CN210777829U

CN210777829U - 一种声子晶体和包括该声子晶体的吸收层、舰船、探测器、鱼雷、潜艇和航母

Info

Publication number: CN210777829U
Application number: CN201920302559.8U
Authority: CN
Inventors: 刘若鹏; 赵治亚; 郑亚雄
Original assignee: Kuang Chi Institute of Advanced Technology
Current assignee: Kuang Chi Institute of Advanced Technology
Priority date: 2019-03-11
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2020-06-16
Anticipated expiration: 2029-03-11

Abstract

本实用新型提供一种声子晶体和包括该声子晶体的吸收层、舰船、探测器、鱼雷、潜艇和航母，其中声子晶体包括金属管和基板，所述金属管具有空腔，所述空腔内填充有可吸声材料，所述金属管按二维晶格周期排布在基板内形成所述的声子晶体。本实用新型中的声子晶体在较大频率范围内可实现结构声阻抗与水的阻抗相匹配，从而使本实用新型中的声子晶体在用于水声吸声或声纳吸收时具有宽频低反射和低透射的特性，同时具备结构简单，耐环境好，使用寿命长等特点。

Description

一种声子晶体和包括该声子晶体的吸收层、舰船、探测器、鱼雷、潜艇和航母

【技术领域】

本实用新型涉及一种声子晶体，尤其涉及一种在宽频范围内实现低反射和低透射的声子晶体、吸收层、舰船、探测器、鱼雷、潜艇和航母。

【背景技术】

目前，现有的声子晶体的水声吸声覆盖层多采用周期排布的空腔结构或结合典型的局域共振结构实现隔声，主要是利用散射或振动原理吸声，其在禁带频段往往实现的是高反射和低透射，且存在吸声频段窄，结构复杂等问题。且在某些特殊的情况下，水声吸声结构需要在宽频范围内具有高吸声效果，即低反射和低透射，而现有的吸声覆盖层难以达到这一效果。因此有必要设计一种在宽频率范围内实现低反射和低透射的声子晶体结构。

【实用新型内容】

为解决上述技术问题，本实用新型公开一种声子晶体，包括金属管、基板和金属衬板，所述金属管具有空腔，所述空腔内填充有可吸声材料，所述金属管按二维晶格周期排布在基板内形成所述的声子晶体，所述基板设置在金属衬板上。所述金属管为金属圆管，所述基板的厚度H1为20mm-80mm，任意两相邻金属圆管中心之间的距离W为35mm-80mm，所述金属衬板的厚度H2为5mm-30mm；金属管为金属圆管，金属圆管的内径为D1，金属圆管的外径为D2，金属圆管的高度为H3，其中D1<D2<W；H3<H1。本实用新型中的声子晶体在较大频率范围内可实现结构声阻抗与水的阻抗相匹配，使本实用新型中的声子晶体在用于水声吸声时具有宽频、低反射和低透射的特性。

在本实用新型的一些实施例中，吸声材料包括可压缩材料、和/或蜂窝。

在本实用新型的一些实施例中，可压缩材料包括弹性材料、和/或纤维、和/或碎布、和/或棉。在本实用新型中，弹性材料包括橡胶、弹性体、树脂、石墨烯、发泡材料等。

在本实用新型的一些实施例中，金属管被基板材料完全包覆，即金属管完全埋入基板内，可使本实用新型中的声子晶体耐环境性好，结构美观完整，同时具有较好的吸声性能。

在本实用新型的一些实施例中，基板为聚氨酯树脂基板、和/或酚醛树脂基板、和/或环氧树脂基板、和/或纤维增强树脂基板。使用上述材料制备的基板整体强度高，生产工艺简单。

在本实用新型的一些实施例中，可压缩材料的泊松比在0.4-0.5之间，可使本实用新型中的声子晶体在水下有更低的反射率。

在本实用新型的一些实施例中，基板与可压缩材料的各向同性损耗因子均大于0.2，能使本实用新型中的声子晶体具有更好的吸声效果。

在本实用新型的一些实施例中，可压缩材料的弹性模量远低于基板材料的弹性模量，能使本实用新型中的声子晶体具有更好的吸声效果。

在本实用新型的一些实施例中，声子晶体还包括金属衬板，所述基板设置在金属衬板上。

在本实用新型的一些实施例中，金属管为钢管。

在本实用新型的一些实施例中，金属衬板为钢板。

本实用新型还公开一种吸收层，其特征在于，包括上述或下述的声子晶体，所述吸收层用于对水下噪音或者声呐的吸收。

本实用新型还公开上述声子晶体在水下噪音的吸收上的应用。

本实用新型还公开上述声子晶体在水下声纳的吸收上的应用。

本实用新型还公开一种舰船，所述舰船包括上述或下述的声子晶体。

本实用新型还公开一种探测器，所述探测器包括上述或下述的声子晶体。

本实用新型还公开一种鱼雷，所述鱼雷包括上述或下述的声子晶体。

本实用新型还公开一种潜艇，所述潜艇包括上述或下述的声子晶体。

本实用新型还公开一种航母，所述航母包括上述或下述的声子晶体。

本实用新型中的声子晶体在较大频率范围内可实现结构声阻抗与水的阻抗相匹配，从而使本实用新型中的声子晶体在用于水声吸声或声纳吸收时具有宽频低反射和低透射的特性，同时具备结构简单，耐环境好，使用寿命长等特点。

【附图说明】

图1本实用新型声子晶体在平行于基板方向的剖视图；

图2本实用新型图1中单个声子晶体延金属管轴向的剖视图；

图3本实用新型一种声子晶体在水中不同频率下的反射系数图；

图4本实用新型另一种声子晶体在水中不同频率下的反射系数图；

图5本实用新型另一种声子晶体在水中不同频率下的反射系数图；

图6本实用新型另一种声子晶体在水中不同频率下的反射系数图；

图7本实用新型另一种声子晶体在水中不同频率下的反射系数图。

【具体实施方式】

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请查阅图1和图2本实用新型一种声子晶体，包括金属管2和基板1，所述金属管2具有空腔3，所述空腔3内填充有可吸声材料(图中未标示)，所述金属管2按二维晶格周期排布在基板1内形成所述的声子晶体。在本实用新型的一些实施例中，所述吸声材料包括可压缩材料、和/或蜂窝。在本实用新型另一些实施例中，金属管2被基板材料完全包覆，即金属管2完全埋入在基板1内，可使本实用新型中的声子晶体耐环境性更好，结构更完整美观，同时具有较好的吸声性能。在本实用新型另一些实施例中，基板1 为聚氨酯树脂基板、和/或酚醛树脂基板、和/或环氧树脂基板、和/或纤维增强树脂基板，使用上述材料制备的基板整体强度高，生产工艺简单。在本实用新型另一些实施例中，基板材料的泊松比在0.4-0.5之间，可使基板在水下具有较稳定的结构尺寸。在本实用新型另一些实施例中，基板材料与可压缩材料的各向同性损耗因子均大于0.2，能使本实用新型中的声子晶体具有更好的吸声效果。在本实用新型另一些实施例中，可压缩材料的弹性模量远低于基板材料的弹性模量，能使本实用新型中的声子晶体具有更好的吸声效果。在本实用新型另一些实施例中，可压缩材料为包括弹性体、和/或碎布、和/或棉。在本实用新型另一些实施例中，金属管为金属圆管，所述基板的厚度H1在20mm-80mm之间，任意两相邻金属圆管中心之间的距离W为35mm-80mm，所述金属衬板的厚度H2为5mm-30mm，金属圆管的内径为D1，金属圆管的外径为D2，金属圆管的高度为H3，其中 D1<D2<W；H3<H1。

为进一步说明本实用新型中声子晶体在水中不同频率下的吸声性能，在实施例1至实施例5中对结构及材料性能进行相关限定，其在0-20kHz的声反射系数和吸声系数如图3至图7所示，由图可知本实用新型中的声子晶体在大部分频率范围内其吸声系数均在0.9以上，吸声效果较好。

实施例1

金属圆管和金属衬板均为金属钢材料，弹性模量为210GPa，泊松比为 0.28，密度为7.84g/cm3；可压缩材料为橡胶材料，其弹性模量为2MPa，泊松比为0.46，密度为1.3g/cm3，各向同性损耗因子为0.3；基板为高分子树脂基板，其弹性模量为700MPa，泊松比为0.49，密度为1.1g/cm3，各向同性损耗因子为0.23；基板的厚度H1＝28mm，任意两相邻金属圆管中心之间的距离W＝42mm，金属衬板的厚度H2＝9mm，金属圆管的高度H3＝13.5mm，金属圆管的内径为D1＝24mm，金属圆管的外径为D2＝35mm。声波垂直入射时，其在0-20kHz的声反射系数和吸声系数如图3所示，由图可知该声子晶体在 2kHz-20kHz的频段内，其吸声系数均在0.9以上，吸声效果较好。

实施例2

金属圆管和金属衬板均为金属钢材料，弹性模量为210GPa，泊松比为 0.28，密度为7.84g/cm3；可压缩材料为橡胶材料，其弹性模量为2MPa，泊松比为0.46，密度为1.3g/cm3，各向同性损耗因子为0.3；基板为高分子树脂基板，其弹性模量为700MPa，泊松比为0.49，密度为1.1g/cm3，各向同性损耗因子为0.23；基板的厚度H1＝28mm，任意两相邻金属圆管中心之间的距离W＝35mm，金属衬板的厚度H2＝9mm，金属圆管的高度H3＝13.5mm，金属圆管的内径为D1＝24mm，金属圆管的外径为D2＝35mm。声波垂直入射时，其在0-20kHz的声反射系数和吸声系数如图4所示，由图可知在2kHz-20kHz 的频段内，其吸声系数均在0.7以上，吸声效果较好。

实施例3

金属圆管和金属衬板均为金属钢材料，弹性模量为210GPa，泊松比为0.28，密度为7.84g/cm3；可压缩材料为橡胶材料，其弹性模量为2MPa，泊松比为0.46，密度为1.3g/cm3，各向同性损耗因子为0.3；基板为高分子树脂基板，其弹性模量为700MPa，泊松比为0.49，密度为1.1g/cm3，各向同性损耗因子为0.23；基板的厚度H1＝28mm，任意两相邻金属圆管中心之间的距离W＝80mm，金属衬板的厚度H2＝9mm，金属圆管的高度H3＝13.5mm，金属圆管的内径为D1＝24mm，金属圆管的外径为D2＝35mm。声波垂直入射时，其在0-20kHz的声反射系数和吸声系数如图5所示，由图可知在2kHz-20kHz 的频段内，其吸声系数均在0.75以上，吸声效果较好。

实施例4

金属圆管和金属衬板均为金属钢材料，弹性模量为210GPa，泊松比为 0.28，密度为7.84g/cm3；可压缩材料为橡胶材料，其弹性模量为2MPa，泊松比为0.46，密度为1.3g/cm3，各向同性损耗因子为0.3；基板为高分子树脂基板，其弹性模量为700MPa，泊松比为0.49，密度为1.1g/cm3，各向同性损耗因子为0.23；基板的厚度H1＝20mm，任意两相邻金属圆管中心之间的距离W＝42mm，金属衬板的厚度H2＝9mm，金属圆管的高度H3＝13.5mm，金属圆管的内径为D1＝24mm，金属圆管的外径为D2＝35mm。声波垂直入射时，其在0-20kHz的声反射系数和吸声系数如图6所示，可见在2kHz-20kHz的频段内，其吸声系数均在0.78以上，吸声效果较好。

实施例5

金属圆管和金属衬板均为金属钢材料，弹性模量为210GPa，泊松比为 0.28，密度为7.84g/cm3；可压缩材料为橡胶材料，其弹性模量为2MPa，泊松比为0.46，密度为1.3g/cm3，各向同性损耗因子为0.3；基板为高分子树脂基板，其弹性模量为700MPa，泊松比为0.49，密度为1.1g/cm3，各向同性损耗因子为0.23；基板的厚度H1＝80mm，任意两相邻金属圆管中心之间的距离W＝42mm，金属衬板的厚度H2＝9mm，金属圆管的高度H3＝13.5mm，金属圆管的内径为D1＝24mm，金属圆管的外径为D2＝35mm。声波垂直入射时，其在0-20kHz的声反射系数和吸声系数如图7所示，可见在2kHz-20kHz的频段内，其吸声系数均在0.75以上；在4kHz-20kHz的频段内，其吸声系数均在0.9以上，吸声效果较好。

在上述实施例中，仅对本实用新型进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下对本实用新型进行各种修改。

Claims

1.一种声子晶体，其特征在于：所述声子晶体包括金属管、基板和金属衬板，所述金属管具有空腔，所述空腔内填充有可吸声材料，所述金属管按二维晶格周期排布在基板内形成所述的声子晶体，所述基板设置在金属衬板上；所述金属管为金属圆管，所述基板的厚度H1在20mm-80mm之间，任意两相邻所述金属圆管中心之间的距离W为35mm-80mm，所述金属衬板的厚度H2为5mm-30mm，金属圆管的内径为D1，金属圆管的外径为D2，金属圆管的高度为H3，其中D1<D2<W，H3<H1。

2.如权利要求1所述的声子晶体，其特征在于：所述吸声材料包括可压缩材料、和/或蜂窝。

3.如权利要求2所述的声子晶体，其特征在于：所述可压缩材料包括弹性材料、石墨烯、和/或短切纤维、和/或棉。

4.如权利要求1所述的声子晶体，其特征在于：所述基板为聚氨酯树脂基板、和/或酚醛树脂基板、和/或环氧树脂基板、和/或纤维增强树脂基板。

5.如权利要求2所述的声子晶体，其特征在于：所述可压缩材料的泊松比在0.4-0.5之间。

6.如权利要求2所述的声子晶体，其特征在于：所述基板与可压缩材料的各向同性损耗因子均大于0.2。

7.一种吸收层，其特征在于：所述吸收层包括权利要求1至6任一项所述的声子晶体，所述吸收层用于对水下噪音或者声呐的吸收。

8.一种舰船，其特征在于：所述舰船包括权利要求1至6任一项所述的声子晶体。

9.一种探测器，其特征在于：所述探测器包括权利要求1至6任一项所述的声子晶体。

10.一种鱼雷，其特征在于：所述鱼雷包括权利要求1至6任一项所述的声子晶体。

11.一种潜艇，其特征在于：所述潜艇包括权利要求1至6任一项所述的声子晶体。

12.一种航母，其特征在于：所述航母包括权利要求1至6任一项所述的声子晶体。