CN117577081A - 一种粘弹性材料填充的斜插板水下吸声结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种粘弹性材料填充的斜插板水下吸声结构，底板上固定有若干六方蜂窝壁面，在蜂窝壁面上嵌入一系列中心开孔的穿孔板，其中穿孔板与蜂窝壁面通过焊接或胶接相连，穿孔板具有一定的倾斜角。粘弹性材料充分填充在结构内部，从而构成粘弹性材料填充的斜插板水下吸声结构。本发明可用于制造水下消声覆盖层，具有优异的宽频水下吸声性能以及良好的承压能力。在设计方面，结构参数和材料参数具有很大的可调性，可根据实际工况需求进行选择，具有广泛的工程应用前景。

Description

一种粘弹性材料填充的斜插板水下吸声结构
技术领域
本发明属于水下吸声复合结构技术领域，具体涉及一种粘弹性材料填充的斜插板水下吸声结构。
背景技术
目前，在提高消声瓦吸声性能方面已经存在一些研究，主要包括：
1.空腔谐振型，即在均质吸声材料中嵌入不同形状的声学空腔，声波的有效吸收是利用波形转换、空腔谐振以及吸声材料的粘性实现；
2.阻抗渐变型，使用不同的均质材料按照阻抗大小形成梯度复合材料时，可以有效降低声波界面处的反射，提高结构的整体吸声效率；
3.局域共振型，通过在较软介质中嵌入密度较大的材料，使其具有较低的共振频率，当入射声波频率与结构自身共振频率接近时，内部材料会发生剧烈震荡，并通过介质的粘滞阻力将动能转化成热能耗散掉。
但是以上结构在一定的厚度和具有良好的承载能力下，很难达到低频和超宽带的吸声效果，在实际的应用中受到限制。所以设计出一款具有超宽带吸声效果和优异承载性能的复合功能水下吸声结构仍然是一个挑战性的工作。
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，提供一种粘弹性材料填充的斜插板水下吸声结构，用于解决传统水下消声覆盖层宽频吸声性能较差、不耐高静水压的技术问题。
本发明采用以下技术方案：
一种粘弹性材料填充的斜插板水下吸声结构，包括元胞，多个元胞阵列设置在底板上，每个元胞的顶部设置有第一穿孔板，元胞的内部依次嵌入设置有多个第二穿孔板，第一穿孔板垂直于元胞的壁面放置，第二穿孔板与元胞的壁面呈非垂直式放置，第一穿孔板和第二穿孔板上开有孔，孔的位置对应于元胞的轴线位置；第一穿孔板和第二穿孔板，以及多个第二穿孔板之间填充有粘弹性材料。
具体的，元胞包括蜂窝，第一穿孔板设置在蜂窝的顶部，第二穿孔板嵌入设置在蜂窝的内部，蜂窝与第一穿孔板和第二穿孔板之间通过焊接或胶接方式连接。
进一步的，蜂窝为六方形结构，蜂窝的壁面厚度为0.5～3mm。
具体的，第一穿孔板和第二穿孔板的厚度为0.1～3mm，总数量为3～35个。
具体的，第一穿孔板和第二穿孔板，以及相邻的两个第二穿孔板之间的距离为0.5～10mm。
具体的，第一穿孔板和第二穿孔板的中心开有半径为1～50mm的孔。
进一步的，孔的形状为圆形、三角形、方形、花瓣形或不规则性。
具体的，第二穿孔板与元胞壁面的夹角为-90～90°。
具体的，元胞采用四方或六方排布方式设置，每个元胞的宽度为10～60mm。
具体的，斜插板水下吸声结构的总厚度为20～70mm，在2～10kHz实现大于0.9的宽屏吸声性能。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
一种粘弹性材料填充的斜插板水下吸声结构，在底板上固定有若干元胞，将穿孔板焊接或胶接在元胞的壁面上，穿孔板具有一定的倾斜角，在结构内部充分填充粘弹性材料如橡胶和聚氨酯等；在不同频率声波的激励下，粘弹性材料会产生振动，由于蜂窝和穿孔板限制粘弹性材料的振动，所以粘弹性材料内部产生剪切效应，导致粘弹性材料中传播的声波由纵波转化为容易被耗散的剪切波，大大提升了粘弹性材料的声波耗散能力。另一方面，嵌入多层穿孔板后，穿孔板内部的开孔能形成一个圆锥形区域，使得能量耗散集中在此区域内，并且能量耗散值和耗散比1都得到了显著提升；除此之外，由于橡胶的振动包括压缩振动和局部振动，在不同方向上具有多种振动模式，在不同频率的声波激励下，多种振动模式的耦合提供了宽频吸声效果。
进一步的，蜂窝结构具有良好的力学性能，压力通过蜂窝结构传递到底板，保证了结构的承载性能。
进一步的，六方蜂窝壁面的厚度为0.5～3mm，为了保证结构具有一定的承载能力，六方蜂窝由金属材料或碳纤维/玻璃纤维复合材料制成。
进一步的，穿孔板的总数量为3～35个，穿孔板与蜂窝壁呈一定角度，不同角度的结构提供的振动模式也不同，控制着消声层的宽频吸声效果。
进一步的，穿孔板内部开孔半径为1～50mm，形状为圆形、三角形、方形、花瓣形或不规则性；每层的开孔尺寸可以相同或遵循递减与递增的规则变化，通过调节开孔尺寸可以改变结构的振动特性，从而调节结构的吸声性能，中心开孔的穿孔板厚度较薄，由金属材料或碳纤维/玻璃纤维复合材料制成，保证在特定频率的声波激励下能激发结构的共振。
进一步的，六方蜂窝的每个元胞边长为10～60mm，边长的变化会影响结构在由开孔形成的圆锥区域的能量集中耗散效应。
进一步的，为了保证结构具有优异的吸声能力，粘弹性材料填充的斜插板水下吸声结构的总厚度为20～70mm。
综上所述，本发明可用于制造水下消声覆盖层，具有优异的宽频水下吸声性能以及良好的承压能力。在设计方面，结构参数和材料参数具有很大的可调性，可根据实际工况需求进行选择，具有广泛的工程应用前景。
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为本发明水下吸声结构的示意图。
图2为含上斜插板的六方蜂窝元胞的结构示意图，其中，(a)为元胞侧视图，(b)为元胞剖视图，(c)为元胞结构分解图。
图3为含下斜插板的六方蜂窝元胞的结构示意图，其中，(a)为元胞侧视图，(b)为元胞剖视图，(c)为元胞结构分解图。
图4为不同倾斜角度下本发明水下吸声结构的吸声系数对比图，其中，(a)为上斜插板，(b)为下斜插板。
其中：1.蜂窝；2.第一穿孔板；3.第二穿孔板；4.粘弹性材料。
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，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。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，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，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。
本发明提供了一种粘弹性材料填充的斜插板水下吸声结构，在六方蜂窝壁面嵌入一系列孔径规则变化的穿孔板，两者都由金属或碳纤维/玻璃纤维复合材料制成，穿孔板具有一定的倾斜角，并将聚氨酯或橡胶等粘弹性材料充分填充到两者所形成的空间中凝固。在不同声波激励下，粘弹性材料的振动模式不同，进一步加强粘弹性材料的声波耗散能力，实现宽频范围内吸声系数大于0.8的吸声效果。并且蜂窝结构具有良好的力学性能，在静水压的作用下不易变形，从而实现了具有优异的宽频水下吸声性能以及良好的承压能力的多功能复合水下吸声结构。
请参阅图1，本发明一种粘弹性材料填充的斜插板水下吸声结构，包括多个元胞，多个元胞按阵列设置，每个元胞的顶部设置有第一穿孔板2，元胞的内部设置有多个第二穿孔板3，第一穿孔板2垂直于元胞的壁面水平放置，第二穿孔板3与元胞的壁面呈非垂直式倾斜放置，第一穿孔板2和第二穿孔板3上开有孔，孔的位置对应于元胞的轴线位置；第一穿孔板2和第二穿孔板3，以及多个第二穿孔板3之间填充有粘弹性材料1，斜插板水下吸声结构的总体厚度为20～70mm。
其中，每个元胞的宽度为10～60mm。
每个元胞包括：蜂窝1、第一穿孔板2、第二穿孔板3和粘弹性材料4，蜂窝1设置在底板上，蜂窝1与第一穿孔板2和第二穿孔板3之间通过焊接或胶接方式连接，粘弹性材料4充分填充在蜂窝1与第一穿孔板2和第二穿孔板3形成的空间内，
请参阅图2和图3，第二穿孔板3具有一定的倾斜角，当倾斜角大于0°，即第二穿孔板3向上倾斜时，元胞结构剖视图和分解图如图2所示；当倾斜角小于0°，即穿孔板3向下倾斜时，元胞结构剖视图和分解图如图3所示。
蜂窝1为六方形结构，由铁、铝等金属材料或碳纤维/玻璃纤维复合材料制成，为了保证结构具有一定的承载能力，蜂窝1的壁面厚度为0.5～3mm。
第一穿孔板2和第二穿孔板3由铁、铝等金属材料或碳纤维/玻璃纤维复合材料制成，第一穿孔板2和第二穿孔板3的厚度为0.1～3mm；第一穿孔板2和第二穿孔板3，以及相邻的两个第二穿孔板3之间的距离为0.5～10mm。
第一穿孔板2和第二穿孔板3的中心开有单个孔，开孔半径为1～50mm，形状为圆形、三角形、方形、花瓣形或不规则性。
第一穿孔板2和第二穿孔板3的总数量为3～35个，通过焊接或胶接方式与蜂窝1的壁面连接，具有一定倾斜角。
粘弹性材料4为橡胶或聚氨酯类高分子材料，充分填充在蜂窝1与第一穿孔板2和第二穿孔板3所形成的空间中，在振动受到约束的情况下产生很强的剪切作用，拥有很强的声波耗散能力，为结构中粘弹性材料的的多重振动模式提供相应的耗散方式。
本发明一种粘弹性材料填充的斜插板水下吸声结构的吸声性能主要由倾斜穿孔板的结构尺寸和粘弹性材料的材料参数决定，具体包括：
薄板震荡器的倾斜角度、薄板震荡器的厚度、相邻穿孔板的距离、穿孔板的总个数、穿孔板中心开孔形状和尺寸、粘弹性材料的密度、粘弹性材料中横波和纵波的波速、粘弹性材料中横波和纵波的损耗因子以及吸声结构总厚度；承载性能主要由蜂窝的壁厚和吸声结构总厚度决定；由于这些结构参数和材料参数具有可调性，所以能合理调节结构的吸声性能和承载性能。
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。
实施例的材料参数：
结构钢：密度7850kg/m3，杨氏模量200GPa，泊松比0.3。
橡胶：密度900kg/m3，纵波波速900m/s，纵波损耗因子为0.2，横波波速为110m/s，横波损耗因子为0.9。
水：密度1000kg/m3，声速1500m/s，动力粘度系数0.00101Pa·s。
实施例1
六方蜂窝总高度：H＝63.5mm；
蜂窝元胞尺寸：a＝50mm；
蜂窝壁厚：ts＝1.5mm；
顶部穿孔板与倾斜穿孔板距离：h0＝2mm；
穿孔板厚度：h1＝1mm；
相邻穿孔板间距：h2＝5mm；
穿孔板向上倾斜角度：α＝0°、8°和16°；
穿孔板总个数：N＝10
穿孔板中心开孔形状为圆孔，其直径：d＝60mm。
实施例2
六方蜂窝总高度：H＝63.5mm；
蜂窝元胞尺寸：a＝50mm；
蜂窝壁厚：ts＝1.5mm；
顶部穿孔板与倾斜穿孔板距离：h0＝2mm；
穿孔板厚度：h1＝1mm；
相邻穿孔板间距：h2＝5mm
穿孔板向下倾斜角度：β＝0°、8°和16°；
穿孔板总个数：N＝10；
穿孔板中心开孔形状为圆孔，其直径：d＝60mm。
请参阅图4(a)、(b)，利用数值模拟计算了结构在0～10kHz的吸声系数，两个实施例均对比了不同倾斜角度下的吸声系数，每个实施例中其余结构参数和材料参数都保持一致。本发明所提出的吸声结构在2～10kHz内实现大于0.9的宽屏吸声性能，并且穿孔板具有倾斜角后吸声性能有一定提升。
本发明具有以下技术效果：
1、具有优异的宽频吸声性能
本发明结构在中高频率范围内能实现吸声系数大于0.8的吸声效果，穿孔板的倾斜角增大时，吸声性能有所提升。
2、具有良好的承载能力
六方蜂窝由金属钢制成，具有良好的力学性能，压力通过蜂窝结构传递到底板，保证了结构的承载性能。
3、具有可调的结构参数和材料参数
倾斜穿孔板的结构参数和橡胶的材料参数的变化，对结构的吸声性能的提升有显著的影响，可根据实际工况需求进行选择。
综上所述，本发明一种粘弹性材料填充的斜插板水下吸声结构，可用于制造水下消声覆盖层，具有优异的宽频水下吸声性能以及良好的承压能力。在设计方面，结构参数和材料参数具有很大的可调性，可根据实际工况需求进行选择，具有很广泛的工程应用前景，为工程结构的水下减振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)

1.一种粘弹性材料填充的斜插板水下吸声结构，其特征在于，包括元胞，多个元胞阵列设置在底板上，每个元胞的顶部设置有第一穿孔板(2)，元胞的内部依次嵌入设置有多个第二穿孔板(3)，第一穿孔板(2)垂直于元胞的壁面放置，第二穿孔板(3)与元胞的壁面呈非垂直式放置，第一穿孔板(2)和第二穿孔板(3)上开有孔，孔的位置对应于元胞的轴线位置；第一穿孔板(2)和第二穿孔板(3)，以及多个第二穿孔板(3)之间填充有粘弹性材料(1)。
2.根据权利要求1所述的粘弹性材料填充的斜插板水下吸声结构，其特征在于，元胞包括蜂窝(1)，第一穿孔板(2)设置在蜂窝(1)的顶部，第二穿孔板(3)嵌入设置在蜂窝(1)的内部，蜂窝(1)与第一穿孔板(2)和第二穿孔板(3)之间通过焊接或胶接方式连接。
3.根据权利要求2所述的粘弹性材料填充的斜插板水下吸声结构，其特征在于，蜂窝(1)为六方形结构，蜂窝(1)的壁面厚度为0.5～3mm。
4.根据权利要求1所述的粘弹性材料填充的斜插板水下吸声结构，其特征在于，第一穿孔板(2)和第二穿孔板(3)的厚度为0.1～3mm，总数量为3～35个。
5.根据权利要求1所述的粘弹性材料填充的斜插板水下吸声结构，其特征在于，第一穿孔板(2)和第二穿孔板(3)，以及相邻的两个第二穿孔板(3)之间的距离为0.5～10mm。
6.根据权利要求1所述的粘弹性材料填充的斜插板水下吸声结构，其特征在于，第一穿孔板(2)和第二穿孔板(3)的中心开有半径为1～50mm的孔。
7.根据权利要求6所述的粘弹性材料填充的斜插板水下吸声结构，其特征在于，孔的形状为圆形、三角形、方形、花瓣形或不规则性。
8.根据权利要求1所述的粘弹性材料填充的斜插板水下吸声结构，其特征在于，第二穿孔板(3)与元胞壁面的夹角为-90～90°。
9.根据权利要求1所述的粘弹性材料填充的斜插板水下吸声结构，其特征在于，元胞采用四方或六方排布方式设置，每个元胞的宽度为10～60mm。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的粘弹性材料填充的斜插板水下吸声结构，其特征在于，斜插板水下吸声结构的总厚度为20～70mm，在2～10kHz实现大于0.9的宽屏吸声性能。
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