CN117746827A - 一种内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，在底板上固定有若干蜂窝，在蜂窝的壁面上嵌入一系列穿孔板，穿孔板与蜂窝壁面通过焊接或胶接相连，粘弹性材料充分填充在结构内部，多层穿孔板的中心区域内置圆柱水腔，水从顶部穿孔板进入腔体内部，形成亥姆霍兹共鸣腔。本发明可用于制造水下消声覆盖层，能显著提升粘弹性材料在低频域范围内的吸声性能，具有良好的抗压性能。由于参数的可调性，合理的设计结构参数和材料参数可以实现低频超宽带的吸声效果，为水下消声层的设计提供了新的思路。
Description
技术领域
本发明属于水下吸声复合结构技术领域，具体涉及一种内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构。
背景技术
随着声纳探测技术的不断进步，潜艇消声层的水下吸声设计变得愈发关键。声学超材料是一类人工周期结构，具备与天然材料不同的声学特性，在深亚波长尺度完美吸收低频声波也是声学超材料的特殊性能之一。在空气声学中，通过空间盘绕结构、嵌入式颈部和多层穿孔的结构设计，借助亥姆霍兹谐振可以实现完美的吸声，并且通过并联多个具有不同几何参数的元胞，可实现宽带吸声。
然而，在水声学中，由于水的体积模量高且粘度相对较小，上述依靠空气中粘性耗散的超材料将不再适用。因此，水下吸声材料的研究主要集中在由粘弹性材料组成的各种结构上，作为水下吸声结构的两种典型配置，Alberich涂层和局部共振声子晶体相继被提出。
然而，由于低频水下声波的波长较长，这些经典结构很难在深亚波长尺度实现低频完美吸收。尽管最近提出了一些新型水声超材料，但其工作频率主要集中在中高频域段，这些超材料往往在低频(1000Hz以下)吸声性能较差，且尺寸与其工作波长相当，低频的吸声对厚度要求较高，给实际应用带来很大障碍，所以在控制厚度的情况下，设计出可以完美吸收1000Hz以下的声波仍然是水声学的关键问题。
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，提供一种内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，用于解决传统水下消声覆盖层低频吸声性能较差、不耐高静水压的技术问题。
本发明采用以下技术方案：
一种内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，包括蜂窝，蜂窝固定在底板上，蜂窝的壁面上嵌入设置多层的穿孔板，穿孔板的顶部与蜂窝之间设置有顶层面板，蜂窝、顶层面板和穿孔板连接构成元胞，元胞内部充分填充粘弹性材料，顶层面板和穿孔板的中心区域内置圆柱形结构的水腔，水从顶层面板经水腔进入元胞内部形成亥姆霍兹共鸣腔；多个元胞按阵列排布构成内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构。
具体的，蜂窝采用四方排布或六方排布结构，排布周期为10～40mm。
进一步的，蜂窝的壁面厚度为0.5～3mm，高度为20～65mm。
具体的，水腔的形状由穿孔板开孔形成的区域决定。
进一步的，水腔的直径为2～35mm，深度为5～60mm。
具体的，顶层面板和穿孔板的开孔半径为0.5～35mm，开孔位置对应于蜂窝的轴线位置，每层穿孔板的开孔尺寸保持一致，或随层数依次递增或递减。
进一步的，开孔形状为圆形、三角形、方形、花瓣形或不规则性。
具体的，穿孔板的总数量为3～30个；穿孔板的厚度为0.1～3mm，相邻穿孔板的距离为0.5～15mm。
具体的，每个元胞的宽度为10～40mm。
具体的，内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构的厚度为20～65mm。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
一种内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，在底板上固定有若干蜂窝，将中心开孔的穿孔板焊接或胶接在蜂窝的壁面上，在结构内部充分填充粘弹性材料，多层穿孔板的中心区域内置圆柱水腔，水从顶部穿孔板进入腔体内部，形成亥姆霍兹共鸣腔；含粘弹性涂层的亥姆霍兹共鸣腔能够触发类亥姆霍兹谐振，导致低频声波的完美吸收。由于在蜂窝壁上嵌入了多个穿孔板，可以定制穿孔板的尺寸参数，从而调整类亥姆霍兹谐振频率，实现低频和超宽带的完美吸收。
进一步的，蜂窝结构为四方蜂窝或六方蜂窝，可形成亥姆霍兹共鸣腔壁，保证结构在低频的固有振动特性。不同的蜂窝结构尺寸可实现对结构低频准完美吸声的调节。
进一步的，蜂窝的壁面厚度为0.5～3mm，高度为20～65mm，保证结构具有一定的承载能力。
进一步的，顶部穿孔板的开孔尺寸较小，水从顶部穿孔板进入腔体内部,在多层穿孔板的中心区域形成圆柱水腔，为亥姆霍兹共鸣腔提供声容和声质量，从而降低了结构的谐振频率，提高结构的低频吸声性能。
进一步的，水腔的直径和深度对结构的低频准完美吸声的频率大小有显著影响，通过调节水腔的结构尺寸，能实现对准完美吸声的频率位置调节，保证了结构吸声性能的可调性。
进一步的，穿孔板内部开孔半径为0.5～35mm，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，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中粘弹性材料的振动特性，从而调节结构的吸声性能。
进一步的，内部开孔形状为圆形、三角形、方形、花瓣形或不规则形状，不同的开孔形状对粘弹性材料的振动分布都会产生显著影响，从而影响结构内部的能量耗散分布，调节结构的吸声性能。
进一步的，穿孔板的总数量为3～30个，不同数量的穿孔板组成的结构可以为亥姆霍兹共鸣腔提供不同的谐振模式，控制着结构的宽频吸声效果。
进一步的，蜂窝的每个元胞边长为10～40mm，可以通过元胞边长的变化调节结构的低频固有振动特性。
进一步的，为了保证结构具有优异的吸声能力，内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构的总厚度为20～65mm。
综上所述，本发明可用于制造水下消声覆盖层，能显著提升粘弹性材料在低频域范围内的吸声性能，具有良好的抗压性能。
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为本发明内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构；
图2为本发明内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构的元胞结构图，其中，(a)为侧视图，(b)为剖视图，(c)为元胞结构分解图；
图3为本发明内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构中四个不同结构参数的吸声系数对比图，其中，(a)为实施例1，(b)为实施例2，(c)为实施例3，(d)为实施例4。
其中：1.蜂窝；2.顶层面板；3.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，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。
本发明提供了一种内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，在蜂窝的壁面嵌入一系列中心开孔的穿孔板，两者都由金属或碳纤维/玻璃纤维复合材料制成，并将粘弹性材料充分填充到蜂窝和穿孔板所形成的空间中凝固，在多层穿孔板的中心区域内置圆柱水腔，水从顶部穿孔板进入腔体内部，形成亥姆霍兹共鸣腔，降低结构谐振频率，提升低频吸声性能。通过改变穿孔板的结构尺寸参数，可以调整类亥姆霍兹谐振频率，实现低频和超宽带的完美吸收。除此之外，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，本发明一种内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，包括蜂窝1，若干蜂窝1固定在底板上，在蜂窝1的壁面上嵌入设置多层的穿孔板3，穿孔板3与蜂窝1的壁面连接构成元胞，元胞的结构内部充分填充粘弹性材料4，穿孔板3的中心区域内置圆柱水腔，水从穿孔板顶部的顶层面板2进入元胞腔体的内部形成亥姆霍兹共鸣腔，多个元胞按阵列排布构成厚度为20～65mm的内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构。
其中，每个元胞的宽度为10～40mm。
请参阅图2，每个元胞包括：蜂窝1、顶层面板2、穿孔板3和粘弹性材料4，其中，蜂窝1和顶层面板2与穿孔板3通过焊接或胶接连接，粘弹性材料4充分填充在蜂窝1和穿孔板3所形成的空间中，在穿孔板3的中心区域内置圆柱形结构的水腔。
蜂窝1采用四方排布或六方排布结构，排布周期为10～40mm。
蜂窝1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，高度为20～65mm。
顶层面板2和穿孔板3由铁、铝等金属材料或碳纤维/玻璃纤维复合材料制成。
顶层面板2和穿孔板3中心均开有单个小孔，开孔半径为0.5～35mm，穿孔板3的开孔位置对应于蜂窝1的轴线位置，每层穿孔板3的开孔尺寸保持一致，或随层数依次递增或递减，开孔形状为圆形、三角形、方形、花瓣形或不规则性。
穿孔板3的总数量为3～30个。
穿孔板3的厚度为0.1～3mm，相邻穿孔板3的距离为0.5～15mm。
水腔的形状由穿孔板3开孔形成的区域决定，直径为2～35mm，深度为5～60mm。
粘弹性材料4由橡胶类高分子材料组成，充分填充在蜂窝1与穿孔板3形成的区域内部；在振动会受到约束的情况下，产生很强的剪切作用，拥有很强的声波耗散能力。
本发明内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构的吸声性能由穿孔板与的结构尺寸和橡胶的材料参数决定，具体包括：
穿孔板的厚度、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、橡胶的密度、橡胶的弹性模量、橡胶的损耗因子和吸声结构总厚度。
承载性能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：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1
六方蜂窝总高度：H＝50mm。
蜂窝元胞尺寸：a＝20mm。
蜂窝壁厚与表层穿孔板：ts＝1.5mm。
穿孔板：h0＝0.5mm。
穿孔板总个数：N＝6，10，14，18，22。
相邻穿孔板的距离可根据h1＝(H-ts-N*h0)/N计算。
穿孔板中心开孔形状为圆孔，顶部面板穿孔直径d0＝1.6mm，其余穿孔板直径d＝15mm。具体结果参考图3(a)。
实施例2
六方蜂窝总高度：H＝50mm。
蜂窝元胞尺寸：a＝20mm。
蜂窝壁厚与表层穿孔板：ts＝1.5mm。
穿孔板：h0＝0.3，0.7，1.1，1.5，1.9mm。
穿孔板总个数：N＝10。
相邻穿孔板的距离可根据h1＝(H-ts-N*h0)/N计算。
穿孔板中心开孔形状为圆孔，顶部面板穿孔直径d0＝1.6mm，其余穿孔板直径d＝15mm。具体结果参考图3(b)。
实施例3
六方蜂窝总高度：H＝50mm。
蜂窝元胞尺寸：a＝20mm。
蜂窝壁厚与表层穿孔板：ts＝1.5mm。
穿孔板：h0＝0.5mm。
穿孔板总个数：N＝10。
相邻穿孔板的距离h1＝4.4mm。
穿孔板中心开孔形状为圆孔，顶部面板穿孔直径d0＝1，2，3，4，5mm，其余穿孔板直径d＝15mm。具体结果参考图3(c)。
实施例4
六方蜂窝总高度：H＝50mm。
蜂窝元胞尺寸：a＝20mm。
蜂窝壁厚与表层穿孔板：ts＝1.5mm。
穿孔板：h0＝0.5mm。
穿孔板总个数：N＝10。
相邻穿孔板的距离h1＝4.4mm。
穿孔板中心开孔形状为圆孔，顶部面板穿孔直径d0＝1.6mm，其余穿孔板直径d＝4，8，12，16，20mm。具体结果参考图3(d)。
四个实施分别改变了穿孔板数量、穿孔板厚度、顶部穿孔板直径和其余穿孔板直径，如图3(a)～(d)所示。通过调节穿孔板的结构参数，本发明在0～1000Hz的低频范围内可以实现完美吸声峰值的调节，将多个不同结构参数的元胞并联可实现低频超宽带吸声；具有以下技术效果：
1、具有优异的低频宽频吸声性能
本发明结构在0～1000Hz的低频范围内可以实现完美吸声峰值的调节。
2、具有良好的承载能力
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
穿孔板的结构参数和橡胶的材料参数发生变化时，对结构低频的吸声性能有显著的影响，可通过并联多个不同结构参数的元胞实现低频超宽带吸声。
综上所述，本发明一种内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，可用于制造水下消声覆盖层，具有优异的低频超宽带的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)
1.一种内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，其特征在于，包括蜂窝(1)，蜂窝(1)固定在底板上，蜂窝(1)的壁面上嵌入设置多层的穿孔板(3)，穿孔板的顶部与蜂窝(1)之间设置有顶层面板(2)，蜂窝(1)、顶层面板(2)和穿孔板(3)连接构成元胞，元胞内部充分填充粘弹性材料(4)，顶层面板(2)和穿孔板(3)的中心区域内置圆柱形结构的水腔，水从顶层面板(2)经水腔进入元胞内部形成亥姆霍兹共鸣腔；多个元胞按阵列排布构成内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构。
2.根据权利要求1所述的内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，其特征在于，蜂窝(1)采用四方排布或六方排布结构，排布周期为10～40mm。
3.根据权利要求2所述的内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，其特征在于，蜂窝(1)的壁面厚度为0.5～3mm，高度为20～65mm。
4.根据权利要求1所述的内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，其特征在于，水腔的形状由穿孔板(3)开孔形成的区域决定。
5.根据权利要求4所述的内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，其特征在于，水腔的直径为2～35mm，深度为5～60mm。
6.根据权利要求1所述的内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，其特征在于，顶层面板(2)和穿孔板(3)的开孔半径为0.5～35mm，开孔位置对应于蜂窝(1)的轴线位置，每层穿孔板(3)的开孔尺寸保持一致，或随层数依次递增或递减。
7.根据权利要求6所述的内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，其特征在于，开孔形状为圆形、三角形、方形、花瓣形或不规则性。
8.根据权利要求1所述的内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，其特征在于，穿孔板(3)的总数量为3～30个；穿孔板(3)的厚度为0.1～3mm，相邻穿孔板(3)的距离为0.5～15mm。
9.根据权利要求1所述的内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，其特征在于，每个元胞的宽度为10～40mm。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，其特征在于，内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构的厚度为20～65mm。
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2023
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