CN219418486U - 抑制水下低频流致噪声的超材料模块及其抗压蒙皮结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种抑制水下低频流致噪声的超材料模块，其构成包括负泊松比单胞结构、调谐心部、增效耦合装置；调谐心部置于负泊松比单胞结构内，并与负泊松比单胞结构组合形成谐振功能基元；增效耦合装置、谐振功能基元按预定形式组合成超材料模块基元，超材料模块基元按预定方式序构拓展形成抑制水下低频流致噪声的超材料模块；还提供一种超材料模块抗压蒙皮结构，其构成包括一个以上的超材料模块、以及抗压层。本实用新型中的超材料模块及其抗压蒙皮结构，兼具低频、宽带、轻量化、高承载的优良综合性能，应用前景广阔。

Description

抑制水下低频流致噪声的超材料模块及其抗压蒙皮结构

技术领域

本实用新型属于水下装备的减振降噪技术领域，尤其涉及一种抑制水下低频流致噪声的超材料模块及其抗压蒙皮结构。

背景技术

水下潜航器等水下装备在水下工作时，周围流场会与其蒙皮结构相互作用，使得边界处的流体呈现不规则的随机运动，引起流层之间相互跃迁，产生随机变化的脉动量(脉动压力或脉动速度等)，进而会引起水下潜航器等水下装备的壳体振动，并产生噪声辐射，从而减弱水下潜航器等水下装备的声隐身及生存能力。

蒙皮结构是潜航器等水下装备用于控制振动与噪声的重要系统，传统的蒙皮结构多为“Aiberich”蒙皮构型，当潜航器等水下装备在工作时，由于静水压及水下脉动压力等因素，会致使“Aiberich”蒙皮结构发生明显变形，导致其对流场所产生的流致振动和流致噪声的抑制能力较弱，仅能抑制少量的振动与噪声能量，并且其抑制的工作频率主要处于中高频范围，难以对低频振动与噪声进行有效抑制。

近年来，声学超材料技术迅猛发展，为水下潜航器等水下装备的低频噪声抑制提供了新途径。为了克服上述蒙皮结构技术的缺陷和不足，本实用新型设计了一种抑制水下低频流致噪声的超材料模块及其抗压蒙皮结构。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种抑制水下低频流致噪声的超材料模块及其抗压蒙皮结构，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种抑制水下低频流致噪声的超材料模块及其抗压蒙皮结构，包括负泊松比单胞结构、调谐心部、增效耦合装置；所述调谐心部设置于所述负泊松比单胞结构内，所述负泊松比单胞结构与所述调谐心部共同组成谐振功能基元，所述增效耦合装置关于所述谐振功能基元呈对称设置，所述增效耦合装置与所述谐振功能基元共同组成超材料模块基元，若干个所述超材料模块基元通过矩形阵列的方式序构拓展形成所述抑制水下低频流致噪声的超材料模块。

优选的，所述负泊松比单胞结构包括第一顶板、第二底板、第三调节板、第四调节板，所述第一顶板与所述第二底板平行设置；所述第三调节板、所述第四调节板均设置于所述第一顶板与所述第二底板之间，且所述第三调节板、所述第四调节板呈对称设置；所述第一顶板、所述第二底板分别与所述第三调节板的上下端以及所述第四调节板的上下端固定连接。

优选的，所述第三调节板、所述第四调节板均为弯折板或弯曲板；

若第三调节板和第四调节板为弯折板时，第三调节板和第四调节板均向内弯折(即第三调节板从左向右弯折，第四调节板从右向左弯折)，并且弯折角为各自的调节角θ；

若第三调节板和第四调节板为弯曲板时，第三调节板和第四调节板均向内弯曲(即第三调节板从左向右弯曲，第四调节板从右向左弯曲)，并且弯曲弧角为各自的调节角θ。

优选的，所述负泊松比单胞结构呈内空状，所述调谐心部填充于所述负泊松比单胞结构的内空区域。

优选的，所述增效耦合装置为弱增效耦合装置和/或强增效耦合装置。

优选的，所述弱增效耦合装置内部设置有腔体，所述强增效耦合装置为正泊松比单胞结构。

优选的，所述谐振功能基元外可包覆功能约束层。

优选的，所述谐振功能基元可设置调形倾角β。

优选的，所述抑制水下低频流致噪声的超材料模块为单层结构或多层结构。

本实用新型还提供了一种超材料模块抗压蒙皮结构，包括抑制水下低频流致噪声的超材料模块以及抗压层，所述抗压层固定设置于所述抑制水下低频流致噪声的超材料模块的外侧。

优选的，所述负泊松比单胞结构采用类水材料制成，材料的阻抗和水的阻抗匹配；所述调谐心部采用高密度材料制成，所述调谐心部的材料密度比所述负泊松比单胞结构的材料密度高至少0.5倍。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和技术效果：

1、本实用新型基于负泊松比理论与局域谐振效应，提出新型谐振功能基元，并基于其设计出超材料模块基元和超材料模块，并将其应用于水下装备的蒙皮设计中，所设计的超材料模块的谐振效应与振动波的耦合效应可有效抑制水下装备流激振动及噪声的产生；本实用新型在具有优异静力学特性(满足高静水压环境)的同时，兼具轻质小型的优势，可在亚波长尺度下，实现低频且超宽频范围内有效抑制流致振动传递及降低声辐射效率，从而很好地解决现有技术抗压性差及水动力噪声高等关键问题；

2、本实用新型提供的抗压蒙皮结构，减阻和抑制流致噪声机理本质上具有一致性，本实用新型可以动态吸收蒙皮外层的振动能量，从而可有效衰减湍流脉动力的传递，在一定程度上实现对边界层的转捩的抑制及降低湍流脉动的产生，最终实现水下装备等流动阻力的降低；

3、本实用新型基于多频谐振原理，通过拓扑序构，调节结构的调节角θ、调形倾角β、厚度、材料等参数，改变增效耦合装置和谐振功能基元的组合形式、超材料模块的层级和拓扑关系等灵活调整、拓宽本实用新型结构的各项性能指标，具有很大的设计广度与优化设计空间，可满足不同的工程应用环境，特别是在水下装备及精密仪器等超低频减振应用中存在明显优势。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的抑制水下低频流致噪声的超材料模块的示意图；

图2-图7为本实用新型中超材料模块基元的不同结构形式的示意图；

图8-图18为本实用新型中抑制水下低频流致噪声的超材料模块的不同结构形式的示意图；

图19为本实用新型中的超材料模块抗压蒙皮结构构成步骤示意图；

图20为本实用新型的超材料模块抗压蒙皮结构与传统抗压蒙皮结构的声压级结果对比；

图21为本实用新型中的超材料模块抗压蒙皮结构另一种构成步骤示意图；

其中，1、负泊松比单胞结构；11、第一顶板；12、第二底板；13、第三调节板；14、第四调节板；2、调谐心部；3、增效耦合装置；31、弱增效耦合装置；32、强增效耦合装置；4、谐振功能基元；5、功能约束层；6、超材料模块基元；7、抑制水下低频流致噪声的超材料模块；8、抗压层；9、传统蒙皮结构。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。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，都属于本实用新型保护的范围。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

如图1所示，本实用新型提供一种抑制水下低频流致噪声的超材料模块及其抗压蒙皮结构，包括负泊松比单胞结构1、调谐心部2、增效耦合装置3；调谐心部2设置于负泊松比单胞结构1内，负泊松比单胞结构1与调谐心部2共同组成谐振功能基元4，增效耦合装置3关于谐振功能基元4呈对称设置，增效耦合装置3与谐振功能基元4按预定形式组合成超材料模块基元6，若干个超材料模块基元6按预定方式序构拓展形成抑制水下低频流致噪声的超材料模块7。

进一步的，负泊松比单胞结构1包括第一顶板11、第二底板12、第三调节板13、第四调节板14，第一顶板11与第二底板12在水平面上平行设置；第三调节板13、第四调节板14均设置于第一顶板11与第二底板12之间，且第三调节板13、第四调节板14呈对称设置；第一顶板11、第二底板12分别与第三调节板13的上下端以及第四调节板14的上下端固定连接。

进一步的，第三调节板13、第四调节板14均为弯折板或弯曲板；

若第三调节板13和第四调节板14为弯折板时，第三调节板13和第四调节板14均向内弯折，即第三调节板13从左向右弯折，第四调节板14从右向左弯折；并且弯折角为各自的调节角θ；

若第三调节板13和第四调节板14为弯曲板时，第三调节板13和第四调节板14均向内弯曲，即第三调节板13从左向右弯曲，第四调节板14从右向左弯曲；并且弯曲弧角为各自的调节角θ。

进一步的，负泊松比单胞结构1呈内空状，调谐心部2填充于负泊松比单胞结构1的内空区域。

进一步的，增效耦合装置3为弱增效耦合装置31和/或强增效耦合装置32。

进一步的，弱增效耦合装置31内部设置有腔体，腔体内可填充水或空气或类水材料(如填充橡胶、金属水)，强增效耦合装置32为正泊松比单胞结构。

进一步的，谐振功能基元4外可包覆功能约束层5。

进一步的，谐振功能基元4可设置调形倾角β。

进一步的，增效耦合装置3、谐振功能基元4按预定形式组合成超材料模块基元6，其组合形式包括以下几种：

1、从左至右呈现，弱增效耦合装置31-谐振功能基元4-弱增效耦合装置31的组合形式；

2、强增效耦合装置32-弱增效耦合装置31-谐振功能基元4-弱增效耦合装置31的组合形式；

3、强增效耦合装置32-谐振功能基元4-弱增效耦合装置31-谐振功能基元4的组合形式；

4、从中心向上下左右呈现，围绕中间的强增效耦合装置32，上下对称排布谐振功能基元4，左右对称排布强增效耦合装置32，外围均排布弱增效耦合装置31的组合形式。

进一步的，抑制水下低频流致噪声的超材料模块7为单层结构或多层结构；若为多层结构形式时，各层中的超材料模块基元6的结构形式和参数可以相同，也可以不相同；例如，将各层超材料模块基元6的参数周期性设置、或者进行梯度渐变序构。

本实用新型还提供一种超材料模块抗压蒙皮结构，包括抑制水下低频流致噪声的超材料模块7以及抗压层8，抗压层8固定设置于抑制水下低频流致噪声的超材料模块7的外侧。

进一步的，负泊松比单胞结构1采用类水材料制成，材料的阻抗和水的阻抗匹配，例如硅橡胶；调谐心部2采用高密度材料制成，调谐心部2的材料密度比负泊松比单胞结构1的材料密度高至少0.5倍，例如钛合金；抗压层8采用高刚度材料制成，例如钢、铁、复合材料、玻璃钢。

实施例一

如图10所示，一种超材料模块抗压蒙皮结构，负泊松比单胞结构1的构成包括第一顶板11、第二底板12、第三调节板13、第四调节板14，第一顶板11和第二底板12平行设置并间距18mm，第一顶板11和第二底板12的厚度取1mm；第三调节板13、第四调节板14为弯折板，均向内弯折，调节角θ＝120°；抑制水下低频流致噪声的超材料模块采用8*5个周期序构拓展，抗压层置于外层。仿真计算了超材料蒙皮结构在水流致引起的远场辐射声压级，同时计算了传统蒙皮结构相同厚度在水流致引起的远场辐射声压级。

实施例结果表明：本实用新型的超材料模块抗压蒙皮结构，在兼具轻质、抗压前提下，200Hz-10000Hz的远场辐射声压级远低于传统抗压蒙皮结构，具有低频、宽带降噪性能，对抑制水下装备流致噪声具有重要价值。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种抑制水下低频流致噪声的超材料模块，其特征在于，包括负泊松比单胞结构(1)、调谐心部(2)、增效耦合装置(3)；所述调谐心部(2)设置于所述负泊松比单胞结构(1)内，所述负泊松比单胞结构(1)与所述调谐心部(2)共同组成谐振功能基元(4)，所述增效耦合装置(3)关于所述谐振功能基元(4)呈对称设置，所述增效耦合装置(3)与所述谐振功能基元(4)共同组成超材料模块基元(6)，若干个所述超材料模块基元(6)通过矩形阵列的方式序构拓展形成所述抑制水下低频流致噪声的超材料模块(7)。

2.根据权利要求1所述的抑制水下低频流致噪声的超材料模块，其特征在于，所述负泊松比单胞结构(1)包括第一顶板(11)、第二底板(12)、第三调节板(13)、第四调节板(14)，所述第一顶板(11)与所述第二底板(12)平行设置；所述第三调节板(13)、所述第四调节板(14)均设置于所述第一顶板(11)与所述第二底板(12)之间，且所述第三调节板(13)、所述第四调节板(14)呈对称设置；所述第一顶板(11)、所述第二底板(12)分别与所述第三调节板(13)的上下端以及所述第四调节板(14)的上下端固定连接。

3.根据权利要求2所述的抑制水下低频流致噪声的超材料模块，其特征在于，所述第三调节板(13)、所述第四调节板(14)均为弯折板或弯曲板。

4.根据权利要求1所述的抑制水下低频流致噪声的超材料模块，其特征在于，所述负泊松比单胞结构(1)呈内空状，所述调谐心部(2)填充于所述负泊松比单胞结构(1)的内空区域。

5.根据权利要求1所述的抑制水下低频流致噪声的超材料模块，其特征在于，所述增效耦合装置(3)为弱增效耦合装置(31)和/或强增效耦合装置(32)。

6.根据权利要求5所述的抑制水下低频流致噪声的超材料模块，其特征在于，所述弱增效耦合装置(31)内部设置有腔体，所述强增效耦合装置(32)为正泊松比单胞结构。

7.根据权利要求1所述的抑制水下低频流致噪声的超材料模块，其特征在于，所述谐振功能基元(4)外可包覆功能约束层(5)。

8.根据权利要求1所述的抑制水下低频流致噪声的超材料模块，其特征在于，所述抑制水下低频流致噪声的超材料模块(7)为单层结构或多层结构。

9.一种超材料模块抗压蒙皮结构，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的抑制水下低频流致噪声的超材料模块(7)以及抗压层(8)，所述抗压层(8)固定设置于所述抑制水下低频流致噪声的超材料模块(7)的外侧。