CN117746830A - 基于水凝胶的水下隐身装置、设计方法及测试系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种基于水凝胶的水下隐身装置、设计方法及测试装置，水下隐身装置包括两个对称的半部，两个所述半部形成一个脊状结构且在下方限定出一个三棱柱状的屏蔽空间，每个所述半部包括多层依次排布的单胞，每个所述单胞包括条形刚性片以及包覆在所述条形刚性片外面的柔性覆盖层，每个所述条形刚性片与两个所述半部的对称面呈一夹角，所述条形刚性片为所述单胞提供拉压刚度，所述柔性覆盖层为所述单胞提供剪切刚度，所述单胞适用于降低了剪切波转化效应，以实现亚波长尺度的声波掠过水下隐身装置时实现声绕射。
Description
技术领域
本公开涉及水声学调控领域、超材料领域，尤其是涉及一种基于水凝胶的水下隐身装置、设计方法及测试系统。
背景技术
随着海洋声纳观测系统的发展，对声学超材料的需求由之前的对水声简单控制的吸声、隔声等超材料转变为实现对声波路径控制的声绕射、声折射等超材料。而声学隐身超材料是以实现声绕射为主的一类声学超材料，其设计大多借助于变换声学的基本理论，通过设计出具体的微结构来实现相应的属性，根据工作频率来确定微结构的尺寸，那么当海洋声纳探测系统的频率升高时，波长变短，对微结构的尺寸要求更为苛刻，目前水下隐身结构只能实现在20kHz以下的隐身功能，20kHz及更高频率下的隐身依然无法实现，而且当前水下隐身结构内微结构之间多为刚性固体连接，且阻抗匹配性低于0.5，这种设计不利于满足亚波长尺度的声波掠过结构时实现声绕射。
发明内容
为了解决上述技术问题，本公开提供了一种基于水凝胶的水下隐身装置及设计方法，能够实现20kHz及更高频率下的隐身。
根据本公开一个方面的发明构思，提供一种基于水凝胶的水下隐身装置，包括两个对称的半部，两个所述半部形成一个脊状结构且在下方限定出一个三棱柱状的屏蔽空间，每个所述半部包括多层依次排布的单胞，每个所述单胞包括条形刚性片以及包覆在所述条形刚性片外面的柔性覆盖层，每个所述条形刚性片与两个所述半部的对称面呈一夹角，所述条形刚性片为所述单胞提供拉压刚度，所述柔性覆盖层为所述单胞提供剪切刚度，所述单胞适用于降低了剪切波转化效应，以实现亚波长尺度的声波掠过水下隐身装置时实现声绕射。
根据本公开的一些实施例，所述条形刚性片为不锈钢材质，所述柔性覆盖层为水凝胶。
根据本公开的一些实施例，所述夹角与所述脊状结构的尺寸相关，包括：
其中，α表示刚性片与两个半部对称面的夹角，a表示屏蔽空间的高度，b表示1/2屏蔽空间的长度，c表示脊状结构与脊状结构的高度差，M表示几何分布中间参数，P表示进阶几何分布参数。
根据本公开的一些实施例，所述单胞的厚度小于1/3的水下100kHz声波波长。
根据本公开的一些实施例，相邻的所述单胞之间为柔性弱连接，以降低单胞的层内剪切模量和层外拉伸模量，其中，同一层相邻的两个所述条形刚性片的间距为1～3mm。
根据本公开的一些实施例，所述单胞的厚度为3～5mm，所述条形刚性片的厚度为0.5～1mm，所述条形刚性片的宽度为20～22mm。
根据本公开的一些实施例，所述屏蔽空间的长度：所述屏蔽空间的高度：所述脊状结构的高度＝2：(1±10％)*0.202857：(1±10％)*0.808571。
根据本公开另一个方面的发明构思，提供一种如前所述的基于水凝胶的水下隐身装置的设计方法，包括：
构建u-v-w坐标系和x-y-z坐标系，其中，u-v-w坐标系中分布着均匀的声学流体介质，x-y-z坐标系分布各向异性的第一声学流体介质和第二声学流体介质，水下隐身装置两个半部的对称面位于y-z面上，屏蔽空间的底面位于x-z面上；
根据水下隐身装置的几何参数和第一声学流体介质、第二声学流体介质的属性参数获得x-y-z坐标系中两个半部所在区域的第一属性；
根据两个半部所在区域的第一属性进行正交化得到水下隐身装置的第二属性，所述第二属性包括体积模量信息和密度信息；
对所述体积模量信息和所述密度信息进行缩放；
限定柔性覆盖层和条形刚性片中一个相性材料的第二属性，结合声学层合理论计算获得另一个相性材料的第二属性；
将得到的另一个相性材料的第二属性与天然合成材料库中数据进行匹配得到满足变换声学以及层合等效介质理论所需的材料属性。
根据本公开的一些实施例，第一声学流体介质、第二声学流体介质的属性参数通过声学变换理论转换式和u-v-w坐标系中均匀声学流体介质参数得到，包括：
其中，a表示屏蔽空间的高度，b表示1/2屏蔽空间的长度，c表示脊状结构与脊状结构的高度差,表示脊状结构第一半部区域的坐标系转换关系矩阵,ρ1表示脊状结构第一半部区域的密度矩阵，K1表示脊状结构第一半部区域的体积模量，/>表示脊状结构第二半部区域的坐标系转换关系矩阵,ρ2表示脊状结构第二半部区域的密度矩阵，K2表示脊状结构第二半部区域的体积模量。
根据本公开的一些实施例，所述声学层合理论包括：
其中，ρ⊥表示垂直密度，为密度张量的11分量；<·>表示表体积加权平均，ρρ表示平行密度，为密度分量的22分量，K表示体积模量；
所述结合声学层合理论计算获得另一个相性材料的第二属性包括：
其中，ρ1表示限定的相性材料的密度，ρ2表示另一相性材料的密度，ρ11表示主坐标系下的11密度分量，ρ22表示主坐标系下的22密度分量，f2表示另一相材料的填充率，K1表示限定的相性材料的体积模量，K2表示另一相性材料的体积模量。
根据本公开的一些实施例，两个半部所在区域的属性的密度矩阵中具备相同的第一不变量、第二不变量和第三不变量，z方向天然是其特征矢量方向，根据另外两个特征矢量，可得到x-y轴平面绕z轴的旋转角α，其中，逆时针旋转为正方向。
根据本公开的一些实施例，背景均匀材料为水，水下隐身装置层合为两相材料层，固定其中一相材料为不锈钢，计算获得另一相材料的属性以及比例系数，与天然合成材料库中数据进行匹配得到水凝胶材料满足变换声学以及层合等效介质理论所需。
根据本公开又一个方面的发明构思，提供一种测试系统，适用于测试如前所述的基于水凝胶的水下隐身装置的隐身效果，测试系统包括：
钢板，放置在水底，所述钢板用于承载待测试的试样，其中，所述水下隐身装置适用于罩设在所述试样上；
换能器，适用于发出高斯波包，所述高斯波包的频率范围包括5000Hz～100000Hz，所述高斯波包具有四个周期；
多个水听器线阵元，阵列式的设置在所述钢板的上方，多个所述水听器线阵元适用于获取散射的回波信号，所述回波信号适用于评判所述水下隐身装置的隐身效果。
根据本公开实施例的基于水凝胶的水下隐身装置、设计方法及测试系统，基于水凝胶材料，提出了一种新的柔性弱连接方式，再结合变换声学理论设计出了一种新型水下隐身结构，满足亚波长尺度的声波掠过结构时实现声绕射，能够实现超高频的隐身功能。
附图说明
图1是根据本公开的示例性实施例的基于水凝胶的水下隐身装置的结构示意图以及局部结构放大是意图；
图2是根据本公开的示例性实施例的基于水凝胶的水下隐身装置的单胞的结构示意图；
图3是根据本公开的示例性实施例的基于水凝胶的水下隐身装置局部结构的正视图以及结构放大示意图；
图4是根据本公开的另一示例性实施例的基于水凝胶的水下隐身装置的单胞的结构及尺寸示意图；
图5是根据本公开的示例性实施例的基于水凝胶的水下隐身装置的整体结构及尺寸示意图；
图6是根据本公开的示例性实施例的基于水凝胶的水下隐身装置的设计方法的流程图；
图7是图6流程图中坐标系的构建方法；
图8(a)～(d)是根据本公开的示例性实施例的基于水凝胶的水下隐身装置的单胞的等效声学属性；
图9是根据本公开的示例性实施例的水下隐身装置的模拟构型；
图10是图9所示的模拟构型的声源调制函数3D图；
图11是根据本公开的示例性实施例的基于水凝胶的水下隐身装置的测试系统的结构示意图；
图12是根据本公开的示例性实施例的测试系统的空场、无斗篷、有斗篷的声场分布图；
图13是根据本公开的示例性实施例的基于水凝胶的水下隐身装置的测试系统的测试结果图；
图14是根据本公开的示例性实施例的刚性强连接单胞以及柔性若连接单胞的结构示意图；
图15是图14所示的刚性强连接单胞以及柔性若连接单胞立体图以及属性参数；
图16是图14所示的刚性强连接单胞以及柔性若连接单胞的有限元模拟结果图；
图17是图14所示的刚性强连接单胞以及柔性若连接单胞的波动属性研究结果图。
上述附图中，附图标记含义具体如下：
1-屏蔽空间；
2-单胞；
21-条形刚性片；
22-柔性覆盖层；
3-亚克力板；
4-水下隐身装置；
5-钢板；
6-换能器；
7-水听器线阵元。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。
目前水下隐身结构只能实现在20kHz以下的隐身功能，20kHz及更高频率下的隐身依然无法实现，而且当前水下隐身结构内微结构之间多为刚性固体连接，且阻抗匹配性低于0.5，这种设计不利于满足亚波长尺度的声波掠过结构时实现声绕射。而水凝胶这种新型合成材料，兼具流体和固体的性质，动态上与水的性质相似，静态上又具备一定的承载特性，具有很强的柔性，有望解决当前的技术问题并突破技术瓶颈。我们基于水凝胶材料，提出了一种新的柔性弱连接方式，再结合变换声学理论设计出了一种新型水下隐身结构，能够实现超高频的隐身功能。
图1是根据本公开的示例性实施例的基于水凝胶的水下隐身装置的结构示意图以及局部结构放大是意图；图2是根据本公开的示例性实施例的基于水凝胶的水下隐身装置的单胞的结构示意图；图3是根据本公开的示例性实施例的基于水凝胶的水下隐身装置局部结构的正视图以及结构放大示意图。
根据本公开一个方面的发明构思，提供一种基于水凝胶的水下隐身装置，如图1至图3所示，水下隐身装置包括两个对称的半部，两个半部形成一个脊状结构且在下方限定出一个三棱柱状的屏蔽空间1，每个半部包括多层依次排布的单胞2，每个单胞2包括条形刚性片21以及包覆在条形刚性片21外面的柔性覆盖层22，每个条形刚性片21与两个半部的对称面呈一夹角，条形刚性片21为单胞2提供拉压刚度，柔性覆盖层22为单胞2提供剪切刚度，单胞2适用于降低了剪切波转化效应，以实现亚波长尺度的声波掠过水下隐身装置时实现声绕射。
在本实施例中，基于水凝胶的水下隐身装置，提出了一种新的柔性弱连接方式，再结合变换声学理论设计出了一种新型水下隐身结构，满足亚波长尺度的声波掠过结构时实现声绕射，能够实现超高频的隐身功能。
根据本公开的一些实施例，采用模板对条形刚性片21进行定位和限定，然后在条形刚性片21的缝隙间填充液态水凝胶并固化。可选，模板为亚克力板3搭设而成，在检测的过程中可以保留亚克力板3，也可以拆除亚克力板3后在进行检测。
根据本公开的一些实施例，条形刚性片21为长条状的刚性薄片，水下隐身装置与其限定的屏蔽空间整体呈现为水平放置的三棱柱的形式。
图4是根据本公开的另一示例性实施例的基于水凝胶的水下隐身装置的单胞的结构及尺寸示意图。
根据本公开的一些实施例，如图4所示，条形刚性片为不锈钢材质，柔性覆盖层为水凝胶。其中，不锈钢以及水凝胶的材料参数如表1所示。
表1材料参数表
在本实施例中，条形刚性片为增强材料(不锈钢材质)，提供单胞的主要拉压刚度，为水下隐身装置提供了较大的静态承载力。柔性覆盖层为基体材料(水凝胶材质)，提供单胞的主要剪切刚度，该材料分布的设计大大降低了剪切波转化效应，也为水下隐身装置提供了一定的剪切承载力。
根据本公开的一些实施例，夹角与脊状结构的尺寸相关，包括：
其中，α表示刚性片与两个半部对称面的夹角，a表示屏蔽空间的高度，b表示1/2屏蔽空间的长度，c表示脊状结构与脊状结构的高度差，M表示几何分布中间参数，P表示进阶几何分布参数。
根据本公开的一些实施例，单胞的厚度小于1/3的水下100kHz声波波长。
根据本公开的一些实施例，相邻的单胞之间为柔性弱连接，以降低单胞的层内剪切模量和层外拉伸模量。可选的，同一层相邻的两个条形刚性片的间距为1～3mm；进一步可选的，同一层相邻的两个条形刚性片的间距为1mm、1.5mm、2mm、2.5mm或3mm。
根据本公开的一些实施例，单胞的厚度为3～5mm，条形刚性片的厚度为0.5～1mm，条形刚性片的宽度为20～22mm。
图5是根据本公开的示例性实施例的基于水凝胶的水下隐身装置的整体结构及尺寸示意图。
根据本公开的一些实施例，如图5所示，屏蔽空间的高度为(1±10％)*0.060857m，屏蔽空间的长度为(1±10％)*0.6m，脊状结构的高度为1±10％)*0.181713m。
图6是根据本公开的示例性实施例的基于水凝胶的水下隐身装置的设计方法的流程图。
根据本公开另一个方面的发明构思，提供一种如前所述的基于水凝胶的水下隐身装置的设计方法，如图6所示，设计方法包括操作S601～操作S606。
根据本公开的一些实施例，操作S601包括：构建u-v-w坐标系和x-y-z坐标系，其中，u-v-w坐标系中分布着均匀的声学流体介质，x-y-z坐标系分布各向异性的第一声学流体介质和第二声学流体介质，水下隐身装置两个半部的对称面位于y-z面上，屏蔽空间的底面位于x-z面上。
根据本公开的一些实施例，操作S602包括：根据水下隐身装置的几何参数和第一声学流体介质、第二声学流体介质的属性参数获得x-y-z坐标系中两个半部所在区域的第一属性。
根据本公开的一些实施例，操作S603包括：根据两个半部所在区域的第一属性进行正交化得到水下隐身装置的第二属性，第二属性包括体积模量信息和密度信息。
根据本公开的一些实施例，操作S604包括：对体积模量信息和密度信息进行缩放。
根据本公开的一些实施例，操作S605包括：限定柔性覆盖层和条形刚性片中一个相性材料的第二属性，结合声学层合理论计算获得另一个相性材料的第二属性。
根据本公开的一些实施例，操作S606包括：将得到的另一个相性材料的第二属性与天然合成材料库中数据进行匹配得到满足变换声学以及层合等效介质理论所需的材料属性。
图7是图6流程图中坐标系的构建方法。
根据本公开的一些实施例，如图7所示，上方图中脊型结构为水下隐身装置，脊型结构下方为屏蔽空间；左下方图中为u-v-w坐标系；右下方图中为x-y-z坐标系；其中，u-v-w坐标系中分布着均匀的声学流体介质，其具备参数ρ0，K0；x-y-z坐标系中分布各向异性声学流体介质1(第一声学流体介质)和声学流体介质2(第二声学流体介质)。
根据本公开的一些实施例，第一声学流体介质、第二声学流体介质的属性参数通过声学变换理论转换式和u-v-w坐标系中均匀声学流体介质参数得到，包括：
其中，a表示屏蔽空间的高度，b表示1/2屏蔽空间的长度，c表示脊状结构与脊状结构的高度差,表示脊状结构第一半部区域的坐标系转换关系矩阵,ρ1表示脊状结构第一半部区域的密度矩阵，K1表示脊状结构第一半部区域的体积模量，/>表示脊状结构第二半部区域的坐标系转换关系矩阵,ρ2表示脊状结构第二半部区域的密度矩阵，K2表示脊状结构第二半部区域的体积模量。
在本实施例中，密度是具备正交各向异性的，区域2中的密度属性x-y分量甚至出现了负密度，如此苛刻的属性是很难实现的，需要运用多种材料进行构造复杂的微结构才可能实现该正交各向异性密度属性。在本实施例中，所用到的变换是标准的线性变换。可选的，对水下隐身装置的尺寸进行赋值，例如，b＝300mm，a＝0.202857b，c＝0.808571b，并带入公式(4)和公式(5)中，得到该几何参数下，x-y-z系中区域1和区域2满足如下关系式：
K1＝0.749117K0
K2＝0.749117K0
对上述关系式进行分析，依据实对称二阶张量的特点，这两个密度矩阵是具备相同的第一不变量、第二不变量以及第三不变量，因而特征值也是一样的。其中，z方向天然是其特征矢量方向，不需改变，通过另外两个特征矢量，可得到x-y轴平面绕z轴的旋转角α(逆时针旋转为正方向)。
对上述关系式进行正交化，得到水下隐身装置的属性，包括：
α1＝22.7867[deg]
α2＝-22.7867[deg]
对上述水下隐身装置的属性进行分析发现，这样的属性依然很难实现。基于此，我们对其进行缩放，例如，引入缩放系数L＝0.61，将密度张量和体积模量同时缩放，得到的结果如下：
对上述结果进行分析可以得出，其实质上相当于将公式(2)变为如下的映射关系：
显然，这样得到的属性阻抗是不匹配的，会一定程度上影响隐身效果。为了满足将密度张量和体积模量同时缩放得到的结果，结合声学层合理论，背景均匀材料为水(ρ0＝1000kg/m3，K0＝2.2×109Pa)，水下隐身装置的层合为两相材料层合，固定其中一相材料为不锈钢(ρ1＝7850kg/m3，K1＝156.06×109Pa)，可求解得到另一相材料的属性以及比例系数。
根据本公开的一些实施例，声学层合理论包括：
其中，ρ⊥表示垂直密度，为密度张量的11分量；<·>表示表体积加权平均，ρρ表示平行密度，为密度分量的22分量，K表示体积模量；
结合声学层合理论计算获得另一个相性材料的第二属性包括：
其中，ρ1表示限定的相性材料的密度，ρ2表示另一相性材料的密度，ρ`1表示主坐标系下的11密度分量，ρ22表示主坐标系下的22密度分量，f2表示另一相材料的填充率，K1表示限定的相性材料的体积模量，K2表示另一相性材料的体积模量。
在本实施例中，将一相材料(不锈钢)的属性带入到公式(7)和公式(8)中得到ρ2＝931.135kg/m3,K2＝2.1614×109Pa，f2＝0.7934。将计算得到的上述另一相性材料属性参数与天然合成材料库中匹配发现水凝胶材料能够满足该理论属性，其中，水凝胶的密度为1000kg/m3，体积模量为2.21×109Pa，近似满足变换声学以及层合等效介质理论所需的第二相材料属性需求。
在亚波长尺度下，声学超材料结构尺寸远小于波长尺寸，这种特点使得波在超材料中传播时，无法分辨它的结构，可将超材料视为均匀介质，基于层状等效理论以及亚波长尺度效应。在本公开的实施例子，单胞采用水凝胶包裹不锈钢的形式，特征尺寸为单胞总厚度4mm，小于1/3的水下100kHz声波波长，单胞的转角为α，通过各向异性密度矩阵的正交化过程可以得到该转角的表达式如下：
其中，M表示几何分布中间参数，P表示进阶几何分布参数。
通过对上式的分析可以得出，该转角α是只与水下隐身装置结构几何尺寸相关的非线性函数，当我们确定a、b、c后，单胞的转角α就确定了，斗篷两侧区域单胞的转角对称分布，因此我们在式中引入了符号函数，水凝胶是一种柔性材料，静态上具备一定的承载能力，性质与固体相似，动态上声学响应与水相似，又具备流体的特性，这样的包裹结构降低了固液界面不连续带来的滑移效应，有效降低了质量损失。
图8(a)～(d)是根据本公开的示例性实施例的基于水凝胶的水下隐身装置的单胞的等效声学属性。
根据本公开的一些实施例，采用透反射系数法进行验证，如图图8(a)～(d)所示，初步验证了该单胞的动态属性与理论所需一致，误差在2500Hz～35kHz内均小于5％。
图9是根据本公开的示例性实施例的基于水凝胶的水下隐身装置的测试系统的结构示意图；图10是图9所示的模拟构型的声源调制函数3D图。
根据本公开的一些实施例，进一步对单胞进行周期性延拓，设计的水下隐身装置如图9所示，采用COMSOL模拟软件，对该水下隐身装置的隐身的效果进行了模拟，其模拟构型的声源调制函数3D图如图10所示，其中，顶部和左右两侧是完美匹配层，散射体为含有空气(密度1.29kg/m3，体积模量0.000151767×109Pa)的硬薄壳体(铝)，底部为不锈钢界面，模拟中采用阻抗边界来实现，水下隐身装置采用如图9所示的结构，单胞为如图4所示的结构，声源为一高斯时间调制函数与二次空间调制函数控制的线声源，具体调制函数形式如下所示：
p(x,t)＝exp(-π(t-t0)/0.0003)2cos(2πf(t-t0))(-x2+λ2)
其中，P(x,t)表示激励声源，f表示激励频率，t0＝2/f，λ＝c/f，c为背景流体水的声速，c＝1480m/s。
图11是根据本公开的示例性实施例的基于水凝胶的水下隐身装置的测试系统的结构示意图。
根据本公开又一个方面的发明构思，提供一种测试系统，适用于测试如前的基于水凝胶的水下隐身装置的隐身效果，如图11所示，测试系统包括：钢板5、换能器6和水听器线阵元7。
根据本公开的一些实施例，钢板放置在水底，钢板用于承载待测试的试样，其中，水下隐身装置适用于罩设在试样上。
根据本公开的一些实施例，换能器适用于发出高斯波包，高斯波包的频率范围包括5000Hz～100000Hz，高斯波包具有四个周期。
根据本公开的一些实施例，多个水听器线阵元阵列式的设置在钢板的上方，多个水听器线阵元适用于获取散射的回波信号，回波信号适用于评判水下隐身装置的隐身效果。
在本实施例中，采用的是收发分置的多线程水声测试系统，其中，系统还包括半自动定位行车、信号发生器、信号监测器、功率放大器、信号前置放大器以及Ni计算机等，再次不进行过多的赘述。
根据本公开可选的一些实施例，测试装置的测试场景有三种：有水下隐身装置(覆盖测试件)，无水下隐身装置(暴露测试件)，以及空场(无测试件)。
有水下隐身装置时(cloak)，水下隐身装置覆盖在散射体(测试件)上并放置于不锈钢板上，然后利用计算机上的电机系统控制软件上设置相应参数，使得球形换能器发出5000Hz～100000Hz的包含四个周期的高斯波包，例如，一共20个频率的波包，选取从左往右的十个水听器的监测数据来评定声场变化，采集频率为400000，每个频率重复测试3次。
无水下隐身装置时(nocloak)，将散射体(测试件)放置于不锈钢板上，然后利用计算机上的电机系统控制软件上设置相应参数，使得球形换能器发出5000Hz～100000Hz的包含四个周期的高斯波包，例如，一共20个频率的波包，选取从左往右的十个水听器的监测数据来评定声场变化，采集频率为400000，每个频率重复测试3次。
空场时(plane)，不锈钢板上不放置散射体(测试件)，然后利用计算机上的电机系统控制软件上设置相应参数，使得球形换能器发出5000Hz～100000Hz的包含四个周期的高斯波包，例如，一共20个频率的波包，选取从左往右的十个水听器的监测数据来评定声场变化，采集频率为400000，每个频率重复测试3次。
然后通过综合分析有斗篷、无斗篷、空场的声场实验数据来评价该隐身斗篷的多频隐身效果。
图12是根据本公开的示例性实施例的测试系统的空场、无斗篷、有斗篷的声场分布图。
根据本公开的一些实施例，图9中的模拟构型可激发出含有3.5个周期的高斯波包，对图9的模拟构型继续模拟在10kHz下的散射声场，通过对比空场时(plane)，有水下隐身装置时(cloak)、以及无水下隐身装置时(nocloak)，三者在发射相同高斯波的情况下，时间T＝8.375e(-4)s时，其声场情况如图12所示，从图12中可以明显看出有水下隐身装置时(cloak)的声场与空场时(plane)的声场基本一致，大大降低了被隐藏物体界面的散射，也即，该水下隐身装置具备良好的隐身效果。
图13是根据本公开的示例性实施例的基于水凝胶的水下隐身装置的测试系统的测试结果图。
根据本公开可选的一些实施例，一共测试了20个频率(5000Hz～100000Hz，每5000Hz测一次)，每个频率重复测试三次，取平均作为后处理的原始数据，三种场景plane、cloak、nocloak一共测试得到180组数据进行后处理，包括：
其中，NewRCS表示水下隐身装置的隐身效果，Pi表示水听器权重，mean(Pcloak-reflected)表示有水下隐身装置时的反射声压点数据的时域平均值，mean(Pplane-reflected)表示空场的反射声压点数据的时域平均值，mean(Pnocloak-reflected)表示无水下隐身装置的反射声压点数据的时域平均值。
在本实施例中，Pi的选取与水听器的位置相关，离结构中轴越近的水听器更能反应结构的散射实际效果，权重会大一些，越远的水听器的回波信号较弱，权重相对要小一些。
根据本公开可选的一些实施例，如图13所示，靠近中部的前5个水听器的总权2重为0.995，远离中部的后5个水听器位置的总权重为0.005，通过公式(9)计算得到表征水下隐身装置隐身效果好坏的NewRCS值，该值小于等于0.3则代表在对应频率下有一定的隐身效果，小于等于0.2则代表在对应频率下有一定的隐身效果较好且有效性高。
在本实施例中，本公开实施例的水下隐身装置的设计实现了水声绕射型隐身结构工作频率的拓宽和提升，在25kHz-50kHz内的多频点测试效果较好，证明该结构突破了以往20kHz的低频限制，大幅度拓宽了隐身功能的应用频段。
图14是根据本公开的示例性实施例的刚性强连接单胞以及柔性若连接单胞的结构示意图；图15是图14所示的刚性强连接单胞以及柔性若连接单胞立体图以及属性参数；图16是图14所示的刚性强连接单胞以及柔性若连接单胞的有限元模拟结果图；图17是图14所示的刚性强连接单胞以及柔性若连接单胞的波动属性研究结果图。
根据本公开的一些实施例，单胞之间的连接方式包括如图14中(a)所示的刚性强连接，以及如图14中(b)所示的柔性弱连接。
其中，在刚性强连接单胞中，固体和液体界面处的不连续虽然使得这个单胞呈现出各向异性，但是固体层剪切波的强散射大大影响的隐身效果。为了削弱这个影响，将单胞之间的连接方式改为如图14中(b)所示的柔性弱连接，大大降低了单胞的层内剪切模量和层外拉伸模量，更偏向流体相。
如图15所示，采用COMSOL有限元频域进行模拟，其结果如图16所示，通过图16可以看出，柔性弱连接单胞的水下隐身装置有着更好的隐身效果，同时具备较宽角度的隐身效果。
对于这两种单胞的波动属性研究，采用20*10个单胞排列成超胞中间层，通过COMSOL去模拟其波动属性，得到反射系数和透射系数如图17所示，可以发现，采用柔性弱连接单胞的超胞层在水下有效降低了声反射，提升了声透射。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各零部件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
Claims (13)
1.一种基于水凝胶的水下隐身装置，其特征在于，包括两个对称的半部，两个所述半部形成一个脊状结构且在下方限定出一个三棱柱状的屏蔽空间，每个所述半部包括多层依次排布的单胞，每个所述单胞包括条形刚性片以及包覆在所述条形刚性片外面的柔性覆盖层，每个所述条形刚性片与两个所述半部的对称面呈一夹角，所述条形刚性片为所述单胞提供拉压刚度，所述柔性覆盖层为所述单胞提供剪切刚度，所述单胞适用于降低了剪切波转化效应，以实现亚波长尺度的声波掠过水下隐身装置时实现声绕射。
2.根据权利要求1所述的水下隐身装置，其特征在于，所述条形刚性片为不锈钢材质，所述柔性覆盖层为水凝胶。
3.根据权利要求2所述的水下隐身装置，其特征在于，所述夹角与所述脊状结构的尺寸相关，包括：
其中，α表示刚性片与两个半部对称面的夹角，a表示屏蔽空间的高度，b表示1/2屏蔽空间的长度，c表示脊状结构与屏蔽空间的高度差，M表示几何分布中间参数，P表示进阶几何分布参数。
4.根据权利要求3所述的水下隐身装置，其特征在于，所述单胞的厚度小于1/3的水下100kHz声波波长。
5.根据权利要求3所述的水下隐身装置，其特征在于，相邻的所述单胞之间为柔性弱连接，以降低单胞的层内剪切模量和层外拉伸模量，其中，同一层相邻的两个所述条形刚性片的间距为1～3mm。
6.根据权利要求3所述的水下隐身装置，其特征在于，所述单胞的厚度为3～5mm，所述条形刚性片的厚度为0.5～1mm，所述条形刚性片的宽度为20～22mm。
7.根据权利要求5或6所述的水下隐身装置，其特征在于，所述屏蔽空间的长度：所述屏蔽空间的高度：所述脊状结构的高度＝2：(1±10％)*0.202857：(1±10％)*0.808571。
8.一种如权利要求1～7任一项所述的基于水凝胶的水下隐身装置的设计方法，其特征在于，包括：
构建u-v-w坐标系和x-y-z坐标系，其中，u-v-w坐标系中分布着均匀的声学流体介质，x-y-z坐标系分布各向异性的第一声学流体介质和第二声学流体介质，水下隐身装置两个半部的对称面位于y-z面上，屏蔽空间的底面位于x-z面上；
根据水下隐身装置的几何参数和第一声学流体介质、第二声学流体介质的属性参数获得x-y-z坐标系中两个半部所在区域的第一属性；
根据两个半部所在区域的第一属性进行正交化得到水下隐身装置的第二属性，所述第二属性包括体积模量信息和密度信息；
对所述体积模量信息和所述密度信息进行缩放；
限定柔性覆盖层和条形刚性片中一个相性材料的第二属性，结合声学层合理论计算获得另一个相性材料的第二属性；
将得到的另一个相性材料的第二属性与天然合成材料库中数据进行匹配得到满足变换声学以及层合等效介质理论所需的材料属性。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，第一声学流体介质、第二声学流体介质的属性参数通过声学变换理论转换式和u-v-w坐标系中均匀声学流体介质参数得到，包括：
其中，a表示屏蔽空间的高度，b表示1/2屏蔽空间的长度，c表示脊状结构与脊状结构的高度差,表示脊状结构第一半部区域的坐标系转换关系矩阵,ρ1表示脊状结构第一半部区域的密度矩阵，K1表示脊状结构第一半部区域的体积模量，/>表示脊状结构第二半部区域的坐标系转换关系矩阵,ρ2表示脊状结构第二半部区域的密度矩阵，K2表示脊状结构第二半部区域的体积模量。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述声学层合理论包括：
其中，ρ⊥表示垂直密度，为密度张量的11分量；<·>表示表体积加权平均，ρρ表示平行密度，为密度分量的22分量，K表示体积模量；
所述结合声学层合理论计算获得另一个相性材料的第二属性包括：
其中，ρ1表示限定的相性材料的密度，ρ2表示另一相性材料的密度，ρ`1表示主坐标系下的11密度分量，ρ22表示主坐标系下的22密度分量，f2表示另一相材料的填充率，K1表示限定的相性材料的体积模量，K2表示另一相性材料的体积模量。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，两个半部所在区域的属性的密度矩阵中具备相同的第一不变量、第二不变量和第三不变量，z方向天然是其特征矢量方向，根据另外两个特征矢量，可得到x-y轴平面绕z轴的旋转角α，其中，逆时针旋转为正方向。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，背景均匀材料为水，水下隐身装置层合为两相材料层，固定其中一相材料为不锈钢，计算获得另一相材料的属性以及比例系数，与天然合成材料库中数据进行匹配得到水凝胶材料满足变换声学以及层合等效介质理论所需。
13.一种测试系统，适用于测试如权利要求1～7任一项所述的基于水凝胶的水下隐身装置的隐身效果，其特征在于，测试系统包括：
钢板，放置在水底，所述钢板用于承载待测试的试样，其中，所述水下隐身装置适用于罩设在所述试样上；
换能器，适用于发出高斯波包，所述高斯波包的频率范围包括5000Hz～100000Hz，所述高斯波包具有四个周期；
多个水听器线阵元，阵列式的设置在所述钢板的上方，多个所述水听器线阵元适用于获取散射的回波信号，所述回波信号适用于评判所述水下隐身装置的隐身效果。
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