CN208256285U - 一种内嵌螺旋刚性结构的低频水下吸声结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种内嵌螺旋刚性结构的低频水下吸声结构，包括一个起支撑作用的支撑钢板，在支撑钢板上固定有一个包裹若干呈阵列分布的金属螺旋刚性结构并固化后的基体材料；基体材料与支撑钢板之间采用耐水型橡胶金属胶粘剂粘合。本结构具有良好的水下低频宽频吸声能力，吸声材料在100Hz左右即可达到0.75的吸声系数，在100Hz～1000Hz频率范围内其吸声系数均在0.7以上；结构具有较小的体积，该结构在100Hz左右可以达到0.75的吸声系数，其厚度仅相当于相同频率下的1/68波长。具有更多的可调参数和变量。其结构简单，形状规整，易于制造。

Description

一种内嵌螺旋刚性结构的低频水下吸声结构

技术领域

本实用新型涉及一种基于局域共振原理的新型水下低频吸声结构，具体是一种由螺旋刚性结构和粘弹性阻尼材料构成的水下吸声结构。

背景技术

由于电磁波在水中传播时能量衰减过快，因此声波是目前在海洋中唯一能够远距离传播的能量形式，也是完成水下通讯、定位、搜索等任务的唯一信息载体。在海洋复杂声场环境下，水下吸声材料是消除多余声波、控制声波传播的重要途径，在声呐隐身、水声通讯等军民两用技术中有着重要应用。

传统水下吸声材料包括纯聚合物水下吸声材料、微粒填充型水下吸声材料、空腔谐振型水下吸声材料、阻抗渐变型水下吸声材料及多孔水下吸声材料等。吸声机制主要指声波在吸声材料内部传播时的能量损耗机制。传统水下吸声材料的吸声机制主要以声波在材料(一般为聚合物基材料)内部引起的分子内摩擦以及声波在不同介质界面上的耗能机制为基础，因此，受质量密度定律的限制传统水下吸声材料在中频或高频下具有良好的吸收能力，但在低频范围内会失效。

随着局域共振理论及超材料概念的提出，发展出了一系列新型水下吸声材料，为解决水下吸声材料遇到的难题提供了新思路。局域共振理论的特点是可以用小尺度结构控制长波声波的传播，从而可以解决低频吸声问题。近年来，基于局域共振原理提出一些新型水下吸声材料和结构。如王育人等提出的声子木堆、声子晶体等新型水下吸声材料，能够以较小尺寸在水下对5kHz以上频率的声波实现良好吸收，但对于更低频声波则效果不好；另外，迷宫结构在降噪或声学成像方面表现出意想不到的效果，但迷宫结构必须通过3D打印在内部形成复杂的微结构，加工难度比较大。如果在水中使用迷宫结构，刚性表面的阻抗可能与入射波不匹配，从而形成反射回波。所以虽然水下吸声材料的研究取得了一些进步，但到目前为止，研究人员还是没有提出一种有效的水下低频亚波长吸声结构。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术无法使用亚波长结构实现有效的水下低频声吸收的不足，提供一种内嵌螺旋刚性结构的低频水下吸声结构，通过将螺旋刚性结构嵌入粘弹性基体材料中来形成一种水下吸声结构，该结构在100Hz～1000Hz的宽频范围内水下吸声系数可以达到0.7以上，在100Hz左右水下吸声系数可达0.75，而其厚度仅相当于相同频率下的1/68波长。

为达到上述目的，本实用新型的实施例采用如下技术方案：

根据本实用新型提供的一个实施例，本实用新型提供了一种内嵌螺旋刚性结构的低频水下吸声结构，包括一个起支撑作用的支撑钢板，在支撑钢板上固定有一个包裹若干呈阵列分布的金属螺旋刚性结构的基体材料；基体材料与支撑钢板之间采用耐水型橡胶金属胶粘剂粘合并固化后构成低频水下吸声结构。

对于上述技术方案，本实用新型进一步优选的方案为：

进一步，嵌入所述粘基体材料中的金属螺旋刚性结构完全被包围，与薄钢板之间有一定距离，不与薄钢板或外界环境接触。

进一步，所述基体材料为粘弹性阻尼材料，所述述粘弹性阻尼材料为橡胶或聚氨酯材料。

进一步，所述金属螺旋刚性结构为等螺距的实心螺旋体，实心螺旋体的截面为圆形或矩形。

进一步，所述金属螺旋刚性结构的材料选用金属刚性材料，所述金属刚性材料包括钢、钨或铝。

进一步，所述金属螺旋刚性结构的螺旋匝数n>1，金属螺旋刚性结构的外径R与螺旋柱体内径r满足R>2r，金属螺旋刚性结构与支撑钢板的距离l大于螺旋柱体内径r。

本实用新型的有益效果在于：

1)具有良好的水下低频宽频吸声能力。传统水下吸声材料在中、高频有较好的吸声效果，对低频则没有效果。本实用新型所设计的吸声材料在100Hz左右即可达到0.75的吸声系数，在100Hz～1000Hz频率范围内其吸声系数均在0.7以上。

2)较小的体积。传统水下吸声材料如纯聚合物水下吸声材料、阻抗渐变水下吸声材料及微粒填充水下吸声材料等，其吸声机理主要依赖于粘弹性材料的本征粘弹性吸声，往往需要较大尺寸才能对低频声波进行有效吸收。本实用新型所设计的吸声材料引入局域共振吸声原理，用较小尺寸即可实现对低频声波的有效吸收。如该结构在100Hz左右可以达到0.75的吸声系数，其厚度仅相当于相同频率下的1/68波长。

3)具有更多的可调参数和变量。本实用新型所提出的吸声材料中金属螺旋刚性结构的螺旋外径R、螺旋柱体内径r、螺旋匝数n和螺距p均为可调参数，可根据具体的使用场景如噪声频率及空间大小选择合适的参数来调整材料的吸声特性。同时基体材料和金属螺旋刚性结构的材料也可根据实际情况合理选择。

4)结构简单，形状规整，易于制造。本实用新型所设计的吸声材料只有支撑钢板、基体材料和金属螺旋刚性结构三部分。其中金属螺旋刚性结构几何形状规整，便于大规模工业生产。制造时只需将金属螺旋刚性结构周期排列，用粘弹性材料填充空隙将其固定，然后将成型完毕的基体材料与支撑钢板粘合即可。

附图说明

图1为本实用新型的水下吸声结构整体示意图；

图2为本实用新型的水下吸声结构单元体正视图及部分参数；

图3为本实用新型的水下吸声结构单元体俯视图及部分参数；

图4(a)-(d)为不同参数对应的吸声结构的水下吸声系数，其中：图4(a)为不同螺旋外径R对应的吸声结构的水下吸声系数；图4(b)为不同螺旋柱体内径r对应的吸声结构的水下吸声系数；图4(c)为不同螺旋匝数n对应的吸声结构的水下吸声系数；图4(d)为不同螺距p对应的吸声结构的水下吸声系数；

图5为不同材料的螺旋刚性结构对应的吸声结构的水下吸声系数；

图6为吸声结构单元体二维扩展后形成的吸声平面的示意图。

图中：1-支撑钢板；2-粘弹性阻尼材料；3-金属螺旋刚性结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

如图1所示，为本实用新型提出的内嵌螺旋刚性结构的低频水下吸声结构，包括一个起支撑作用的支撑钢板1，在支撑钢板1上固定有一个包裹若干呈阵列分布的金属螺旋刚性结构3的基体材料2，基体材料2为粘弹性阻尼材料，基体材料2与支撑钢板1之间采用耐水型橡胶金属胶粘剂粘合，嵌入上述粘弹性阻尼材料中的金属螺旋刚性结构完全被粘弹性阻尼材料包围，与薄钢板之间有一定距离，不与薄钢板1或外界环境接触。

上述基体材料2为橡胶、聚氨酯等粘弹性阻尼材料，不同的基体材料会影响吸声结构的吸声效果。

如图2、3所示，金属螺旋刚性结构3为等螺距的实心螺旋体，实心螺旋体的截面为圆形或矩形，金属螺旋刚性结构3的材料可选用各种金属及各种刚性材料，不同材料的螺旋刚性结构会影响吸声结构的吸声效果。螺旋刚性结构的螺旋外径R、螺旋柱体内径r、螺旋匝数n和螺距p均为可调参数，会影响吸声结构的水下吸声效果。

下面通过具体实施例来进一步说明本结构。

在一个实施例中，支撑钢板的厚度h为5～10mm，螺旋刚性结构与支撑钢板的距离l为5～15mm，螺旋刚性结构的螺旋外径R为10～20mm，螺旋柱体的内径r为1～10mm，螺旋匝数n>1，螺距p为15～30mm。螺旋外径R与螺旋柱体内径r的关系为R>2r，螺旋刚性结构与支撑钢板的距离l大于螺旋柱体内径r。

如图4(a)-(d)所示，螺旋刚性结构的螺旋外径R、螺旋柱体的内径r、螺旋匝数n和螺距p会对结构的吸声系数产生影响。由图4(a)可以看出，较大的螺旋外径R可以使结构具有更大的吸声系数；由图4(b)可得，较大的螺旋柱体内径r可以提高结构在100Hz～1000Hz上的吸声能力，但是过大的r会使结构在100Hz以下吸声系数降低，因此可以根据需要合理选择适当的r值；由图4(c)可以看出，金属螺旋刚性结构的匝数n越大，结构的水下吸声能力越好，但随着螺旋匝数的增多，结构的厚度也会随之上升，因此，在空间条件允许的情况下，应选择尽量大的n以获得更好的吸声能力。由图4(d)可以看到，结构的吸声能力随着螺距p的增大有一定的提高，但是效果并不明显，而螺距p的增大也会导致结构厚度的上升。对比图4(c)和图4(d)，匝数n增大对结构吸声系数的提高要优于螺距p，因此在空间有限的情况下应优先考虑增大螺旋刚性结构的匝数。

如图5所示为不同材料的螺旋刚性结构制成的水下吸声结构的吸声系数。图中画出了混凝土、钨、铝、尼龙、水、空气六种材料对应的吸声系数。可以明显看出，当螺旋刚性结构中为空气和水时，对应的吸声结构的水下吸声能力都比较差。混凝土、钨和铝三种材料的螺旋刚性结构对应的吸声结构的水下吸声能力是比较好的，当使用金属钨制作螺旋刚性结构时，结构的水下吸声能力是最好的。

综合考虑以上因素，我们应选择较大的螺旋外径R、合适大小的螺旋柱体内径r，螺旋匝数n和螺距p在厚度允许的条件下尽量大。因此，在我们的实施例中，单个单元体的长宽尺寸为62mm×62mm，总厚度为210mm。其中，螺旋外径R和螺旋柱体内径r分别为20mm和6mm，螺旋匝数n和螺距p分别为30mm和6，支撑钢板的厚度h为10mm，螺旋刚性结构到支撑钢板的距离l为10mm。在材料的选择上，基体材料我们选择橡胶，螺旋刚性结构的材料为钢。将确定的水下吸声结构单元体进行阵列，形成一个吸声面，然后使用有限元方法计算吸声系数，结果如图6所示。由图中可以看到，该实施例的吸声系数在100Hz时就能达到0.75，在150Hz～100Hz的频率范围内吸声系数都在0.8以上，750Hz～1000Hz甚至达到0.9以上。由此可得，该实施例在水下具有非常好的低频吸声能力，同时其厚度仅有210mm。

本实用新型的一种可供参考的加工方法如下：

1.根据实际的吸声需求以及空间条件，确定合适的参数和材料；

2.根据选择的最优参数，使用选择的材料批量加工螺旋刚性结构；

3.将加工好的螺旋刚性结构按设定的距离周期排列在模具中，注入液化的粘弹性材料，待其冷却固化；

4.待粘弹性材料固化后，将其与合适厚度的薄钢板粘合。

本实用新型形状规则，加工流程简单，可根据实际需求自由加工组合。

本实用新型并不局限于上述实施例，在本实用新型公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.一种内嵌螺旋刚性结构的低频水下吸声结构，其特征在于，包括一个支撑钢板，在支撑钢板上固定有一个包裹若干呈阵列分布的金属螺旋刚性结构的基体材料；基体材料与支撑钢板之间采用耐水型橡胶金属胶粘剂粘合并固化后构成低频水下吸声结构。

2.根据权利要求1所述的内嵌螺旋刚性结构的低频水下吸声结构，其特征在于，嵌入所述基体材料中的金属螺旋刚性结构完全被包围，与薄钢板之间有一定距离，不与薄钢板或外界环境接触。

3.根据权利要求1所述的内嵌螺旋刚性结构的低频水下吸声结构，其特征在于，所述基体材料为粘弹性阻尼材料，所述粘弹性阻尼材料为橡胶或聚氨酯材料。

4.根据权利要求1所述的内嵌螺旋刚性结构的低频水下吸声结构，其特征在于，所述金属螺旋刚性结构为等螺距的实心螺旋体，实心螺旋体的截面为圆形或矩形。

5.根据权利要求1所述的内嵌螺旋刚性结构的低频水下吸声结构，其特征在于，所述金属螺旋刚性结构的材料选用金属刚性材料，所述金属刚性材料包括钢、钨或铝。

6.根据权利要求1所述的内嵌螺旋刚性结构的低频水下吸声结构，其特征在于，所述金属螺旋刚性结构的螺旋匝数n>1，金属螺旋刚性结构的外径R与螺旋柱体内径r满足R>2r，金属螺旋刚性结构与支撑钢板的距离l大于螺旋柱体内径r。