一种实现水下低频宽带吸收的封闭式耐压水声吸收器

1.本发明涉及声学技术领域，具体涉及一种实现水下低频宽带吸收的封闭式耐压水声吸收器。


背景技术：

2.随着科技的快速发展，占据地球大部分区域的海洋资源正逐渐成为各国的焦点，世界各国相继研究发展了各式各样的水下航行器。由于电磁波的能量在水中衰减较大，现有的电磁波探测手段无法探测到水下航行器，而声呐技术凭借声波在水下传输距离远、传输损耗低的特点成为水下航行器的主要探测手段。在复杂的海洋声场环境吸声，是控制水下声波传输、消除水下多余声波的重要途径，也是目前具有挑战性的研究热点。
3.早期的水声吸收材料主要采用高损耗吸声材料如纯聚合物材料或共混改性材料等来实现声波吸收，但是其厚度高、体积大的特征难以适应目前器件轻、薄、小的要求。随着超材料的出现和发展，一些具有小体积、高性能特征的新型水声吸收器出现在人们视野，其中声学超材料在保留原有材料吸收性能的基础上又有了更薄更易制作的优势，成为声学领域的热门。
4.但是目前声学超材料在水下吸声方面仍存在以下问题：
5.一是在低频带吸声性能差：低频段声波波长较长、声能量较大。
6.二是材料厚、体积大：相比于高频，要满足低频吸声要求，材料就需要更大的体积。
7.三是有效吸声频带窄：基础吸声材料依赖于共振或热粘滞耗散，在低频带拓宽频带更是困难。
8.因此，如何实现在水下低频段的高效吸收与宽带兼容是目前水声超材料吸收器亟需解决的难题，解决这一难题对适应目前的低频探测技术有重大意义。


技术实现要素：

9.为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明设计了一种实现水下低频宽带吸收的封闭式耐压水声吸收器，实现在300hz～850hz的频率范围内对入射波有85％以上的吸收，平均厚度仅为最大波长的1/81。该吸收器由单元结构周期性组成，单元结构对硬质挡板结构、粘弹性材料、空气间隙和金属芯进行耦合，其特征在于：主体为若干硬质挡板结构，在挡板内部包裹具有阻尼性质的粘弹性材料，并在挡板内壁和粘弹性材料间添加一定大小的空气间隙，粘弹性材料内部嵌有大小不一的金属芯。
10.优选的，所述单元结构的横截面是长方形，且侧面与底面垂直。
11.优选的，所述周期性排布为长和宽边分别对齐紧密排布。
12.优选的，所述粘弹性材料是橡胶。
13.优选的，所述若干单元结构为6个。
14.优选的，所述空气间隙为长方体，位于橡胶和挡板内壁之间。
15.优选的，所述粘弹性材料通过粘接层粘接在挡板内壁的侧面。
16.优选的，所述金属芯为高度不等的长方体，嵌于橡胶内部。
17.总体而言，本发明提出的水声吸收技术与现有技术相比，能够实现以下有益效果：
18.1.本发明的水声吸收器具有良好的水声超低频宽带吸收特性。传统水声吸收材料在低频段吸收效果较差，本发明设计的吸收器在300hz-850 hz的低频范围内实现对声波大于85％吸收率的吸收。
19.2.本发明的水声吸收器在取得低频宽带吸声效果的条件下，平均厚度为62mm，在λ/28～λ/81范围内，即小尺寸也能在低频率范围内取得较高的吸声系数和较宽的工作频带；
20.3.本发明的水声吸收器采用的材料为常见材料，便于获取和加工；
21.4.本发明的水声吸收器参数可调，通过调节参数(结构厚度、空气间隙大小、金属芯等)使得吸收频率可调，这为特定吸声频率提供了可操作性。
附图说明
22.图1为本发明最佳实施例的单元三维结构示意图；
23.图2为本发明最佳实施例的水声吸收曲线；
24.其中，1为硬质挡板结构，2为粘弹性材料，3为空气间隙，4为金属芯。
具体实施方式
25.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“x轴”、“y轴”、“底部”、“四周”、“内”、“外”等指式的方位或位置关系为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。
26.以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式，使本领域的技术人员更清楚地理解如何实践本发明。结合其优选的具体实施方案只是阐述本发明，而不是限制本发明的范围。
27.最佳实施例
28.参阅图1，本发明提出了一种实现水下低频宽带吸收的封闭式耐压水声吸收器，将硬质挡板、粘弹性材料、空气间隙和金属芯结合在一起，在一块69mm
×
56mm
×
85mm(长
×
宽
×
高)的长方体内，分割了大小不同的6个单元结构，a为单一结构的外长宽，外高为c，每个结构的长宽都相同，并在组合结构外侧放置厚度为6mm的金属侧板；结构外围由厚度为n1的硬质挡板构成；在挡板内侧包裹具有阻尼性质的橡胶，橡胶的整体厚度为w1，顶部橡胶的厚度为w2；在挡板内壁和橡胶之间添加空气间隙，侧面间隙的厚度为m1，底部间隙的厚度为m2；嵌入到橡胶内部的金属芯沿z方向的纵向长度为l，沿x方向的横向长度为d1，沿y方向的宽度为d2。此外，为保证结构表面平整，在不同厚度的结构下又添加了厚度为n2的金属底座。
29.以沿x轴、y轴正方向的顺序将6个结构编为1-6号，各结构参数如表1。
30.表1本发明最佳实施例的各结构单元参数
31./mmacn1n2w1w2m1m2ld1d21198520833127063.5219782776312656.53
31973212713126952419572285531252425194524043312404261932253303122742
32.在comsol的数值模拟中，由于超材料的周期性，我们只需要对一个单元进行仿真计算并沿x轴和y轴方向给水域和结构设置周期性边界条件就可以模拟结构周期排列的结果。在一个单元内，将水域和空气域设置为压力声学模块，在z方向两端设置端口和激励源来实现平面波的入射以及反射波与透射波的检测。管内水域则使用热粘性声学模块来模拟，并在管的内壁设置了数层的边界层网格用以精确计算边界层效应。硬质结构和粘弹性材料使用固体力学模块，利用阻尼系数来计算粘弹性材料的损耗，并在结构底部设置固定约束条件来模拟硬质结构背板。初始设置橡胶的各向同性损耗因子ηr＝0.3，密度ρ＝1100kg/m3，杨氏模量er＝10mpa，泊松比vr＝0.49。本发明实施例的吸声曲线参阅图2，在300hz～850hz的低频范围内对声波有85％以上吸收。
33.在用comsol有限元方法建模模拟的同时，我们进行了理论推导来相互验证合理性。利用阻抗匹配原理，水声吸收器的吸收率可以定义为：
[0034][0035]
r表示反射系数，ze是整个材料的等效阻抗，z0是自由水域的特性阻抗，zs是材料整体的表面声阻抗比。
[0036]
为了确定结构的等效阻抗ze和表面声阻抗比zs，需要通过将声学系统分解为基本声学单元来求解，声学单元表面参数可以根据传递矩阵来计算：
[0037][0038]
其中，p1和v1分别是入射边界处的声压和粒子振动速度，p2和v2分别是出口边界处的声压和粒子振动速度。t
11
、t
12
、t
21
和t
22
是传递矩阵的参数，可表示为:
[0039][0040]
其中，ke是等效波数，ce是等效声速，h是从入射边界到出口边界的距离，即结构的厚度。根据等效介质理论，它们是根据各自边界的平均值提取的。出口边界由于是硬质金属板，在声波的入射过程中没有振动，因此v2＝0。
[0041]
利用传递矩阵，等效密度ρe和等效体积模量ke可以表示为：
[0042][0043][0044]
从公式(4)中可以看出，将不同材料和结构进行混合，通过改变结构的等效密度和等效体积模量可以改变入射边界和出口边界的声压和粒子振动速度。
[0045]
结构整体的等效阻抗ze可表示为：
[0046]
ze＝p
1v1zs
＝ze/z0(5)
[0047]
结合公式(1)、公式(4)和公式(5)可以看出，通过改变结构的等效密度和等效体积模量可以产生不同的阻抗，而不同的结构参数对应不同的等效密度和等效体积模量，将这些不同参数的结构进行组合就可以实现结构的宽频吸收。
[0048]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种实现水下低频宽带吸收的封闭式耐压水声吸收器，该吸收器由单元结构周期性排列组成，单元结构由硬质挡板结构(1)、粘弹性材料(2)、空气间隙(3)和金属芯(4)构成，其特征在于：主体为若干硬质挡板结构(1)，在挡板内部包裹具有阻尼性质的粘弹性材料(2)，并在挡板内壁和粘弹性材料间添加一定大小的空气间隙(3)，粘弹性材料内部嵌有大小不一的金属芯(4)。2.如权利要求1所述的一种实现水下低频宽带吸收的封闭式耐压水声吸收器，其特征在于：所述单元结构的横截面为长方形，实例中尺寸为69mm
×
56mm。3.如权利要求1所述的一种实现水下低频宽带吸收的封闭式耐压水声吸收器，其特征在于：所述单元结构的侧面与底面垂直。4.如权利要求1所述的一种实现水下低频宽带吸收的封闭式耐压水声吸收器，其特征在于：所述周期性排布为长和宽紧密排布。5.如权利要求1所述的一种实现水下低频宽带吸收的封闭式耐压水声吸收器，其特征在于：所述单元结构为6个，且在四周包裹厚度为6mm的金属侧板。6.如权利要求1所述的一种实现水下低频宽带吸收的封闭式耐压水声吸收器，其特征在于：所述硬质挡板结构(1)的厚度为2mm。7.如权利要求1所述的一种实现水下低频宽带吸收的封闭式耐压水声吸收器，其特征在于：所述粘弹性材料(2)为橡胶，其材料的特性阻抗与水接近。8.如权利要求1所述的一种实现水下低频宽带吸收的封闭式耐压水声吸收器，其特征在于：所述空气间隙(3)为长方体，侧面间隙的厚度为1mm，底部间隙的厚度为2mm，位于橡胶和挡板内壁之间。9.如权利要求1所述的一种实现水下低频宽带吸收的封闭式耐压水声吸收器，其特征在于：所述金属芯(4)为长方体，高度为27mm～70mm，纵向截面为长方形，长度为6mm，宽度为3.5mm。10.如权利要求1所述的一种实现水下低频宽带吸收的封闭式耐压水声吸收器，其特征在于：所述铺设为粘弹性材料通过粘接层粘接在挡板内壁的侧面。

技术总结
本发明的目的是提供一种吸收器，使其附着在潜艇表面时能让潜艇在声呐的低频探测中实现水下隐身，属于声学技术领域。本发明通过对硬质挡板结构、粘弹性材料、空气间隙和金属芯进行耦合，设计了一种实现水下低频宽带吸收的封闭式耐压水声吸收器，该吸收器由单元结构周期性组成。单元结构涉及若干硬质挡板结构，整体呈现出一个封闭的表面，在水下环境具有较好的稳定性；在挡板内侧铺设具有阻尼性质的粘弹性材料，并在挡板内壁与粘弹性材料之间添加空气间隙来增大粘弹性材料的振动，以增大吸收器对入射波的损耗。通过调节各结构参数，本发明实现了在300Hz～850Hz频率范围内对声波有85％以上的吸收，吸收器平均厚度为62mm，在300Hz处仅为波长的1/81。300Hz处仅为波长的1/81。300Hz处仅为波长的1/81。


技术研发人员：尹剑波 李一鸣
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/7/21