CN118153231A - 一种内嵌树形声学黑洞的水下耐压吸声覆盖层设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内嵌树形声学黑洞的水下耐压吸声覆盖层的设计方法，基于局域共振原理和声学黑洞原理，设计了一种内嵌树形声学黑洞的水下耐压吸声覆盖层；将吸声单元六棱柱晶胞的模型近似简化为圆柱体模型，再将圆柱体模型进一步简化为二维轴对称模型；对吸声单元的材料和几何参数进行优化；根据优化结果加工吸声单元样件，对加工时所用的基体材料橡胶建立超弹性本构模型，用有限元软件仿真吸声单元在不同静水压下的吸声系数。内嵌树形声学黑洞的水下耐压吸声覆盖层在高静水压下有良好的吸声性能。
Description
技术领域
本发明涉及水下吸声领域，具体是一种内嵌树形声学黑洞的水下耐压吸声覆盖层的设计方法。
背景技术
在水下航行器壳体表面敷设吸声覆盖层是控制水下目标强度的主要技术手段。声学覆盖层需要卓越的吸声性能以满足水下航行器声隐身的需要。水下航行器下潜每增加100m，其表面所受的静水压增加约1MPa，水下工作环境要求吸声覆盖层在高水压下仍有良好的吸声性能。
然而现有的水下声学覆盖层在较高静水压下的吸声性能较差，目前尚缺乏耐大静水压的水下吸声覆盖层设计方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种内嵌树形声学黑洞的水下耐压吸声覆盖层的设计方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种内嵌树形声学黑洞的水下耐压吸声覆盖层设计方法，包括以下步骤：
(1)基于局域共振原理和声学黑洞原理，设计一种内嵌树形声学黑洞的水下耐压吸声覆盖层，覆盖层由六棱柱晶胞呈蜂窝状排列组成，一个晶胞称之为吸声单元；
(2)将吸声单元六棱柱晶胞的模型近似简化为圆柱体模型，再将圆柱体模型进一步简化为二维轴对称模型；
(3)对吸声单元的材料和几何参数进行优化；
(4)根据优化结果加工吸声单元样件，对加工时所用的基体材料橡胶建立超弹性本构模型，用有限元软件仿真吸声单元在不同静水压下的吸声系数。
进一步地，步骤(1)中所述六棱柱形状的吸声单元由金属边框(1)、多个不同尺度的声学黑洞形状的散射板(2)、支撑柱(3)、粘弹性材料基体(4)和衬在吸声单元下方的背板组成；支撑柱(3)穿过多个散射板(2)的中心形成一个树形声学黑洞结构，树形声学黑洞结构嵌入六棱柱形状的基体(4)中，支撑柱(3)位于吸声单元的中心，基体(4)的六个侧面被金属边框(1)包围。
进一步地，所述步骤(3)中对以下参数进行优化：支撑柱半径rv，边框厚度δ，声学黑洞根部厚度ht，声学黑洞长度lABH，截断厚度h0，基体材料的杨氏模量E1，损耗因子η，密度ρ1；具体为：在有限元软件中使用Nelder-Mead算法对覆盖层吸声单元的材料和几何参数在指定频段[f1,f2]进行两种策略的优化，以声压反射系数的平方|rp|2和声压透射系数的平方|tp|2的最大值J1＝max(|rp|2,|tp|2)与其平均值作为两个目标函数，总目标函数为/>其中，rp是声压反射系数，tp是声压透射系数，nf＝(f2-f1)/Δf+1，Δf为频率间隔，频率f∈[f1,f2]，qi是加权因子；第一种优化策略综合考虑[f1,f2]频段内的高低频平均加权，取q1＝q2＝0.5；第二种优化策略偏重低频的吸声性能，其中/>是Ji在[f1,f2]内的平均值，且i＝1,2，
进一步地，所述步骤(4)中利用橡胶压缩试验得到橡胶材料的应力-应变数据，代入超弹性模型的应变能密度函数中，拟合超弹性本构模型参数，建立橡胶的超弹性本构模型；使用超弹性模型在有限元软件计算吸声覆盖层单元在静水压力下的变形；将变形后的结构重新划分网格，代入在试验中测得的橡胶基体材料在不同静压下的动态力学参数：杨氏模量和损耗因子，计算吸声单元在不同静水压下的吸声系数。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)内嵌树形声学黑洞的吸声覆盖层具有良好的耐静水压性能；(2)内嵌树形声学黑洞在4.5MPa的高静水压下仍有良好的吸声性能。
附图说明
图1是吸声覆盖层与吸声单元模型示意图；图1中的(a)是吸声层覆盖层晶胞的排列方式，图1中的(b)是水-吸声单元结构-空气模型，图1中的(c)是吸声单元三维模型，图1中的(d)是吸声单元三维简化圆柱模型，图1中的(e)是吸声单元二维轴对称简化模型和声学黑洞形散射板结构示意图。
图2是三维模型(3D)与二维轴对称模型(2D轴对称)的吸声系数比较。
图3是覆盖层吸声单元优化前后的吸声系数。
图4是丁基橡胶在不同静压下的杨氏模量。
图5是丁基橡胶在不同静压下的损耗因子。
图6是吸声单元在0.1MPa(常压)下的吸声系数COMSOL仿真和试验结果对比。
图7是吸声单元在0.5MPa下的吸声系数COMSOL仿真和试验结果对比。
图8是吸声单元在1.0MPa下的吸声系数COMSOL仿真和试验结果对比。
图9是吸声单元在2.0MPa下的吸声系数COMSOL仿真和试验结果对比。
图10是吸声单元在3.0MPa下的吸声系数COMSOL仿真和试验结果对比。
图11是吸声单元在不同静压下的吸声系数(驻波管试验)。
具体实施方式
本发明所采取的技术方案是：设计一种内嵌树形声学黑洞的水下耐压吸声覆盖层；确定内嵌树形声学黑洞的水下耐压吸声覆盖层单元各部分的尺寸参数和材料参数；建立橡胶材料的超弹性模型仿真内嵌树形声学黑洞的水下耐压吸声覆盖层单元在不同静水压下的吸声系数；将内嵌树形声学黑洞的水下耐压吸声覆盖层单元置于驻波管中测试其不同静水压下的吸声系数，并且可与仿真结果对比验证。
具体过程包括如下步骤：
(1)基于局域共振原理和声学黑洞原理，设计一种内嵌树形声学黑洞的水下耐压吸声覆盖层，覆盖层由六棱柱体晶胞组成，一个晶胞称之为吸声单元。
(2)将吸声单元的三维六棱柱模型近似简化为圆柱体模型，再将三维圆柱体模型简化为二维轴对称模型；
(3)对吸声单元的材料和几何参数进行优化；
(4)根据优化结果加工吸声单元样件，对加工时所用的基体材料橡胶建立超弹性本构模型，用有限元软件仿真吸声单元在不同静水压下的吸声系数，用驻波管试验测试所设计的覆盖层的吸声单元的吸声系数。
步骤(1)中所述六棱柱形状的吸声单元由金属边框1、多个不同尺度的声学黑洞形状的散射板2、支撑柱3、粘弹性材料基体4和衬在吸声单元下方的背板组成。支撑柱3穿过多个散射板2的中心形成一个树形声学黑洞结构，树形声学黑洞结构嵌入六棱柱形状的基体4中，支撑柱3位于吸声单元的中心，基体4的六个侧面被均匀厚度的金属边框1包围。吸声覆盖层和吸声单元的结构示意图如图1所示。
所述步骤(3)中对以下参数进行优化：支撑柱半径rv，边框厚度δ，声学黑洞根部厚度ht，声学黑洞长度lABH，截断厚度h0，基体材料的杨氏模量E1，损耗因子η，密度ρ1；具体为：在有限元软件中使用Nelder-Mead算法对覆盖层吸声单元的材料和几何参数在指定频段[f1,f2]进行两种策略的优化，以声压反射系数的平方|rp|2和声压透射系数的平方|tp|2的最大值J1＝max(|rp|2,|tp|2)与其平均值作为两个目标函数，总目标函数为/>其中，rp是声压反射系数，tp是声压透射系数，nf＝(f2-f1)/Δf+1，Δf为频率间隔，频率f∈[f1,f2]，qi是加权因子。第一种优化策略综合考虑[f1,f2]频段内的高低频平均加权，取q1＝q2＝0.5；第二种优化策略偏重低频的吸声性能，其中/>是Ji在[f1,f2]内的平均值，且i＝1,2，
所述步骤(4)中利用橡胶压缩试验得到橡胶材料的应力-应变数据，代入超弹性模型的应变能密度函数中，拟合超弹性本构模型参数，建立橡胶的超弹性本构模型；使用超弹性模型在COMSOL有限元软件计算吸声覆盖层单元在静水压力下的变形；将变形后的结构重新划分网格，代入在试验中测得的橡胶基体材料在不同静压下的动态力学参数：杨氏模量和损耗因子，计算吸声结构在不同静水压下的吸声系数。
以上过程中涉及到的吸声覆盖层单元参数的几何参数包括：六边形边长L，吸声单元的等效半径Rc，基体层厚度h1，背板厚度h2，散射板数目I，支撑柱半径rv，边框厚度δ，声学黑洞的指数m，根部厚度ht，长度lABH,截断厚度h0；材料参数包括：基体材料——橡胶的杨氏模量E1，损耗因子η，密度ρ1，泊松比ν1，背板、支撑柱，边框和散射板的材料——钢的杨氏模量E2，密度ρ2，泊松比ν2。
下面结合说明书附图通过如下仿真实验进一步说明。
本发明设计的内嵌树形声学黑洞的水下耐压吸声覆盖层的结构示意图如图1所示。
将吸声覆盖层吸声单元的三维模型简化为二维轴对称模型：
内嵌树形声学黑洞的水下耐压吸声覆盖层的基体材料采用橡胶，背板、支撑柱，边框和声学黑洞散射板的材料为钢，验证将内嵌树形声学黑洞的水下耐压吸声覆盖层吸声单元的三维六棱柱模型简化为二维轴对称模型，以均匀嵌入6个完全相同的声学黑洞形散射板的吸声单元为例，取rv＝3mm，δ＝2mm，声学黑洞结构的根部厚度ht＝5mm，指数m＝2，截断厚度h0＝0.5mm，声学黑洞长度lABH＝45mm，其余参数如表1所示。用三维模型和二维轴对称模型计算吸声系数结果如图2所示。当橡胶的损耗因子η≥0.35时，轴对称模型和六棱柱模型的第一个吸声峰几乎重合，其余吸声峰峰值差异极小，向低频移动，但仍然可以表征吸声结构在200Hz-5000Hz内的吸声系数曲线的趋势，由此确定吸声单元的基体材料的损耗因子的优化范围下限。
表1几何参数与材料参数
对吸声覆盖层吸声单元的材料和几何参数进行优化：
在经过验证的二维轴对称模型的基础上，在COMSOL有限元软件中，使用Nelder-Mead算法，对前文提出的吸声单元进行优化设计，以期实现最佳的吸声性能。该优化容差0.01，模型最大计算次数1000。优化参数为：支撑柱半径rv，边框厚度δ，声学黑洞根部厚度ht，声学黑洞长度lABH，截断厚度h0，基体材料的杨氏模量E1，损耗因子η，密度ρ1。
以声压反射系数的平方|rp|2和声压透射系数的平方|tp|2的最大值J1＝max(|rp|2,|tp|2)与其平均值作为两个目标函数，总目标函数为其中，rp是声压反射系数，tp是声压透射系数，nf＝(f2-f1)/Δf+1，Δf为频率间隔，频率f∈[f1,f2]，qi是加权因子。第一种优化策略(以下简称为优化1)综合考虑[f1,f2]频段内的高低频平均加权，取q1＝q2＝0.5。第二种优化策略以下简称为(优化2)偏重低频的吸声性能，/>其中/>是Ji在[f1,f2]内的平均值，且i＝1,2，/>以下将第一种和第二种优化策略分别简称为优化1和优化2。除优化参数外，其余参数参考表1。优化前后的参数如表2所示，优化前后的吸声系数如图3所示。优化约束条件为13mm≤rv+lABH+δ≤58mm。
表2吸声单元优化前后的参数
根据优化结果加工圆柱体的吸声单元样件，样件所用的丁基橡胶密度ρ1＝1250kg/m3，泊松比ν1＝0.45。建立丁基橡胶的超弹性本构模型，获得丁基橡胶在不同静压下的动态力学参数——杨氏模量和损耗因子分别如图4和图5所示，在此两者的基础上用COSOL模拟吸声单元样件在不同静压下的吸声系数。吸声单元样件的部分几何参数如表3所示，其余参数见表1。
表3吸声单元的内部几何参数
以上设计结果也得到了驻波管试验验证，COMSOL仿真结果和驻波管试验结果的对比如图6-图11所示。结果表明，仿真模型与试验结果较为一致，验证了仿真模型对预测覆盖层的吸声单元吸声性能的准确性，本文所设计的内嵌树形声学黑洞的水下耐压吸声覆盖层在静压下有良好的吸声效果。
Claims (4)
1.一种内嵌树形声学黑洞的水下耐压吸声覆盖层设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)基于局域共振原理和声学黑洞原理，设计一种内嵌树形声学黑洞的水下耐压吸声覆盖层，吸声覆盖层由六棱柱晶胞呈蜂窝状排列组成，一个晶胞称之为吸声单元；
(2)将吸声单元六棱柱晶胞的模型近似简化为圆柱体模型，再将圆柱体模型进一步简化为二维轴对称模型；
(3)对吸声单元的材料和几何参数进行优化；
(4)根据优化结果加工吸声单元样件，对加工时所用的基体材料橡胶建立超弹性本构模型，用有限元软件仿真吸声单元在不同静水压下的吸声系数。
2.根据权利要求1所述的内嵌树形声学黑洞的水下耐压吸声覆盖层设计方法，其特征在于：步骤(1)中所述六棱柱形状的吸声单元由金属边框(1)、多个不同尺度的声学黑洞形状的散射板(2)、支撑柱(3)、粘弹性材料基体(4)和衬在吸声单元下方的背板组成；支撑柱(3)穿过多个散射板(2)的中心形成一个树形声学黑洞结构，树形声学黑洞结构嵌入六棱柱形状的基体(4)中，支撑柱(3)位于吸声单元的中心，基体(4)的六个侧面被金属边框(1)包围。
3.根据权利要求1所述的内嵌树形声学黑洞的水下耐压吸声覆盖层设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中对以下参数进行优化：支撑柱半径rv，边框厚度δ，声学黑洞根部厚度ht，声学黑洞长度lABH，截断厚度h0，基体材料的杨氏模量E1，损耗因子η，密度ρ1；具体为：在有限元软件中使用Nelder-Mead算法对覆盖层吸声单元的材料和几何参数在指定频段[f1,f2]进行两种策略的优化，以声压反射系数的平方|rp|2和声压透射系数的平方|tp|2的最大值J1＝max(|rp|2,|tp|2)与其平均值作为两个目标函数，总目标函数为/>其中，rp是声压反射系数，tp是声压透射系数，nf＝(f2-f1)/Δf+1，Δf为频率间隔，频率f∈[f1,f2]，qi是加权因子；第一种优化策略综合考虑[f1,f2]频段内的高低频平均加权，取q1＝q2＝0.5；第二种优化策略偏重低频的吸声性能，其中/>是Ji在[f1,f2]内的平均值，且i＝1,2，
4.根据权利要求1所述的内嵌树形声学黑洞的水下耐压吸声覆盖层设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中利用橡胶压缩试验得到橡胶材料的应力-应变数据，代入超弹性模型的应变能密度函数中，拟合超弹性本构模型参数，建立橡胶的超弹性本构模型；使用超弹性模型在有限元软件计算吸声覆盖层单元在静水压力下的变形；将变形后的结构重新划分网格，代入在试验中测得的橡胶基体材料在不同静压下的动态力学参数：杨氏模量和损耗因子，计算吸声单元在不同静水压下的吸声系数。
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