系数对比如下：
计算0~10000 Hz之间两种结构以及均匀对照组的吸声系数。
请参阅图3(a-c)，其中黑色虚线表示等厚度均匀粘弹性材料的吸声系数，黑色点画线表示蜂窝橡胶混合结构的吸声系数，黑实线代表六方蜂窝-粘弹性材料耦合水下吸声结构的吸声系数。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0~10000 Hz内都有大幅度的提升。具体表现如下：
实施例1的吸声系数在900 Hz以上时均达到0.8以上，整个频带范围内平均吸声系数达0.9以上。
实施例2的吸声系数在600~1400 Hz和3600 Hz以上时均达到0.8以上，整个频带范围内平均吸声系数达0.8以上。
实施例3的吸声系数在1400~7000 Hz时均达到0.8以上，整个频带范围内平均吸声系数达0.75以上
结果表明，在参数取值范围内通过控制蜂窝尺寸及厚度以及选用不同物性参数的橡胶材料，均可实现宽频范围内的吸声性能的大幅度提升。其中，以实施例1的吸声带宽最宽，平均吸声系数最高。
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，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种六方蜂窝-粘弹性材料耦合水下吸声结构，其特征在于：包括底板，底板表面开有若干六方蜂窝壁面，粘弹性材料填充入六方蜂窝壁面内部，粘弹性材料与六方蜂窝壁面之间形成六方蜂窝壁面-粘弹性材料复合结构，粘弹性材料在六方蜂窝壁面上表面形成均质粘弹性材料层，粘弹性材料和底板底部之间留有空气层。
2. 根据权利要求1所述的六方蜂窝-粘弹性材料耦合水下吸声结构，其特征在于：所述的六方蜂窝壁面的厚度为0.5~3 mm，隔板的高度为10~50 mm，六方蜂窝每个元胞的宽度为10~30 mm，空气层厚度为1~10 mm，六方蜂窝壁面-粘弹性材料复合结构厚度为20~50 mm，均匀粘弹性材料层厚度为1~10 mm。
3. 根据权利要求1所述的六方蜂窝-粘弹性材料耦合水下吸声结构，其特征在于：所述的六方蜂窝壁面为四方排布或六方密排，排布周期为10~36 mm。
4. 根据权利要求1所述的六方蜂窝-粘弹性材料耦合水下吸声结构，其特征在于：所述的粘弹性材料为橡胶或聚氨酯类高分子材料，密度为800~1400 kg/m3，纵波声速为500~2000 m/s，纵波损耗因子为0.01~0.3；横波声速为30~300 m/s，横波损耗因子大于0.5。
5.根据权利要求1所述的六方蜂窝-粘弹性材料耦合水下吸声结构，其特征在于：所述的六方蜂窝壁面的壁面采用金属材料或碳纤维/玻璃纤维复合材料。
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