一种基于阻抗渐变与空腔共振的水下吸声覆盖层

本发明属于水下装备振动噪声控制，具体为一种基于阻抗渐变与空腔共振的水下吸声覆盖层。

背景技术：

1、为了提高水下航行器的生存能力,目前主要采用在航行器壳体上敷设吸声覆盖层来降低它的声目标强度。敷设吸声覆盖层的目的包含两个方面:一是降低其辐射噪声级,以减小被敌方被动声呐发现的概率及其作用距离；二是降低其声目标强度,以增加敌方主动声呐的探测距离。

2、水下吸声覆盖层主要敷设于航行器结构表面﹐介于壳体与海水之间的水声材料与结构。它可以吸收主动声纳发射的声波，还可以抑制船体的振动，隔离船内的噪音。因此，声学覆盖层成为航行器上唯一能有效对抗敌方主动声纳和被动声纳探测的关键部件。在声波进入覆盖层的过程中，主要通过材料内部的摩擦作用和弹性弛豫过程，将部分声能转变为热能耗散掉，以及通过空腔的共振增大对声波的吸收。

3、常规的水下吸声覆盖层一般都具有空腔结构，并且使用掺杂微粒的复合材料，声波在其中的传播十分复杂。目前，吸声覆盖层结构研究的频率范围从声波波长近似等于结构尺寸的低频段。能量转换形式包括声能直接到热能的转换，声能到动能再到热能的转换，声能到电能再到热能的转换等；吸声机理包括粘弹性损耗吸声、周期散射吸声、波型转换吸声、低频谐振吸声、压电吸声等；衍生出的吸声覆盖层结构有阻抗渐变吸声结构、夹芯复合吸声结构、微粒复合吸声结构、耐压复合吸声结构、声学晶体、孔腔谐振吸声结构、微穿孔吸声结构及压电复合吸声结构等。除了这些，还有新兴的局域共振型和非局域共振型水下吸声的声学超材料覆盖层，以及气泡声学结构。

4、针对于声学覆盖层的研究，已取得了长足的发展，但依然面临着一些问题，如斜入射下的吸声研究、1000hz以下频率和全频段的研究很少或效果较差、可进行实际工程应用的水声声学超材料较少等问题。声学覆盖层在未来的发展必然以低频、宽频、高耐压、全方位高效吸声作为重要指标；以发现更多新奇吸声机理、提出大尺度样件理论计算方法、算法优化与机器学习相结合为发展趋势；以在严苛复杂工程实际条件下的应用为目标。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于阻抗匹配与空腔共振的水下吸声覆盖层，通过在作为基体材料的丁腈橡胶中嵌入阻抗渐变单元和空腔单元，利用材料的弛豫效应、热传导吸收和粘滞性等以及空腔的共振实现对水下声波的吸收，使其能够提高平均吸声系数和平均目标强度，在结构简易的基础上具备宽带高效的水下吸声性能，为水下装备的静音设计提供了更实用的选择。

2、本发明是通过下述技术方案来实现的。

3、根据本发明的一个方面，提供了一种基于阻抗渐变与空腔共振的水下吸声覆盖层，包括基体材料，以及嵌入在所述基体材料中的阻抗渐变单元和空腔单元，若干个阻抗渐变单元沿x和y方向呈阵列排布，各排相邻阻抗渐变单元之间间隔布置，空腔单元交错布置在相邻排阻抗渐变单元之间；

4、基体材料和阻抗渐变单元内部采用不同阻抗材料。

5、作为优选，阻抗渐变单元所在排的单元个数为m，空腔单元所在排的单元个数为n，m＝n+1。

6、作为优选，空腔单元位于四个相邻阻抗渐变单元的最中心处，呈圆台形。

7、作为优选，基体材料采用丁腈橡胶，空腔单元内为空气。

8、作为优选，阻抗渐变单元包括圆环形壳，在圆环形壳内由上至下依次相互叠合若干个高度和锥度渐变的圆台。

9、作为优选，圆环形壳采用乙丙橡胶，圆环形壳内叠合的各圆台分别采用乙丙橡胶与氯丁橡胶上下交错布置。

10、作为优选，各圆台的外径相同，中心为透孔，顶部和底面为不同的锥度。

11、作为优选，各圆台侧面高度由上至下依次递增，各圆台顶部和底部的锥度由上至下依次递减。

12、作为优选，各圆台间隔叠合布置于圆环形壳内，顶部圆台外沿与圆环形壳上沿齐平。

13、作为优选，各圆台由中心沿圆台径向等间距切割后对接构成，各圆台的锥面位于若干个拼接的扇形圆锥面上。

14、本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

15、本发明基于阻抗匹配与空腔共振的水下吸声覆盖层，利用阻抗渐变单元的阻抗渐变特征和空腔单元的共振实现吸声效果，充分利用了材料的弛豫效应、热传导吸收和粘滞性，使得声波顺利的进入吸声覆盖层当中并被摩擦吸收。空腔的添加提高了吸声覆盖层对低频段声能量的吸收，明显地提高了吸声覆盖层的吸声效果。

16、在100hz～4000hz频率范围内，水下吸声覆盖层的平均吸声系数达到了0.72，其中在第一个吸收峰1100hz处的吸声系数达到了0.8，具备宽带高效的水下吸声性能，当声压为1pa大小的入射波穿过吸声覆盖层后，其平均目标强度ts为5.7db。并且在440～4000hz频率范围内，吸声系数均高于0.65，克服了传统水声材料低频吸声性能差的关键问题，其简易的结构和容易制作的材料为产品的制作和应用提供了更加充分的保障，使其可以在严苛复杂工程实际条件下的进行应用。

技术特征：

1.一种基于阻抗渐变与空腔共振的水下吸声覆盖层，其特征在于，包括基体材料，以及嵌入在所述基体材料中的阻抗渐变单元和空腔单元，若干个阻抗渐变单元沿x和y方向呈阵列排布，各排相邻阻抗渐变单元之间间隔布置，空腔单元交错布置在相邻排阻抗渐变单元之间；

2.根据权利要求1所述的基于阻抗渐变与空腔共振的水下吸声覆盖层，其特征在于，阻抗渐变单元所在排的单元个数为m，空腔单元所在排的单元个数为n，m＝n+1。

3.根据权利要求1所述的基于阻抗渐变与空腔共振的水下吸声覆盖层，其特征在于，空腔单元位于四个相邻阻抗渐变单元的最中心处，呈圆台形。

4.根据权利要求1所述的基于阻抗渐变与空腔共振的水下吸声覆盖层，其特征在于，基体材料采用丁腈橡胶，空腔单元内为空气。

5.根据权利要求1所述的基于阻抗渐变与空腔共振的水下吸声覆盖层，其特征在于，阻抗渐变单元包括圆环形壳，在圆环形壳内由上至下依次相互叠合若干个高度和锥度渐变的圆台。

6.根据权利要求5所述的基于阻抗渐变与空腔共振的水下吸声覆盖层，其特征在于，圆环形壳采用乙丙橡胶，圆环形壳内叠合的各圆台分别采用乙丙橡胶与氯丁橡胶上下交错布置。

7.根据权利要求5所述的基于阻抗渐变与空腔共振的水下吸声覆盖层，其特征在于，各圆台的外径相同，中心为透孔，顶部和底面为不同的锥度。

8.根据权利要求7所述的基于阻抗渐变与空腔共振的水下吸声覆盖层，其特征在于，各圆台侧面高度由上至下依次递增，各圆台顶部和底部的锥度由上至下依次递减。

9.根据权利要求5所述的基于阻抗渐变与空腔共振的水下吸声覆盖层，其特征在于，各圆台间隔叠合布置于圆环形壳内，顶部圆台外沿与圆环形壳上沿齐平。

10.根据权利要求5所述的基于阻抗渐变与空腔共振的水下吸声覆盖层，其特征在于，各圆台由中心沿圆台径向等间距切割后对接构成，各圆台的锥面位于若干个拼接的扇形圆锥面上。

技术总结本发明公开了一种基于阻抗渐变与空腔共振的水下吸声覆盖层，包括基体材料，以及嵌入在基体材料中的阻抗渐变单元和空腔单元，若干个阻抗渐变单元沿x和y方向呈阵列排布，各排相邻阻抗渐变单元之间间隔布置，空腔单元交错布置在相邻排阻抗渐变单元之间；基体材料和阻抗渐变单元内部采用不同阻抗材料。凭借水下吸声覆盖层的内部耗散和空腔的共振，以及阻抗渐变结构实现进一步的复合吸声，使其能够提高平均吸声系数和平均目标强度，在结构基础上具备宽带高效的水下吸声性能，为水下装备的静音设计提供了更实用的选择。技术研发人员：高南沙,张智成,潘光受保护的技术使用者：西北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/1/25