一种内置空气层的四方蜂窝复合水下吸声结构
阅读说明：本技术 一种内置空气层的四方蜂窝复合水下吸声结构 (Square honeycomb composite underwater sound absorption structure with built-in air layer ) 是由 辛锋先 卢天健 于晨磊 段明宇 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种内置空气层的四方蜂窝复合水下吸声结构,包括四方蜂窝结构,四方蜂窝结构设置在底板上,四方蜂窝结构的上表面设置有覆盖层,四方蜂窝结构内部的每个元胞内填充有粘弹性材料,粘弹性材料与底板之间设置有空气层。本发明可以很大程度提高粘弹性材料的吸声性能,在设计方面具有更多的可调参数,包括结构参数以及材料参数,可根据实际工况需求进行相应调节,结构简单,易于制造。(The invention discloses a square honeycomb composite underwater sound absorption structure with a built-in air layer, which comprises a square honeycomb structure, wherein the square honeycomb structure is arranged on a bottom plate, a covering layer is arranged on the upper surface of the square honeycomb structure, each cell in the square honeycomb structure is filled with a viscoelastic material, and the air layer is arranged between the viscoelastic material and the bottom plate. The invention can improve the sound absorption performance of the viscoelastic material to a great extent, has more adjustable parameters in the design aspect, including structural parameters and material parameters, can be correspondingly adjusted according to the requirements of actual working conditions, and has simple structure and easy manufacture.)
技术领域
本发明属于水下吸声复合结构技术领域，具体涉及一种内置空气层的四方蜂窝复合水下吸声结构。
背景技术
目前，声波是远距离水下信息传输的唯一有效介质，因此被广泛应用于水下侦察。作为一种典型的反侦察方法，消声层通过吸收部分入射声能来降低反射声波的强度。粘弹性材料，如橡胶和聚氨酯，由于其声阻抗与水相匹配，常被用作吸音层的基础。在入射声波的激发下，粘弹性材料内部的聚合物链开始振动，分子内部的摩擦消耗了部分声能。然而，由于粘弹性材料在低频域固有的弱耗散性，对低频声音的吸收仍然是一个巨大的挑战。再加上水中的低频声波波长较长，要想利用原有的均匀粘弹性材料有效衰减低频吸声，唯一的办法就是增加材料的厚度，这与实际情况相互矛盾。
在实际应用中使用最多的是空腔共振结构式吸声层，即内部嵌入各种形状的孔腔。当入射声波的频率接近空腔的固有频率时，聚合物链的振动加剧，声能因分子内摩擦而严重耗散。但共振消声结构的吸声频带宽较窄，并且由于空腔对水压较为敏感，不能满足深海条件的实际需求。故目前对于水下宽带吸声结构以及耐水压吸声结构的设计依然存在挑战。
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，提供一种内置空气层的四方蜂窝复合水下吸声结构，通过结构的合理设计提高吸声橡胶的水下吸声性能，解决了粘弹性材料宽频吸声性能较差的难题。
本发明采用以下技术方案：
一种内置空气层的四方蜂窝复合水下吸声结构，包括四方蜂窝结构，四方蜂窝结构设置在底板上，四方蜂窝结构的上表面设置有覆盖层，四方蜂窝结构内部的每个元胞内填充有粘弹性材料，粘弹性材料与底板之间设置有空气层。
具体的，四方蜂窝结构包括若干隔板，隔板间隔设置在底板上，沿底板的横向和纵向分布，相邻两个隔板构成一个元胞。
进一步的，隔板的厚度为0.5～3mm，隔板的高度为21～51mm。
进一步的，四方蜂窝结构采用金属材料或碳纤维/玻璃纤维复合材料制成。
进一步的，元胞的宽度为10～30mm。
具体的，每个元胞内填充的粘弹性材料的厚度h2为20～50mm。
具体的，空气层的厚度h1为1～10mm。
具体的，覆盖层的厚度h3为1～10mm。
进一步的，覆盖层采用粘弹性材料制成。
进一步的，粘弹性材料的密度为800～1400kg/m3，粘弹性材料的横波声速为500～2000m/s，粘弹性材料的横波损耗因子为0.01～0.3；粘弹性材料的纵波声速为30～300m/s，粘弹性材料的纵波损耗因子大于0.5。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种内置空气层的四方蜂窝复合水下吸声结构，四方蜂窝结构与底板连接，四方蜂窝结构的元胞内填充粘弹性水下吸声材料；由于四方蜂窝结构与底板相连，并且刚性较大，四方蜂窝结构的壁面不会因声波的扰动而振动；粘弹性材料在声波的激励下发生振动，由于四方蜂窝结构的存在，靠近四方蜂窝结构蜂窝壁面的材料振动受到约束，而远离四方蜂窝结构蜂窝壁面的材料振动相对比较剧烈，从而在粘弹性材料中产生很强的剪切作用；由于粘弹性材料的剪切损耗远大于压缩损耗，所以可以大幅度提升粘弹性材料的声波损耗能力；另一方面，粘弹性材料与底板之间有空气层，空气层释放底部约束，增强粘弹性材料的振动，进一步提升粘弹性材料的声波损耗能力；另一方面，四方蜂窝结构与底板连接，压力通过四方蜂窝结构传递到底板，使得结构具有一定的承载能力，进一步改善了结构的耐水压能力。
进一步的，作为粘弹性材料的内容补充说明承载结构，四方蜂窝结构由若干隔板沿底板的横向和纵向分布设置的目的或好处的隔板镶嵌组合而成，制备简单。
进一步的，隔板的厚度为0.5～3mm，隔板的高度为21～51mm，可以保证隔板的刚度使四方蜂窝结果不随粘弹性材料一起振动。
进一步的，为了保证蜂窝壁面与粘弹性材料之间的声阻抗失配，并且具有一定的承载能力，四方蜂窝结构选取钢、铝等金属或碳纤维及玻璃纤维等复合材料。
进一步的，元胞的宽度为10～30mm，元胞的宽度的选取与粘弹性材料的参数相关，两者之间相互配合从而实现良好的吸声性能。
进一步的，每个元胞内填充的粘弹性材料的厚度h2为20～50mm设置的目的或好处以保证声波在结构中有足够的传播距离，从而有效保障低频阶段的吸声性能。
进一步的，为了提高四方蜂窝-橡胶复合水下吸声结构中粘弹性材料的振动，在橡胶和底板之间内嵌以空气层，空气层的厚度为1～10mm。
进一步的，为了保证结构具有足够的吸声能力，覆盖层的厚度h3为1～10mm。
进一步的，覆盖层采用粘弹性材料设置的目的或好处，具有与海水相近的声学性质，保证声波顺利进入，且耐腐蚀，可保护四方蜂窝不受海水侵蚀。
进一步的，粘弹性材料的密度为800～1400kg/m3，在结构中起主要吸声作用，粘弹性材料横波损耗因子为0.5及以上，以保证粘弹性材料与蜂窝壁面之间有足够的粘滞作用，对声波能量具有足够的损耗能力。
综上所述，本发明可以很大程度提高粘弹性材料的吸声性能，在设计方面具有更多的可调参数，包括结构参数以及材料参数，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的示意图；
图2为蜂窝俯视和侧视图，其中，(a)为俯视图，(b)侧视图；
图3为本发明水下吸声结构三个实施例的吸声系数示意图。
其中：1.覆盖层；2.四方蜂窝结构；3.空气层。
具体实施方式
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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
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，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。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
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。
本发明提供了一种内置空气层的四方蜂窝复合水下吸声结构，采用金属或碳纤维/玻璃纤维复合材料组成四方蜂窝结构，并将聚氨酯或橡胶等粘弹性材料填充到四方蜂窝结构的隔板所形成的空间中凝固。粘弹性材料的底部设置空气层提升橡胶振动，结构上表面覆盖纯橡胶覆盖层，保护四方蜂窝结构不受海水侵蚀，最终形成的结构相较于相同厚度的粘弹性材料，吸声性能得到了大幅度的提高，在很宽的频带范围内实现吸声系数大于0.8。并且所形成的结构在静水压下具有不易变形的性质，从而实现了一种既能抗静水压，又具有宽频吸声效果的水下吸声结构。
请参阅图1和图2，本发明一种内置空气层的四方蜂窝复合水下吸声结构，包括覆盖层1、四方蜂窝结构2和空气层3，四方蜂窝结构2设置在底板上，四方蜂窝结构2的每个元胞内填充有粘弹性材料，粘弹性材料的底部与底板之间设置有空气层3，粘弹性材料的顶部设置有覆盖层1。
覆盖层1采用粘弹性材料制成，覆盖层1的厚度h3为1～10mm，如图2所示。
四方蜂窝结构2包括若干隔板，隔板间隔设置在底板上，并在底板上沿横向和纵向分布，相邻两个隔板构成一个元胞，四方蜂窝结构2采用铁，铝等金属材料或碳纤维/玻璃纤维复合材料制得，为保证一定的承载能力和重量等要求，隔板的厚度t为0.5～3mm，隔板的高度为21～51mm。
其中，四方蜂窝结构2中每个元胞的宽度a为10～30mm，如图2所示。
粘弹性材料的密度为800～1400kg/m3，粘弹性材料的横波声速为500～2000m/s，粘弹性材料的横波损耗因子为0.01～0.3；粘弹性材料的纵波声速为30～300m/s，粘弹性材料的纵波损耗因子大于0.5。
其中，粘弹性材料作为吸声材料用于吸收声波能量，包括橡胶或聚氨酯。
每个元胞内填充的粘弹性材料的厚度h2为20～50mm，如图2所示。
空气层3的内部为空气，空气层3的厚度h1为1～10mm，如图2所示。
四方蜂窝-橡胶复合水下吸声结构的厚度h为22～70mm，如图2所示。
本发明一种内置空气层的四方蜂窝复合水下吸声结构上表面覆盖的覆盖层1起到保护蜂窝不受海水侵蚀的作用；构成的内置空气层的四方蜂窝橡胶复合水下吸声结构中，四方蜂窝结构2起提升粘弹性材料吸声性能的作用以及传递水压等载荷，底部设置的空气层3能够提升吸声性能的作用；可以实现1100～10000Hz范围吸声系数大于0.8，平均吸声系数大于0.9，相对于相同厚度的粘弹性材料，吸声性能得到了大幅度提升。原因在于钢的模量远大于橡胶，相对于橡胶，钢板可看作刚性的。声波引起橡胶振动，由于与蜂窝连接位置振动受到限制，在蜂窝壁面附近产生强烈的剪切作用，从而将声波能量损耗掉。底部空气层释放底部对橡胶振动的约束，增加相交的振动，从而有效提高低频阶结构的吸声性能。
另外，本发明一种内置空气层的四方蜂窝复合水下吸声结构还满足在高静水压下维持吸声性能不易发生下降的要求；结构简单、可操作性强。
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。
实施例1
金属钢：其特征是密度7850kg/m3，杨氏模量为2.05GPa，泊松比为0.28。
粘弹性材料：其特征是密度1000kg/m3，纵波波速1000m/s，纵波损耗因子为0.3，横波波速为100m/s，横波损耗因子为0.9。
水：其特征是密度1000kg/m3，声速1500m/s。
空气：其特征是密度1.29kg/m3，声速340m/s。
实施例结构尺寸：
蜂窝元胞尺寸：a＝20mm。金属板厚度：t＝1mm。空气层厚度：h1＝5mm。蜂窝橡胶混合层厚度：h2＝40mm。上层纯橡胶覆盖层厚度：h3＝5mm。
实施例2
实施例用材料：
金属钢：其特征是密度7850kg/m3，杨氏模量为2.05GPa，泊松比为0.28。
粘弹性材料：其特征是密度900kg/m3，纵波波速1200m/s，纵波损耗因子为0.09，横波波速为100m/s，横波损耗因子为0.9。
水：其特征是密度1000kg/m3，声速1500m/s。
空气：其特征是密度1.29kg/m3，声速340m/s。
实施例结构尺寸：
蜂窝元胞尺寸：a＝25mm。金属板厚度：t＝1mm。空气层厚度：h1＝6mm。蜂窝橡胶混合层厚度：h2＝50mm。上层纯橡胶覆盖层厚度：h3＝4mm。
实施例3
实施例用材料：
金属钢：其特征是密度7850kg/m3，杨氏模量为2.05GPa，泊松比为0.28。
粘弹性材料：其特征是密度800kg/m3，纵波波速800m/s，纵波损耗因子为0.15，横波波速为80m/s，横波损耗因子为0.8。
水：其特征是密度1000kg/m3，声速1500m/s。
空气：其特征是密度1.29kg/m3，声速340m/s。
实施例结构尺寸：
蜂窝元胞尺寸：a＝20mm。金属板厚度：t＝1mm。空气层厚度：h1＝4mm。蜂窝橡胶混合层厚度：h2＝35mm。上层纯橡胶覆盖层厚度：h3＝2mm。
对照例1为与实施例等厚度的均匀橡胶材料，对照例2为内部不含空气层的蜂窝橡胶混合结构，总厚度保持一致。为了保证对照的客观性，材料参数与实施例保持一致。
采用以上材料和结构尺寸进行理论计算及数值模拟，给出了实施例和对比例的吸声系数对比如下：
计算0～10000Hz之间两种结构以及均匀对照组的吸声系数。
请参阅图3，其中虚线表示等厚度均匀粘弹性材料的吸声系数，点画线表示蜂窝橡胶混合结构的吸声系数，实线代表内置空气层的四方蜂窝橡胶复合水下吸声结构的吸声系数。从图中可以看出，相对于等厚度粘弹性材料，本发明所提出的吸声结构在0～10000Hz内都有大幅度的提升。具体表现如下：
实施例1的吸声系数在1100～10000Hz时均达到0.8以上，平均吸声系数达0.9以上。
实施例2的吸声系数在1500～4800Hz时均达到0.8以上，平均吸声系数达0.8以上。
实施例3的吸声系数在2000～6100Hz时均达到0.8以上，平均吸声系数达0.75以上
结果表明，在参数取值范围内通过控制蜂窝尺寸及厚度以及选用不同物性参数的橡胶材料，均可实现宽频范围内的吸声性能的大幅度提升。其中，以实施例1的吸声带宽最宽，平均吸声系数最好。
综上所述，本发明一种内置空气层的四方蜂窝复合水下吸声结构具有以下优点：
1、本发明的仿真计算结果在1100～10000Hz吸声系数均在0.8以上，平均吸声系数达0.9以上，满足宽频段内有效吸声的要求；
2、四方蜂窝结构简单，与橡胶混合工艺简单，加工方便；
3、通过改变蜂窝的材料和厚度等参数可以改变整体结构的力学性能，适应不同场合下的要求。
4、上层橡胶有效保护金属蜂窝不受海水腐蚀，并保持表面平整，有效降低表面阻力。
综上所述，本发明一种内置空气层的四方蜂窝复合水下吸声结构，可用于制造水下吸声覆盖层，通过结构的设计提升粘弹性材料的声能损耗能力以及实现具有承压能力的水下吸声结构，具有很广泛的工程应用前景。
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。
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