一种粘弹性材料填充的声学黑洞水下吸声结构

本发明属于水下吸声复合结构，具体涉及一种粘弹性材料填充的声学黑洞水下吸声结构。

背景技术：

1、水下声隐身技术是水下航行器躲避声呐探测的重要手段，通过在目标物体上敷设消声覆盖层，可以有效吸收入射声波，实现良好的隐身性能。橡胶和聚氨酯等粘弹性材料的特性阻抗与水相似，通常用于构造水下消声覆盖层，当声波入射时，粘弹性材料分子间的摩擦可以消耗部分声能。由于声波的强度随着传播距离的增加而减小，这些材料的吸声能力主要由声波的波长和材料的厚度决定，当粘弹性材料的厚度有限时，在低频域范围内实现有效的宽带吸声仍然具有挑战性。

2、为了提升粘弹性材料在低频的耗散性能，目前较为成熟的方案是在粘弹性材料中嵌入空腔结构或局部谐振器。其中，空腔结构的嵌入降低了结构的固有频率，利用腔壁的低频共振可以提升低频吸声性能，但是空气腔的嵌入同时也削弱了结构的刚度，在高静水压力下吸声性能会显著降低；而嵌入局部谐振器后，吸声性能仅在共振频率处附近的窄频域带有显著提高，在实际应用中存在局限性。所以，尽管水下消声层的设计中已经取得了较大进展，但在有限的厚度下实现低频和宽带的吸声性能仍然是一个待解决的问题。

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，提供一种粘弹性材料填充的声学黑洞水下吸声结构，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、一种粘弹性材料填充的声学黑洞水下吸声结构，包括多个元胞，多个元胞按阵列设置，每个元胞包括六方蜂窝，在六方蜂窝的壁面上嵌入设置有一系列孔径规则变化的穿孔板，穿孔板与六方蜂窝连接形成并联的管状声学黑洞结构，管状声学黑洞结构的内部填充粘弹性材料构成声学黑洞水下吸声结构。

4、具体的，六方蜂窝的厚度为0.5～3mm。

5、具体的，穿孔板上每层的开孔尺寸沿六分蜂窝的厚度方向遵循幂律规则变化，其阶数为1或大于1的更高阶。

6、具体的，穿孔板上的孔位于穿孔板的中心处，孔的形状为圆形、三角形、方形、花瓣形或不规则性。

7、具体的，穿孔板的厚度为0.1～3mm。

8、具体的，相邻两个穿孔板的距离为0.5～10mm。

9、具体的，穿孔板的数量为3～35个。

10、具体的，元胞为四方排布或六方排布，元胞的宽度为10～70mm。

11、具体的，声学黑洞水下吸声结构的厚度为20～65mm。

12、具体的，声学黑洞水下吸声结构在0～10khz的平均吸声系数大于0.8。

13、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

14、一种粘弹性材料填充的声学黑洞水下吸声结构，在底板上固定有若干六方蜂窝，将穿孔板焊接或胶接在六方蜂窝的壁面上形成并联的管状声学黑洞结构，在结构内部充分填充粘弹性材料，在不同频率声波的激励下，粘弹性材料产生振动，由于六方蜂窝和穿孔板限制粘弹性材料的振动，所以粘弹性材料内部会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，穿孔板的内部开孔会形成一个锥形区域，粘弹性材料振动引起的能量耗散在该锥形区域内有聚集效应，大大提升结构的声能耗散能力，穿孔板由于粘弹性橡胶在竖直方向和水平方向具有多种振动模式，在不同频率的声波激励下，多种振动模式的耦合提供了宽频吸声效果。除此之外，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，六方蜂窝壁面的厚度为0.5～3mm，为了保证结构具有一定的承载能力，六方蜂窝由金属材料或碳纤维/玻璃纤维复合材料制成。

16、进一步的，穿孔板的开孔形状为圆形、三角形、方形、花瓣形或不规则性，穿孔板每层的开孔尺寸沿着六分蜂窝厚度方向遵循幂律规则变化，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。

17、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。

18、进一步的，穿孔板的总数量为3～35个，不同数量的穿孔板组成的管状声学黑洞结构，对粘弹性材料振动的限制情况也不同，影响着结构对声能的耗散形式，控制着结构的宽频吸声效果。

19、进一步的，六方蜂窝的每个元胞边长为10～70mm，边长的变化会影响嵌入元胞内部粘弹性材料的振动分布情况，可以调节结构的宽频吸声性能。

20、进一步的，为了保证结构具有优异的吸声能力，粘弹性材料填充的声学黑洞水下吸声结构的总厚度为20～65mm。

21、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，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。

22、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：

1.一种粘弹性材料填充的声学黑洞水下吸声结构，其特征在于，包括多个元胞，多个元胞按阵列设置，每个元胞包括六方蜂窝(2)，在六方蜂窝(2)的壁面上嵌入设置有一系列孔径规则变化的穿孔板(3)，穿孔板(3)与六方蜂窝(2)连接形成并联的管状声学黑洞结构，管状声学黑洞结构的内部填充粘弹性材料(1)构成声学黑洞水下吸声结构。

2.根据权利要求1所述的粘弹性材料填充的声学黑洞水下吸声结构，其特征在于，六方蜂窝(2)的壁面厚度为0.5～3mm。

3.根据权利要求1所述的粘弹性材料填充的声学黑洞水下吸声结构，其特征在于，穿孔板(3)上每层的开孔尺寸沿六分蜂窝(2)的厚度方向遵循幂律规则变化，其阶数为1或大于1的更高阶。

4.根据权利要求1所述的粘弹性材料填充的声学黑洞水下吸声结构，其特征在于，穿孔板(3)上的孔位于穿孔板(3)的中心处，孔的形状为圆形、三角形、方形、花瓣形或不规则性。

5.根据权利要求1所述的粘弹性材料填充的声学黑洞水下吸声结构，其特征在于，穿孔板(3)的厚度为0.1～3mm。

6.根据权利要求1所述的粘弹性材料填充的声学黑洞水下吸声结构，其特征在于，相邻两个穿孔板(3)的距离为0.5～10mm。

7.根据权利要求1所述的粘弹性材料填充的声学黑洞水下吸声结构，其特征在于，穿孔板(3)的数量为3～35个。

8.根据权利要求1所述的粘弹性材料填充的声学黑洞水下吸声结构，其特征在于，元胞为四方或六方排布方式布置，每个元胞的宽度为10～70mm。

9.根据权利要求1所述的粘弹性材料填充的声学黑洞水下吸声结构，其特征在于，声学黑洞水下吸声结构的厚度为20～65mm。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的粘弹性材料填充的声学黑洞水下吸声结构，其特征在于，声学黑洞水下吸声结构在0～10khz的平均吸声系数大于0.8。

技术总结本发明公开了一种粘弹性材料填充的声学黑洞水下吸声结构，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孔径规则变化的穿孔板，形成一系列并联的管状声学黑洞结构，其中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，从而构成粘弹性材料填充的声学黑洞水下吸声结构。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。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