CN115881075A - 一种立体折叠型水下吸声超材料结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立体折叠型水下吸声超材料结构，包括穿孔面板，穿孔面板下方设置有壁板，壁板组成了立体折叠型背腔通道，穿孔面板的穿孔对应了立体折叠型背腔通道的截面中心，壁板上固定有一层阻尼内衬层。穿孔面板、壁板和阻尼内衬层连接形成立体折叠型水下吸声超材料结构。本发明具有优异的宽带低频吸声性能以及超薄的亚波长结构尺寸。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。

Description

一种立体折叠型水下吸声超材料结构

技术领域

本发明属于声学超材料技术领域，具体涉及一种立体折叠型水下吸声超材料结构。

背景技术

随着我国海洋事业的不断发展，对水下装备的吸声性能提出了更高的要求。传统的水下吸声材料或结构，包括多孔水下吸声材料、微粒填充型水下吸声材料、局域共振型水下吸声材料及多孔水下吸声材料等，虽然在中高频段有优良的吸声性能，但其在低频段的吸声性能较差，且结构体积较大，与声波波长相当。相比传统吸声材料，近年来兴起的水声吸声超材料，包括局域共振水声吸声超材料和非共振型水声吸声超材料，有更好的声学性能。局域共振水声吸声超材料能将结构的共振吸声频率降低两个数量级，但当频率低于500Hz时，其低频吸声性能较差。非共振型水声吸声超材料能实现较宽频带上的高效吸声，但其低频段吸声性能仍不足。

综合来看，上述结构在水下普遍存在低频吸声性能不佳、结构厚度大的问题。

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，提供一种立体折叠型水下吸声超材料结构，解决传统水下吸声结构在普遍存在低频吸声性能不佳、结构厚度大的问题。

本发明采用以下技术方案：

一种立体折叠型水下吸声超材料结构，包括立体折叠型的背腔通道，背腔通道的一侧阵列设置在穿孔面板上，另一侧固定在需要声学处理的水下装备上，每个背腔通道内设置有对应的阻尼内衬层，穿孔面板上对应背腔通道的截面中心处设置有穿孔。

具体的，背腔通道为长方体结构，包括壁板，两个壁板高低交叉布置形成四个相互连通的通道，两个壁板的四周设置有侧板。

进一步的，背腔通道的截面长度为5～30mm，宽度为5～30mm。

进一步的，壁板的厚度为1～2mm。

具体的，背腔通道的总高度为20～100mm。

具体的，穿孔的直径为1～5mm。

具体的，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1～7mm。

具体的，阻尼内衬层采用粘弹性材料制备而成。

具体的，穿孔面板的厚度为0.2～4mm。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种立体折叠型水下吸声超材料结构，通过焊接或胶接穿孔面板、壁板，形成立体折叠型背腔通道，并在立体折叠型背腔通道的四周侧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。立体折叠型背腔通道的设计能在不降低低频吸声性能的前提下，减小结构的厚度，保证了结构的亚波长尺度的超薄特性，解决了传统水下吸声结构在普遍存在低频吸声性能不佳、结构过厚的问题，穿孔面板的穿孔对应了立体折叠型背腔通道的截面中心，每个穿孔都对应有一个结构单元，声波能通道穿孔进入背腔通道，进而实现吸声。

进一步的，壁板的壁厚为1～2mm，壁板组成的立体折叠型背腔通道的截面的长度为5～30mm，宽度为5～30mm，立体折叠型背腔通道的总高度为20～100mm，通过调节立体折叠型背腔通道的尺寸能够调节结构的峰值吸声频率。

进一步的，阻尼内衬层固定于壁板上，采用粘弹性材料制备而成，厚度为1～7mm，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，穿孔面板采用结构钢制成，厚度为0.2～4mm，穿孔面板的厚度决定了穿孔的高度，控制着结构的共振吸声特性。

进一步的，穿孔的形状包括圆形，三角形、方形、花瓣形或不规则形，穿孔在穿孔面板上交替排布，穿孔的直径为1～5mm，通过调节穿孔的孔径、形状，能够调节结构的吸声性能。

综上所述，本发明具有优异的低频吸声性能以及深亚波长结构尺寸。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为本发明水下吸声超材料的示意图；

图2为本发明结构单元的分解图；

图3为本发明三个实施例在10～1500Hz内的吸声系数示意图。

其中：1.穿孔面板；2.壁板；3.阻尼内衬层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

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。

应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

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。

本发明提供了一种立体折叠型水下吸声超材料结构，通过焊接或胶接穿孔面板、壁板，形成立体折叠型背腔通道，并在立体折叠型背腔通道的四周侧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。立体折叠型背腔通道的设计能在不降低低频吸声性能的前提下，减小结构的厚度，保证了结构的亚波长尺度的超薄特性，解决了传统水下吸声结构在普遍存在低频吸声性能不佳、结构过厚的问题。

请参阅图1，本发明一种立体折叠型水下吸声超材料结构，包括穿孔面板1、壁板2和阻尼内衬层3，壁板2包括两个，高低交叉布置在穿孔面板1上形成一个立体折叠型的背腔通道，背腔通道的四周设置有侧板，背腔通道内设置有对应的阻尼内衬层3，若干背腔通道阵列设置在穿孔面板1上，另一侧固定在需要声学处理的水下装备上。

其中，穿孔面板1上周期性的开有若干穿孔，穿孔对应立体折叠型背腔通道的截面中心设置。

穿孔面板1和壁板2之间采用焊接或胶接方式连接，阻尼内衬层3粘贴于每一个结构单元的壁板上，形成一种立体折叠型水下吸声超材料结构。

穿孔面板1采用结构钢制成，穿孔面板1上周期性的开有穿孔，且穿孔面板1上每一个穿孔对应一个结构单元，穿孔的直径为1～5mm，穿孔面板1的厚度为0.2～4mm。

除此之外，穿孔面板1上穿孔形状不限于圆形，三角形、方形、花瓣形或不规则形穿孔均可。

请参阅图2，壁板2采用结构钢制成，壁板组成的立体折叠型背腔通道的截面的长度为5～30mm，宽度为5～30mm，立体折叠型背腔通道的高度为20～100mm；阻尼内衬层3粘贴于每一个结构单元的壁板上，阻尼内衬层3的厚度为1～7mm；壁板2的厚度为1～2mm。

除此之外，制成阻尼内衬层3的材料不限于橡胶，聚氨酯等粘弹性材料均可。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明由穿孔面板、壁板、阻尼内衬层组成，其吸声性能主要由穿孔直径、穿孔面板厚度、立体折叠型背腔通道的截面的宽度、长度与高度、阻尼内衬层厚度决定。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、结构超薄化。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。

实施例所用材料：

结构钢：密度7850kg/m³，杨氏模量200GPa，泊松比0.3。

橡胶：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：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

穿孔直径为4mm，穿孔面板厚度1mm，壁厚1mm，立体折叠型背腔通道截面的宽度为14.4mm，长度为15.4mm，总高度为51mm，阻尼内衬层厚度为4.7mm。

实施例2

穿孔直径为3mm，穿孔面板厚度2mm，壁厚1mm，立体折叠型背腔通道截面的宽度为17mm，长度为17mm，高度为31mm，阻尼内衬层厚度为5mm。

实施例3

穿孔直径为2mm，穿孔面板厚度3mm，壁厚1mm，立体折叠型背腔通道截面的宽度为12mm，长度为12mm，高度为21mm，阻尼内衬层厚度为3mm。

请参阅图3，实施例1在189Hz处达到完美吸声，吸声系数的最大值为0.99，结构厚度为波长的1/152，吸声系数大于0.5的频段达922Hz；

实施例2在302Hz处达到完美吸声，吸声系数的最大值为0.99，结构厚度为波长的1/150，吸声系数大于0.5的频段达381Hz；

实施例3在451Hz处达到完美吸声，吸声系数的最大值为0.99，结构厚度为波长的1/207，吸声系数大于0.5的频段达283Hz；

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宽带低频吸声性能，并且结构具有深亚波长结构尺寸特性。

综上所述，本发明一种立体折叠型水下吸声超材料结构，具有如下技术效果：

1、具有优异的宽带低频段声波吸收性能。

本发明在100～1500Hz的范围内，吸声峰值达到0.99以上，实现完美吸声，且吸声系数大于0.5的频段达922Hz。

2、具有深亚波长结构尺寸特性。

本发明结构尺寸仅为工作波长的1/152，属于深亚波长结构尺寸范围，结构厚度超薄。

3、具有更多的可调参数和变量。

本发明中的穿孔直径、穿孔面板厚度、阻尼内衬层厚度等均为可调参数，可以根据具体的使用场景，如对低频吸声的要求或对结构厚度的要求合理的进行选择调整。

4、结构简单，易于制造。

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)

1.一种立体折叠型水下吸声超材料结构，其特征在于，包括立体折叠型的背腔通道，背腔通道的一侧阵列设置在穿孔面板(1)上，另一侧固定在需要声学处理的水下装备上，每个背腔通道内设置有对应的阻尼内衬层(3)，穿孔面板(1)上对应背腔通道的截面中心处设置有穿孔。

2.根据权利要求1所述的立体折叠型水下吸声超材料结构，其特征在于，背腔通道为长方体结构，包括壁板(2)，两个壁板(2)高低交叉布置形成四个相互连通的通道，两个壁板(2)的四周设置有侧板。

3.根据权利要求2所述的立体折叠型水下吸声超材料结构，其特征在于，背腔通道的截面长度为5～30mm，宽度为5～30mm。

4.根据权利要求2所述的立体折叠型水下吸声超材料结构，其特征在于，壁板(2)的厚度为1～2mm。

5.根据权利要求1所述的立体折叠型水下吸声超材料结构，其特征在于，背腔通道的总高度为20～100mm。

6.根据权利要求1所述的立体折叠型水下吸声超材料结构，其特征在于，穿孔的直径为1～5mm。

7.根据权利要求1或6所述的立体折叠型水下吸声超材料结构，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。

8.根据权利要求1所述的立体折叠型水下吸声超材料结构，其特征在于，阻尼内衬层(3)的厚度为1～7mm。

9.根据权利要求1或8所述的立体折叠型水下吸声超材料结构，其特征在于，阻尼内衬层(3)采用粘弹性材料制备而成。

10.根据权利要求1所述的立体折叠型水下吸声超材料结构，其特征在于，穿孔面板(1)的厚度为0.2～4mm。

Images