一种内嵌局域共振声子晶体的多层穿孔板型水下吸声结构

本发明属于水下吸声复合结构，具体涉及一种内嵌局域共振声子晶体的多层穿孔板型水下吸声结构。

背景技术：

1、近些年来，学者们已经提出了较多的消声层的设计思路。例如空腔谐振型水下吸声结构，即在均匀粘弹性材料内引入不同形状的周期性空腔结构，声波的耗散是通过波形转换、孔腔谐振和材料内部的粘性实现的，当入射声波的频率与空腔结构的谐振频率一致时，此时结构的声阻抗为纯有功阻抗，空腔结构在该频率处有较大的吸声系数。例如阻抗渐变型水下吸声结构，即利用不同的均匀粘弹性材料，在吸声层与介质接触的表面依据阻抗大小的顺序排列形成一种梯度复合材料，使得声波尽可能被吸声层所吸收。例如局域共振型声子晶体水下吸声结构，通过在较软的介质中嵌入密度较大的材料，使结构具有较低的共振频率，当入射声波频率接近结构自身的共振频率时，内部材料会由于共振发生剧烈震荡，并通过介质的粘滞阻力将动能转化成热能耗散掉。

2、以上几种吸声结构的设计方法可以在特定的频域段能取得良好的吸声性能，但是很难在宽频域范围内形成良好的吸声性能，同时也有不耐高静水压、制造成本高昂等问题。所以针对于水下消声层的设计，开展复合结构的设计，实现具有宽频吸声性能和良好抗压能力仍然具有一定的挑战性。

技术实现思路

1、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，提供一种内嵌局域共振声子晶体的多层穿孔板型水下吸声结构，用于解决传统水下消声覆盖层宽频吸声性能较差、不耐高静水压的技术问题。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种内嵌局域共振声子晶体的多层穿孔板型水下吸声结构，包括蜂窝，蜂窝设置在底板上，蜂窝的壁面上嵌入设置有多层的穿孔板，蜂窝与穿孔板之间填充橡胶，穿孔板的中心区域内嵌入有多个局域共振声子晶体，蜂窝、穿孔板、橡胶和局域共振声子晶体构成元胞，多个元胞按阵列设置构成内嵌局域共振声子晶体的多层穿孔板型水下吸声结构。

4、具体的，局域共振声子晶体的内径为1～10mm，局域共振声子晶体的外径为3～15mm。

5、具体的，局域共振声子晶体的数量为1～8个。

6、具体的，局域共振声子晶体的内核为铅，内核的外部包覆有一层软橡胶基质。

7、具体的，蜂窝的壁面厚度为0.5～3mm，高度为20～70mm。

8、具体的，穿孔板的数量为3～30个，厚度为0.1～3mm，相邻穿孔板之间的距离为0.5～15mm。

9、具体的，穿孔板的开孔位置对应于元胞的轴线位置，每层穿孔板的开孔尺寸相同或遵循递减与递增的规则变化。

10、进一步的，穿孔板的开孔半径为1～50mm，开孔形状为圆形、三角形、方形、花瓣形或不规则性。

11、具体的，元胞的宽度为10～60mm。

12、具体的，内嵌局域共振声子晶体的多层穿孔板型水下吸声结构的厚度为20～70mm。

13、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

14、一种内嵌局域共振声子晶体的多层穿孔板型水下吸声结构，在底板上固定有若干蜂窝，将中心开孔的穿孔板焊接或胶接在蜂窝的壁面上，在结构内部充分填充粘弹性材料形成均匀混合粘弹性材料层，在多层穿孔板的中心区域内嵌入多个局域共振声子晶体；在不同频率声波的激励下，粘弹性材料产生振动，由于蜂窝和穿孔板限制粘弹性材料的振动，粘弹性材料内部产生一定的剪切效应，导致粘弹性材料中传播的声波由纵波转化为容易被耗散的剪切波，大大提升了粘弹性材料的声波耗散能力。另一方面，嵌入多层穿孔板后，多层穿孔板的中心开孔部分会形成一个柱形区域，在柱形区域内粘弹性材料的振动会加剧，具有能量集中耗散效应。在不同频率的声波激励下，粘弹性材料具有多种强烈的振动模式，包括纵向的压缩振动和水平方向的局域振动，多种振动模式的耦合提供了宽频吸声效果。除此之外，多层穿孔板的中心区域内嵌入局域共振声子晶体后，声波激励下声子晶体也有很强的共振效应，从而增强粘弹性材料的振动效应，导致粘弹性材料的声波耗散能力增加，当声子晶体的数量大于1时，会在宽频域范围内全面提升结构的吸声性能。在此基础上，蜂窝结构具有良好的力学性能，压力通过蜂窝结构传递到底板，保证了结构的承载性能。

15、进一步的，局域共振声子晶体内径为1～10mm，声子晶体外径为3～15mm，增强水下吸声结构中粘弹性材料的振动。

16、进一步的，为了增强水下吸声结构中粘弹性材料的振动，在多层穿孔板的中心区域内嵌入多个局域共振声子晶体，总数量为1～8个。

17、进一步的，为了保证局域共振声子晶体的共振性能，声子晶体的包覆层采用软橡胶基质，内核采用密度较大的金属铅。

18、进一步的，蜂窝的壁面的厚度为0.5～3mm，保证结构具有一定的承载能力，蜂窝由金属材料或碳纤维/玻璃纤维复合材料制成。

19、进一步的，穿孔板的总数量为3～30个，不同数量的穿孔板组成的结构可以提供不同的共振模式，控制着结构的宽频吸声效果。

20、进一步的，中心开孔的穿孔板厚度较薄，由金属材料或碳纤维/玻璃纤维复合材料制成，保证在特定频率的声波激励下能激发结构的共振。

21、进一步的，穿孔板内部开孔半径为1～50mm，内部开孔形状可以为圆形、三角形、方形、花瓣形或不规则形状。每层的开孔尺寸可以相同或遵循递减与递增的规则变化，通过调节开孔尺寸可以改变结构中粘弹性材料的振动特性，从而调节结构的吸声性能。

22、进一步的，每个元胞边长为10～60mm，边长的变化会影响嵌入穿孔板的共振性能，两者协同调节结构的宽频吸声性能。

23、进一步的，为了保证结构具有优异的吸声能力，局域共振声子晶体内嵌的多层穿孔板型水下吸声结构的总厚度为20～70mm。

24、综上所述，本发明可用于制造水下消声覆盖层，具有优异的宽频水下吸声性能以及良好的承压能力；在设计方面，结构参数和材料参数具有很大的可调性，可根据实际工况需求进行选择，具有广泛的工程应用前景。

25、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。

技术特征：

1.一种内嵌局域共振声子晶体的多层穿孔板型水下吸声结构，其特征在于，包括蜂窝(1)，蜂窝(1)设置在底板上，蜂窝(1)的壁面上嵌入设置有多层的穿孔板(2)，蜂窝(1)与穿孔板(2)之间填充粘弹性材料(3)，穿孔板(2)的中心区域内嵌入有多个局域共振声子晶体(4)，蜂窝(1)、穿孔板(2)、粘弹性材料(3)和局域共振声子晶体(4)构成元胞，多个元胞按阵列设置构成内嵌局域共振声子晶体的多层穿孔板型水下吸声结构。

2.根据权利要求1所述的内嵌局域共振声子晶体的多层穿孔板型水下吸声结构，其特征在于，局域共振声子晶体(4)的内径为1～10mm，局域共振声子晶体(4)的外径为3～15mm。

3.根据权利要求1所述的内嵌局域共振声子晶体的多层穿孔板型水下吸声结构，其特征在于，元胞内含有局域共振声子晶体(4)的数量为1～8个。

4.根据权利要求1所述的内嵌局域共振声子晶体的多层穿孔板型水下吸声结构，其特征在于，局域共振声子晶体(4)的内核为铅，内核的外部包覆有一层软橡胶基质。

5.根据权利要求1所述的内嵌局域共振声子晶体的多层穿孔板型水下吸声结构，其特征在于，蜂窝(1)的壁面厚度为0.5～3mm，高度为20～70mm。

6.根据权利要求1所述的内嵌局域共振声子晶体的多层穿孔板型水下吸声结构，其特征在于，穿孔板(2)的数量为3～30个，厚度为0.1～3mm，相邻穿孔板(2)之间的距离为0.5～15mm。

7.根据权利要求1所述的内嵌局域共振声子晶体的多层穿孔板型水下吸声结构，其特征在于，穿孔板(2)的开孔位置对应于元胞的轴线位置，每层穿孔板(2)的开孔尺寸相同或遵循递减与递增的规则变化。

8.根据权利要求7所述的内嵌局域共振声子晶体的多层穿孔板型水下吸声结构，其特征在于，穿孔板(2)的开孔半径为1～50mm，开孔形状为圆形、三角形、方形、花瓣形或不规则性。

9.根据权利要求1所述的内嵌局域共振声子晶体的多层穿孔板型水下吸声结构，其特征在于，元胞的宽度为10～60mm。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的内嵌局域共振声子晶体的多层穿孔板型水下吸声结构，其特征在于，内嵌局域共振声子晶体的多层穿孔板型水下吸声结构的厚度为20～70mm。

技术总结本发明公开了一种内嵌局域共振声子晶体的多层穿孔板型水下吸声结构，在底板上固定有若干六方蜂窝壁面，在蜂窝壁面上嵌入一系列穿孔板，穿孔板与蜂窝壁面通过焊接或胶接相连，粘弹性材料充分填充在结构内部形成均匀混合粘弹性材料层，在多层穿孔板的中心区域内嵌入多个局域共振声子晶体。本发明可用于制造水下消声覆盖层，能显著提升粘弹性材料的吸声性能，具有良好的宽频吸声能力和承载能力；由于参数的可调性，合理的设计结构参数和材料参数可以达到目标性能要求，具有广泛的工程应用前景。技术研发人员：辛锋先,蔡储祥,王啸尘受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/2/21