CN115881071A - 一种阻尼内衬双层串联空间盘绕穿孔板水下吸声结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻尼内衬双层串联空间盘绕穿孔板水下吸声结构，包括长方体型元胞，长方体型元胞内部设置有穿孔内面板、有穿孔上面板、双层串联空间盘绕通道和阻尼内衬层，穿孔面板和空间盘绕通道之间通过焊接或胶接相连，阻尼内衬层粘贴于空间盘绕通道的侧壁和底壁上，多个长方体型元胞阵列设置构成阻尼内衬双层串联空间盘绕穿孔板水下吸声结构。本发明具有优异的低频水下吸声性能，良好的耐水压性能，同时实现了水下吸声结构的轻量化设计，是一种承载、吸声、隔声、轻量化的多功能一体化结构。

Description

一种阻尼内衬双层串联空间盘绕穿孔板水下吸声结构

技术领域

本发明属于水下吸声技术领域，具体涉及一种阻尼内衬双层串联空间盘绕穿孔板水下吸声结构。

背景技术

在水声领域中，声学超材料却难以调控水下声波，对水下声波的吸声效果很差，是低频水声较同频率的空气声更难以控制；为了吸收水下声波，秀安you方法是将吸声覆盖层粘贴在水下装备的钢制外壳表面，然而，以上吸声覆盖层具有许多局限性：承载性能较差，在高静水压力下容易发生变形从而导致吸声性能失效；大大增加了水下装备的重量，不利于轻量化的设计要求；低频吸声性能不佳。

尽管声学超材料在空气声领域已经展示了优越的吸声性能，但其对低频水下声波的吸声效果很差；目前使用的的水下吸声材料与结构在实际应用中也存在较大的局限性。

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，提供一种阻尼内衬双层串联空间盘绕穿孔板水下吸声结构，用于解决声学超材料对低频水下声波吸收效果差和传统水下吸声结构难以减重、不耐高静水压力的技术问题。

本发明采用以下技术方案：

一种阻尼内衬双层串联空间盘绕穿孔板水下吸声结构，包括多个阵列设置的元胞，每个元胞包括双层串联空间盘绕通道，双层串联空间盘绕通道的内部设置有阻尼内衬层，双层串联空间盘绕通道包括上层通道和下层通道，上层通道和下层通道之间设置有穿孔内面板，双层串联空间盘绕通道的顶部设置有穿孔上面板，下层通道的下表面固定在需要声学处理的水下装备上。

具体的，上层通道和下层通道内分别设置有多个首尾相连的子通道，多个子通道组成蛇形结构，上层通道尾部的子通道与下层通道首部的子通道连接。

进一步的，上层通道和下层通道的高度为20～35mm。

具体的，上层通道和下层通道的截面形状均为矩形，矩形的长为10～20mm，宽为8～13mm。

具体的，双层串联空间盘绕通道的高度为45～65mm。

具体的，穿孔内面板1上的穿孔对应下层通道入口的矩形截面中央，穿孔上面板上的穿孔对应上层通道入口的矩形截面中央。

具体的，穿孔内面板和穿孔上面板的厚度为1～3mm，穿孔内面板和穿孔上面板上穿孔的直径均为1～3mm。

进一步的，穿孔的形状为圆形、三角形、方形、花瓣形或不规则形。

具体的，阻尼内衬层的厚度为1～4mm，采用橡胶或聚氨酯材料制成。

具体的，元胞按10×10的阵列设置。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

一种阻尼内衬双层串联空间盘绕穿孔板水下吸声结构，通过将穿孔上面板与双层串联空间盘绕通道连接形成亥姆霍兹共振腔单元，增加了共振腔的等效深度，并在双层串联空间盘绕通道的侧壁和底部粘贴阻尼内衬层，改善了结构的声阻抗特性，提高了结构的低频水下吸声性能；由于双层串联空间盘绕通道由上下两个空间盘绕通道组合而成，两个通道具有不同的几何形状参数，使得本发明具有两个不同的吸声峰，进而可以拓宽有效吸声频带，轻质空间盘绕通道结构在实现良好的低频水下吸声性能的前提下，又使得结构更加小型紧凑，减轻了结构重量，保证了结构承载性能，解决了传统水下吸声结构在普遍存在低频吸声性能差、难以减重、不耐高静水压力的问题。

进一步的，双层串联空间盘绕通道由上下2个子通道组成，空间盘绕通道作为亥姆霍兹共振腔，起到了声容的作用，双层串联空间盘绕通道增加了结构内部腔体的等效高度，使结构具有优异的低频水下吸声性能。

进一步的，上层通道和下层通道的高度为20～35mm，空间盘绕通道的高度决定了共振腔体的尺寸，改变空间盘绕通道的高度可以调整结构的吸声频带，进而拓宽结构的有效吸声频带。

进一步的，通道的矩形截面长度为10～20mm，通道的矩形截面宽度为8～13mm，通过调整子通道的矩形截面的大小，可以控制结构的峰值吸声频率。

进一步的，双层串联空间盘绕通道的总高度为45～65mm，空间盘绕通道的高度决定了共振腔体的尺寸，改变空间盘绕通道的高度可以调整结构的吸声频带，进而拓宽结构的有效吸声频带。

进一步的，穿孔内面板与穿孔上面板上每一个小孔对应双层串联空间盘绕通道的截面中心位置，穿孔的设置将使双层串联空间盘绕通道内部与外部连通，水通过穿孔流入双层串联空间盘绕通道内部，形成串联形式的亥姆霍兹共振腔。

进一步的，穿孔内面板与穿孔上面板的穿孔的直径为1～3mm，穿孔的直径决定了穿孔内水柱的直径，通过调节穿孔直径可以改变结构的亥姆霍兹共振特性，从而调节结构的吸声性能，穿孔内面板与穿孔上面板的厚度为1～3mm，穿孔内面板与穿孔上面板的厚度一方面决定了穿孔内水柱的高度，控制着结构的共振吸声特性，另一方面可以调节结构的承载性能。

进一步的，穿孔形状为圆形、三角形、方形、花瓣形或不规则形，有利于实现结构的低频水下吸声。

进一步的，阻尼内衬层由橡胶或聚氨酯等粘弹性材料制成，粘贴于双层串联空间盘绕通道的侧壁和底壁上，阻尼内衬层的粘贴为共振腔提供了额外的声阻和声容，改善了结构的阻抗特性，有利于实现结构的低频水下吸声，阻尼内衬层的厚度为1～4mm，阻尼内衬层的厚度决定了额外增加的声阻和声容的大小，对结构的声阻抗特性会产生影响，通过合理设计可以实现特定频率的优异吸声效果。

进一步的，元胞按10×10的阵列设置，水下装备在0～1400Hz的范围内，存在两个吸声峰值，吸声系数可以达到0.99以上，实现对水下低频声波的完美吸收，且结构厚度仅为完美吸声频率处的波长的1/82～1/64，是一种具有完美吸声性能的深亚波长超材料。

综上所述，本发明水下吸声结构具有优异的低频水下吸声性能以及良好的承载性能和轻量化性能。在设计方面具有更多的可调结构参数，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为本发明结构示意图，其中，(a)为元胞的结构示意图，(b)为元胞A-A截面的结构剖面图，(c)为元胞的结构分解图，(d)为元胞阵列后的水下吸声结构示意图；

图2为本发明三个实施例在0～1400Hz内的吸声系数示意图。

其中：1.穿孔内面板；2.穿孔上面板；3.阻尼内衬层面板；4.双层串联空间盘绕通道。

具体实施方式

本发明提供了一种阻尼内衬双层串联空间盘绕穿孔板水下吸声结构，通过焊接或胶接穿孔内面板、穿孔上面板和双层串联空间盘绕通道，形成双层串联空间盘绕型共振腔单元，并在双层串联空间盘绕通道的侧壁和底壁上粘贴阻尼内衬层，改善了结构的声阻抗特性，提高了结构的低频吸声性能。轻质空间盘绕通道结构在实现良好的低频水下吸声性能的前提下，使得结构更加小型紧凑，减轻了结构重量，保证了结构承载性能，解决了传统水下吸声结构在普遍存在低频吸声性能差、难以减重、不耐高静水压力的问题。本发明在实际应用时，将下表面固定在需要声学处理的水下装备上。本发明具有很广泛的工程应用前景，为工程结构的水下减震降噪和水下吸声结构的多功能化设计提供了全新的解决方案。

请参阅图1，本发明一种阻尼内衬双层串联空间盘绕穿孔板水下吸声结构，包括多个长方体结构的元胞，每个元胞包括：穿孔内面板1、穿孔上面板2、阻尼内衬层3以及双层串联空间盘绕通道4，穿孔内面板1、穿孔上面板2和双层串联空间盘绕通道4通过焊接或胶接相连，阻尼内衬层3粘贴于双层串联空间盘绕通道的侧壁和底壁上，形成一种阻尼内衬双层串联空间盘绕穿孔板水下吸声结构，多个元胞阵列设置构成阻尼内衬双层串联空间盘绕穿孔板水下吸声结构。

穿孔内面板1由结构钢制成，上面开有小孔，穿孔内面板1上每一个小孔对应上层空间盘绕通道出口及下层空间盘绕通道入口中的矩形截面中央，穿孔内面板1上的穿孔的直径为1～3mm，形状为圆形、三角形、方形、花瓣形或不规则形，穿孔内面板1的厚度为1～3mm。

穿孔上面板2由结构钢制成，上面开有小孔，穿孔上面板2上每一个小孔对应上层空间盘绕通道入口的矩形截面中央，穿孔上面板2上的穿孔的直径为1～3mm，形状为圆形、三角形、方形、花瓣形或不规则形，穿孔上面板2的厚度为1～3mm。

阻尼内衬层3由橡胶或聚氨酯等粘弹性材料制成，粘贴于双层串联空间盘绕通道的侧壁和底壁上，阻尼内衬层的厚度为1～4mm。

双层串联空间盘绕通道4由结构钢制成，总体为长方体形状，双层串联空间盘绕通道4由上下两层空间盘绕通道组合而成，每层通道的截面形状为矩形，通道的矩形截面的长为10～20mm，通道的矩形截面的宽为8～13mm，空间盘绕通道的总高度为45～65mm，每层空间盘绕通道的高度为20～35mm。在实际应用时，将双层串联空间盘绕通道4的下表面固定在需要声学处理的水下装备上。

优选的，请参阅图1(d)，元胞按10×10阵列得到的吸声结构。

本发明由穿孔内面板、穿孔上面板、双层串联空间盘绕通道和阻尼内衬层组成，其吸声性能主要由双层串联空间盘绕通道共振腔决定，包括穿孔面板上的穿孔直径、穿孔面板厚度、双层串联空间盘绕通道中子通道的矩形截面长、双层串联空间盘绕通道中子通道的矩形截面宽、每层空间盘绕通道的高度、阻尼内衬层厚度决定。承载和轻量化性能主要由面板和空间盘绕通道决定，包括穿孔面板厚度、双层串联空间盘绕通道中子通道的矩形截面长、双层串联空间盘绕通道中子通道的矩形截面宽、双层串联空间盘绕通道总高度等。由于这些结构参数均为可调参数，所以可以通过调节实现相应的吸声、承载和轻量化性能要求。下面通过具体实施例进行对本发明技术方案进行示例性说明。

实施例用材料：

结构钢：其特征是密度7850kg/m³，杨氏模量200GPa，泊松比0.3。

橡胶：其特征是密度1100kg/m³，杨氏模量10MPa，泊松比0.49，等效各向同性损耗因子为0.3。

水：其特征是密度1000kg/m³，声速1500m/s，动力粘度系数0.00101Pa·s。

实施例的结构尺寸以及材料选择：

实施例1

穿孔内面板穿孔直径1mm，穿孔内面板厚度2mm，穿孔上面板穿孔直径1.8mm，穿孔上面板厚度2mm，双层串联空间盘绕通道的矩形截面长度为10mm，双层串联空间盘绕通道的矩形截面宽度为8mm，双层串联空间盘绕通道的总高度为60mm，上层空间盘绕通道的高度为30mm，下层空间盘绕通道的高度为30mm，上层阻尼内衬层的厚度为2mm，下层阻尼内衬层的厚度为3mm。

实施例2

穿孔内面板穿孔直径1mm，穿孔内面板厚度3mm，穿孔上面板穿孔直径1.8mm，穿孔上面板厚度1mm，双层串联空间盘绕通道的矩形截面长度为18mm，双层串联空间盘绕通道的矩形截面宽度为10mm，双层串联空间盘绕通道的总高度为55mm，上层空间盘绕通道的高度为35mm，下层空间盘绕通道的高度为20mm，上层阻尼内衬层的厚度为1.5mm，下层阻尼内衬层的厚度为1.5mm。

实施例3

穿孔内面板穿孔直径3mm，穿孔内面板厚度3mm，穿孔上面板穿孔直径2mm，穿孔上面板厚度1mm，双层串联空间盘绕通道的矩形截面长度为20mm，双层串联空间盘绕通道的矩形截面宽度为13mm，双层串联空间盘绕通道的总高度为45mm，上层空间盘绕通道的高度为25mm，下层空间盘绕通道的高度为20mm，上层阻尼内衬层的厚度为1mm，下层阻尼内衬层的厚度为4mm。

请参阅图2，在低频时的亥姆霍兹共振现象可以在一定频率范围内实现完美吸声。通过在双层串联空间盘绕通道侧壁和底壁粘贴阻尼内衬层，改善了结构的声阻抗特性，由橡胶层提供额外的声阻和声容，形成了类亥姆霍兹共振，使本发明实现了水下的低频完美吸声，解决了声学超材料对低频水下声波吸声性能差的问题。

请参阅图2，实施例1具有两个吸声峰值，分别在287Hz和657Hz处，其中第一吸声峰与第二吸声峰均为0.99，均为完美吸声峰值。此时结构厚度为64mm，对应完美吸声频率声波波长的1/82，该结构具有深亚波长属性；

实施例2具有两个吸声峰值，分别在332Hz和706Hz处，其中第一吸声峰与第二吸声峰均为0.99，均为完美吸声峰值。此时结构厚度为59mm，对应完美吸声频率声波波长的1/77，该结构具有深亚波长属性；

实施例3具有两个吸声峰值，分别在476Hz和1279Hz处，其中第一吸声峰为0.99，为完美吸声峰值，第二吸声峰为0.76。此时结构厚度为49mm，对应完美吸声频率声波波长的1/64，该结构具有深亚波长属性。

从吸声系数曲线可以看出本发明可以在一定的频率范围内实现优异的低频吸声性能，并且通过不同的结构参数的设计可以实现对声学性能的调节。

本发明试件在0～1400Hz的范围内，存在两个吸声峰值，在某些频率处，吸声系数可以达到0.99以上，从而实现对水下低频声波的完美吸收，且结构厚度仅为完美吸声频率处的波长的1/82～1/64，该结构是一种具有完美吸声性能的深亚波长超材料。

本发明中的穿孔内面板和穿孔上面板上的穿孔直径与面板厚度、双层串联空间盘绕通道中的矩形截面长与矩形截面宽、双层串联空间盘绕通道总高度、上下两层空间盘绕通道的高度、阻尼内衬层厚度均为可调参数，可以根据具体的使用场景，如对承载性能的要求或对声学性能的要求合理的进行选择调整。

本发明的穿孔面板、双层串联空间盘绕通道均为结构钢材料构成，双层串联空间盘绕通道的长方体外形也是一种蜂窝结构，该结构具有良好的耐压性能、抗弯性能，是一种承载、轻量化的多功能结构。

综上所述，本发明一种阻尼内衬双层串联空间盘绕穿孔板水下吸声结构，用于处理水下装备的表面，如探测器、潜航器等的壳体、壁面，实现水下减震降噪的需求，具有优异的低频吸声性能，良好的承载性能和轻量化性能，以及更多的可调参数和变量，结构简单，制造简便，具有很广泛的工程应用前景，为工程结构的水下减震降噪和水下吸声结构的多功能化设计提供了全新的解决方案。

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 (10)

1.一种阻尼内衬双层串联空间盘绕穿孔板水下吸声结构，其特征在于，包括多个阵列设置的元胞，每个元胞包括双层串联空间盘绕通道(4)，双层串联空间盘绕通道(4)的内部设置有阻尼内衬层(3)，双层串联空间盘绕通道(4)包括上层通道和下层通道，上层通道和下层通道之间设置有穿孔内面板(1)，双层串联空间盘绕通道(4)的顶部设置有穿孔上面板(2)，下层通道的下表面固定在需要声学处理的水下装备上。

2.根据权利要求1所述的阻尼内衬双层串联空间盘绕穿孔板水下吸声结构，其特征在于，上层通道和下层通道内分别设置有多个首尾相连的子通道，多个子通道组成蛇形结构，上层通道尾部的子通道与下层通道首部的子通道连接。

3.根据权利要求2所述的阻尼内衬双层串联空间盘绕穿孔板水下吸声结构，其特征在于，上层通道和下层通道的高度为20～35mm。

4.根据权利要求1所述的阻尼内衬双层串联空间盘绕穿孔板水下吸声结构，其特征在于，上层通道和下层通道的截面形状均为矩形，矩形的长为10～20mm，宽为8～13mm。

5.根据权利要求1所述的阻尼内衬双层串联空间盘绕穿孔板水下吸声结构，其特征在于，双层串联空间盘绕通道(4)的高度为45～65mm。

6.根据权利要求1所述的阻尼内衬双层串联空间盘绕穿孔板水下吸声结构，其特征在于，穿孔内面板1上的穿孔对应下层通道入口的矩形截面中央，穿孔上面板(2)上的穿孔对应上层通道入口的矩形截面中央。

7.根据权利要求1所述的阻尼内衬双层串联空间盘绕穿孔板水下吸声结构，其特征在于，穿孔内面板(1)和穿孔上面板(2)的厚度为1～3mm，穿孔内面板(1)和穿孔上面板(2)上穿孔的直径均为1～3mm。

8.根据权利要求7所述的阻尼内衬双层串联空间盘绕穿孔板水下吸声结构，其特征在于，穿孔的形状为圆形、三角形、方形、花瓣形或不规则形。

9.根据权利要求1所述的阻尼内衬双层串联空间盘绕穿孔板水下吸声结构，其特征在于，阻尼内衬层(3)的厚度为1～4mm，采用橡胶或聚氨酯材料制成。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的阻尼内衬双层串联空间盘绕穿孔板水下吸声结构，其特征在于，元胞按10×10的阵列设置。

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