阅读说明：本技术 一种阻尼内衬双层蜂窝穿孔板水下吸声超材料结构 (Underwater sound absorption metamaterial structure with damping lining and double-layer honeycomb perforated plate ) 是由 辛锋先 卢天健 段明宇 何伟 于晨磊 于 2020-06-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种阻尼内衬双层蜂窝穿孔板水下吸声超材料结构,从上至下包括依次连接的穿孔上面板、第一层蜂窝层芯、夹层穿孔面板、第二层蜂窝层芯和下面板,第一层蜂窝层芯和第二层蜂窝层芯内均设置有多个蜂窝共振腔单元,穿孔上面板上对应第一层蜂窝层芯结构的每个蜂窝共振腔单元周期性开设有第一孔,夹层穿孔面板上对应第二层蜂窝层芯的每个蜂窝共振腔单元周期性开设有第二孔；第一层蜂窝层芯的每一个蜂窝共振腔单元内设置有第一阻尼内衬层,第二层蜂窝层芯的每一个蜂窝共振腔单元内设置有第二阻尼内衬层。本发明具有优异的低频吸声性能以及良好的承载性能和轻量化性能,可根据实际工况需求进行相应调节,结构简单,易于制造。(The invention discloses an underwater sound absorption metamaterial structure with a damping lining double-layer honeycomb perforated plate, which comprises a perforated upper panel, a first honeycomb layer core, an interlayer perforated panel, a second honeycomb layer core and a lower panel which are sequentially connected from top to bottom, wherein a plurality of honeycomb resonant cavity units are arranged in the first honeycomb layer core and the second honeycomb layer core; a first damping lining layer is arranged in each honeycomb resonant cavity unit of the first layer of honeycomb layer core, and a second damping lining layer is arranged in each honeycomb resonant cavity unit of the second layer of honeycomb layer core. The invention has excellent low-frequency sound absorption performance, good bearing performance and light weight performance, can be correspondingly adjusted according to the requirements of actual working conditions, has simple structure and is easy to manufacture.)

一种阻尼内衬双层蜂窝穿孔板水下吸声超材料结构

技术领域

本发明属于声学超材料技术领域，具体涉及一种阻尼内衬双层蜂窝穿孔板水下吸声超材料结构。

背景技术

声学超材料是一种人工周期性复合结构，具有不同于天然材料的超常规声学特性，如声聚焦、负折射、单向透射、声隐身等。此外，深亚波长尺度结构对低频声波的完美吸收也是声学超材料的重要特殊性质之一。在空气声学中，通过空间缠绕或双层穿孔的结构设计，可以实现基于亥姆霍兹共振原理的完美吸收。通过具有不同几何参数的多个单元的并行连接，其中一些结构也表现出宽频带吸收能力。

但在水声学中，由于水的近似不可压缩性和相对较小的粘性，依赖于空气的粘性能量耗散的超材料将不再适用。此外，在相同频率下，水中的声波波长是空气的4倍以上，这使得通过小尺寸结构实现低频的完全吸收变得更加困难。

而传统的水下吸声材料/结构，例如具有周期性排布的空腔的吸声覆盖层、局域共振型声子晶体、阻抗渐变型吸声覆盖层等材料/结构，其基体大多为橡胶或聚氨酯，实际工作时需粘贴在水下装备的钢制外壳上，一方面增加了结构重量，另一方面承载性能较差，在深水载荷作用下易发生变形，从而削弱其吸声性能。综合来看，上述结构普遍存在低频吸声性能不佳、质量较重、承载性能差的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种阻尼内衬双层蜂窝穿孔板水下吸声超材料结构，解决传统水下吸声结构在普遍存在低频吸声性能不佳、质量较重、承载性能差的问题。

本发明采用以下技术方案：

一种阻尼内衬双层蜂窝穿孔板水下吸声超材料结构，从上至下包括依次连接的穿孔上面板、第一层蜂窝层芯、夹层穿孔面板、第二层蜂窝层芯和下面板，第一层蜂窝层芯和第二层蜂窝层芯内均设置有多个蜂窝共振腔单元，穿孔上面板上对应第一层蜂窝层芯结构的每个蜂窝共振腔单元周期性开设有第一孔，夹层穿孔面板上对应第二层蜂窝层芯的每个蜂窝共振腔单元周期性开设有第二孔；第一层蜂窝层芯的每一个蜂窝共振腔单元内设置有第一阻尼内衬层，第二层蜂窝层芯的每一个蜂窝共振腔单元内设置有第二阻尼内衬层。

具体的，第一孔的直径为2.5～4mm，形状包括圆形，三角形、方形、花瓣形或不规则形。

具体的，穿孔上面板的厚度为1.5～3.5mm。

具体的，第一层蜂窝层芯的厚度为25～40mm，第一层蜂窝层芯内每个蜂窝的内边长为25～40mm，蜂窝形状包括六方蜂窝，圆形蜂窝、三角形蜂窝、方形蜂窝或多尺寸多形状的混杂蜂窝。

进一步的，第二层阻尼内衬层的厚度为1～3mm，粘贴于第一层蜂窝层芯的每一个蜂窝共振腔单元侧壁上。

具体的，第二孔的直径为1.5～3mm，形状包括圆形，三角形、方形、花瓣形或不规则形。

具体的，夹层穿孔面板的厚度为1～3mm。

具体的，第二层蜂窝层芯的厚度为20～35mm，第二层蜂窝层芯内每个蜂窝内边长为25～40mm，蜂窝形状包括六方蜂窝，圆形蜂窝、三角形蜂窝、方形蜂窝或多尺寸多形状的混杂蜂窝。

进一步的，第二层阻尼内衬层厚度为2～4mm，粘贴于第二层蜂窝层芯每一个蜂窝共振腔单元的侧壁和底面上。

具体的，下面板采用结构钢制成，下表面固定在需要声学处理的水下装备上。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种阻尼内衬双层蜂窝穿孔板水下吸声超材料结构，通过焊接或胶接穿孔上面板、蜂窝层芯、下面板，形成多个蜂窝共振腔单元，并在蜂窝共振腔单元的侧壁和底面上粘贴阻尼内衬层，改善了结构的声阻抗特性，提高了结构的低频吸声性能。轻质蜂窝夹层板结构在实现良好的低频水下吸声性能的前提下，减轻了结构重量，保证了结构承载性能，解决了传统水下吸声结构在普遍存在低频吸声性能不佳、质量较重、承载性能差的问题，穿孔上面板上每一个第一孔对应第一层蜂窝层芯结构中的一个蜂窝共振腔单元，穿孔的设置将使蜂窝单元内部与外部连通，水通过穿孔流入蜂窝单元内部，形成第一层亥姆霍兹共振腔，夹层穿孔面板由结构钢制成，上面周期性的开有第二孔，结构钢的应用使结构具有良好的承载性能，夹层穿孔面板上每一个小孔对应第二层蜂窝层芯结构中的一个蜂窝共振腔单元，穿孔的设置将使第一层与第二层蜂窝单元之间连通，水通过穿孔流入蜂窝单元内部，形成串联式亥姆霍兹共振腔。

具体的，上面板穿孔的直径为2.5～4mm，形状为圆形、三角形、方形、花瓣形或不规则形，穿孔的直径决定了穿孔内水柱的直径，通过调节穿孔直径可以改变结构的亥姆霍兹共振特性，从而调节结构的吸声性能，穿孔上面板由结构钢制成，上面周期性的开有第一孔，结构钢的应用使结构具有良好的承载性能。

进一步的，穿孔上面板的厚度为1.5～3.5mm，穿孔上面板的厚度一方面决定了穿孔内水柱的高度，控制着结构的共振吸声特性，另一方面可以调节结构的承载性能。

进一步的，第一层蜂窝内边长为25～40mm，蜂窝腔体作为亥姆霍兹共振腔，起到了声容的作用，通过调整蜂窝内边长，可以控制结构的峰值吸声频率，第一层蜂窝层芯由结构钢制成，形状为方形蜂窝、圆形蜂窝、三角形蜂窝、六方蜂窝或多尺寸多形状的混杂蜂窝，蜂窝层芯用于承受压缩载荷，此外，蜂窝壁将结构分割为多个单元，可以实现不同单元的差异化尺寸设计，形成多个共振频率，增加结构的吸声带宽，第一层蜂窝层芯的厚度为25～40mm，蜂窝层芯的厚度决定了共振腔体的尺寸，改变蜂窝层芯厚度可以调整结构的吸声频带。

进一步的，第一层阻尼内衬层厚度为1～3mm，阻尼内衬层的厚度决定了额外增加的声阻和声容的大小，对结构的声阻抗特性会产生影响，通过合理设计可以实现特定频率的优异吸声效果，第一层阻尼内衬层由橡胶或聚氨酯等粘弹性材料制成，粘贴于第一层每一个蜂窝共振腔单元的侧壁上，阻尼内衬层的粘贴为蜂窝共振腔提供了额外的声阻和声容，改善了结构的阻抗特性，有利于实现结构的低频水下吸声。

进一步的，第二孔的直径为1.5～3mm，形状为圆形、三角形、方形、花瓣形或不规则形，穿孔的直径决定了穿孔内水柱的直径，通过调节穿孔直径可以改变结构的亥姆霍兹共振特性，从而调节结构的吸声性能。

进一步的，夹层穿孔面板的厚度为1～3mm，夹层穿孔面板的厚度一方面决定了穿孔内水柱的高度，控制着结构的共振吸声特性，另一方面可以调节结构的承载性能。

进一步的，第二层蜂窝内边长为25～40mm，蜂窝腔体作为亥姆霍兹共振腔，起到了声容的作用，通过调整蜂窝内边长，可以控制结构的峰值吸声频率，第二层蜂窝层芯由结构钢制成，形状为方形蜂窝、圆形蜂窝、三角形蜂窝、六方蜂窝或多尺寸多形状的混杂蜂窝，蜂窝层芯用于承受压缩载荷，此外，蜂窝壁将结构分割为多个单元，可以实现不同单元的差异化尺寸设计，形成多个共振频率，增加结构的吸声带宽。

进一步的，第二层蜂窝层芯的厚度为20～35mm，蜂窝层芯的厚度决定了共振腔体的尺寸，改变蜂窝层芯厚度可以调整结构的吸声频带。

进一步的，第二层阻尼内衬层厚度为2～4mm，阻尼内衬层的厚度决定了额外增加的声阻和声容的大小，对结构的声阻抗特性会产生影响，通过合理设计可以实现特定频率的优异吸声效果，第二层阻尼内衬层由橡胶或聚氨酯等粘弹性材料制成，粘贴于第二层每一个蜂窝共振腔单元的侧壁和底面上，阻尼内衬层的粘贴为蜂窝共振腔提供了额外的声阻和声容，改善了结构的阻抗特性，有利于实现结构的低频水下吸声。

综上所述，本发明具有优异的低频吸声性能以及良好的承载性能和轻量化性能。在设计方面具有更多的可调结构参数，可根据实际工况需求进行相应调节，结构简单，易于制造。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明水下吸声结构结构示意图，其中，(a)为整体***图，(b)为一个蜂窝共振腔单元的剖视图；

图2为本发明三个实施例在0～500Hz内的吸声系数示意图。

其中：1.穿孔上面板；2.第一层蜂窝层芯；3.第一层阻尼内衬层；4.夹层穿孔面板；5.第二层蜂窝层芯；6.第二层阻尼内衬层；7.下面板。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种阻尼内衬双层蜂窝穿孔板水下吸声超材料结构，通过焊接或胶接方式，从上至下依次将穿孔上面板、第一层蜂窝层芯、夹层穿孔面板、第二层蜂窝层芯和下面板连接形成双层串联蜂窝共振腔单元，并在第一层蜂窝共振腔单元的侧壁上粘贴第一层阻尼内衬层，在第二层蜂窝共振腔单元的侧壁和底面上粘贴第二层阻尼内衬层，通过多个双层串联蜂窝共振腔单元构成水下吸声超材料结构，改善了结构的声阻抗特性，提高了结构的低频吸声性能。轻质蜂窝夹层板结构在实现良好的低频水下吸声性能的前提下，减轻了结构重量，保证了结构承载性能，解决了传统水下吸声结构在普遍存在低频吸声性能不佳、质量较重、承载性能差的问题。

请参阅图1，本发明一种阻尼内衬双层蜂窝穿孔板水下吸声超材料结构，包括穿孔上面板1、第一层蜂窝层芯2、第一层阻尼内衬层3、夹层穿孔面板4、第二层蜂窝层芯5、第二层阻尼内衬层6和下面板7，穿孔上面板1、第一层蜂窝层芯2、夹层穿孔面板4、第二层蜂窝层芯5和下面板7从上至下依次通过焊接或胶接方式相连，第一层蜂窝层芯2和第二层蜂窝层芯5内均设置有多个蜂窝共振腔单元，第一层蜂窝层芯2的每一个蜂窝共振腔单元侧壁上均粘贴有第一阻尼内衬层3，第二层蜂窝层芯5的每一个蜂窝共振腔单元侧壁上均粘贴有第二阻尼内衬层6，形成一种阻尼内衬双层蜂窝穿孔板水下吸声超材料。

穿孔上面板1采用结构钢制成，穿孔上面板1的厚度为1.5～3.5mm，穿孔上面板1上周期性的开有第一孔，第一孔的直径为2.5～4mm，且每一个孔对应第一层蜂窝层芯结构2中的一个蜂窝共振腔单元。

优选的，第一孔的形状不限于圆形，三角形、方形、花瓣形或不规则形。

第一层蜂窝层芯2采用结构钢制成，第一层蜂窝层芯2内每个蜂窝的内边长为25～40mm，厚度为25～40mm。

优选的，第一层蜂窝层芯2的蜂窝形状不限于六方蜂窝，圆形蜂窝、三角形蜂窝、方形蜂窝或多尺寸多形状的混杂蜂窝。

第二层阻尼内衬层3粘贴于第一层蜂窝层芯2的每一个蜂窝共振腔单元侧壁上，第二层阻尼内衬层3的厚度为1～3mm。

优选的，制成第二层阻尼内衬层3的材料不限于橡胶，聚氨酯等粘弹性材料。

夹层穿孔面板4采用结构钢制成，夹层穿孔面板4的厚度为1～3mm，夹层穿孔面板4上周期性的开有第二孔，第二孔的直径为1.5～3mm，每一个第二孔对应第二层蜂窝层芯结构5中的一个蜂窝共振腔单元。

优选的，第二孔的形状不限于圆形，三角形、方形、花瓣形或不规则形。

第二层蜂窝层芯5采用结构钢制成，第二层蜂窝层芯5内每个蜂窝内边长为25～40mm，第二层蜂窝层芯5的厚度为20～35mm。

优选的，第二层蜂窝层芯5内的蜂窝形状不限于六方蜂窝，圆形蜂窝、三角形蜂窝、方形蜂窝或多尺寸多形状的混杂蜂窝均可。

第二层阻尼内衬层6粘贴于第二层蜂窝层芯5每一个蜂窝共振腔单元的侧壁和底面上，第二层阻尼内衬层6厚度为2～4mm。

优选的，制成第二层阻尼内衬层6的材料不限于橡胶，聚氨酯等粘弹性材料均可。

下面板7采用结构钢制成，下表面7固定在需要声学处理的水下装备上。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明由穿孔上面板、第一层蜂窝层芯、第一层阻尼内衬层、夹层穿孔面板、第二层蜂窝层芯、第二层阻尼内衬层、下面板组成，其吸声性能主要由蜂窝共振腔决定，包括穿孔上面板穿孔直径、穿孔上面板厚度、第一层蜂窝层芯高度、第一层蜂窝内边长、第一层阻尼内衬层厚度、夹层穿孔面板穿孔直径、夹层穿孔面板厚度、第二层蜂窝层芯高度、第二层蜂窝内边长、第二层阻尼内衬层厚度决定。承载和轻量化性能主要由面板和蜂窝层芯决定，包括穿孔上面板厚度、第一层蜂窝层芯高度、第一层蜂窝内边长、夹层穿孔面板厚度、第二层蜂窝层芯高度、第二层蜂窝内边长等。由于这些结构参数均为可调参数，所以可以通过调节实现相应的吸声、承载和轻量化性能要求。下面通过具体实施例进行对本发明技术方案进行示例性说明。

实施例用材料：

结构钢：其特征是密度为7850kg/m³，杨氏模量为200GPa，泊松比为0.3。

橡胶：其特征是密度为1100kg/m³，杨氏模量为10MPa，泊松比为0.49，等效各向同性损耗因子为0.3。

水：其特征是密度为1000kg/m³，声速为1500m/s，动力粘度系数为0.00101Pa·s。

实施例的结构尺寸以及材料选择：

实施例1

穿孔上面板的穿孔直径为2.5mm、穿孔上面板的厚度为2.5mm、第一层蜂窝层芯的高度为25mm、第一层蜂窝的内边长为25mm、第一层阻尼内衬层的厚度为3mm、夹层穿孔面板的穿孔直径为1.5mm、夹层穿孔面板的厚度为1mm、第二层蜂窝层芯的内边长为25mm、第二层蜂窝层芯的高度为25mm、第二层阻尼内衬层的厚度为2mm。

实施例2

穿孔上面板的穿孔直径为4mm、穿孔上面板的厚度为1.5mm、第一层蜂窝层芯的高度为35mm、第一层蜂窝的内边长为35mm、第一层阻尼内衬层的厚度为2mm、夹层穿孔面板的穿孔直径2mm、夹层穿孔面板的厚度为2mm、第二层蜂窝的内边长为35mm、第二层蜂窝层芯的高度35mm、第二层阻尼内衬层的厚度为3mm。

实施例3

穿孔上面板的穿孔直径为3mm、穿孔上面板的厚度为3.5mm、第一层蜂窝层芯的高度40mm、第一层蜂窝的内边长为40mm、第一层阻尼内衬层的厚度为1mm、夹层穿孔面板的穿孔直径为3mm、夹层穿孔面板的厚度为3mm、第二层蜂窝的内边长为40mm、第二层蜂窝层芯的高度为20mm、第二层阻尼内衬层的厚度为4mm。

请参阅图2，在低频时的亥姆霍兹共振现象可以在一定频率范围内实现完美吸声。通过在蜂窝共振腔内壁粘贴阻尼内衬层，改善了结构的声阻抗特性，由橡胶层提供额外的声阻和声容，形成了类亥姆霍兹共振，使本发明实现了水下的低频完美吸声。除此之外，通过双层串联腔体设计，使本发明获得了多个共振频率，产生了更低频率的吸声峰值，从而使本发明实现了低频的优异吸声效果。

请参阅图2，实施例1具有两个吸声峰值，分别在126Hz和368Hz处，其中第一吸声峰为0.99，为完美吸声峰值，第二吸声峰为0.98，为准完美吸声峰值，此时结构厚度为53.5mm，为完美吸声波长的1/222，因此实施例1为具有深亚波长厚度的双峰吸声超材料；

实施例2具有两个吸声峰值，分别在96Hz和322Hz处，其中第一吸声峰为0.99，为完美吸声峰值，第二吸声峰为0.66，此时结构厚度为73.5mm，为完美吸声波长的1/212，因此实施例2为具有深亚波长厚度的双峰吸声超材料；

实施例3具有两个吸声峰值，分别在113Hz和208Hz处，其中第一吸声峰为1，为完美吸声峰值，第二吸声峰为0.97，为准完美吸声峰值，此时结构厚度为66.5mm，为完美吸声波长的1/200，因此实施例2为具有深亚波长厚度的双峰吸声超材料；

从吸声系数曲线可以看出本发明可以在一定的频率范围内实现优异的低频吸声性能，并且通过不同的结构参数的设计可以实现对声学性能的调节。

综上所述，本发明达到的技术效果具体为：

1、具有优异的低频吸声性能。本发明试件在0～500Hz的范围内，存在两个吸声峰值，拓宽了结构的吸声带宽，在某些频率处，吸声系数可以达到0.99以上，从而实现完美吸声。且结构厚度仅为完美吸声频率处的波长的1/222～1/200，该结构是一种具有完美吸声性能的深亚波长超材料。

2、具有良好的承载性能和轻量化性能。本发明的穿孔上面板、蜂窝层芯、下面板共同组成了轻质蜂窝夹层板结构，该结构具有良好的耐压性能、抗弯性能，是一种承载、轻量化的多功能结构。

3、具有更多的可调参数和变量。本发明中的穿孔上面板穿孔直径、穿孔上面板厚度、第一层蜂窝层芯高度、第一层蜂窝内边长、第一层阻尼内衬层厚度、夹层穿孔面板穿孔直径、夹层穿孔面板厚度、第二层蜂窝层芯高度、第二层蜂窝内边长、第二层阻尼内衬层厚度等均为可调参数，可以根据具体的使用场景，如对承载性能的要求或对声学性能的要求合理的进行选择调整。

4、结构简单，易于制造。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。