水下声学隐身斗篷的制作方法

本发明属于水下声学隐身领域，特别是涉及了一种水下声学隐身斗篷。针对现有吸声超材料水下隐身技术，其存在低频和高静水压下吸声效果差的问题，针对现有隔声去耦超材料水下隐身技术，其存在成本高，重量大的问题，针对现有吸声和隔声去耦原理的水下隐身技术，其存在会留下声阴影区的问题，针对现有声导超材料水下隐身技术，其存在工作频率范围窄的问题。本发明提出的基于液晶材料的水下声学隐身技术，可有效解决上述问题，满足水下灵活、宽带、低成本、高效的声学隐身需求。

背景技术：

1、对于水声设备而言，水声超材料的应用是保证和提高水声通信、声学隐身和声纳探测性能的前提。由于质量密度定律和高静水压力的限制，传统的水声材料不能有效吸收低频声波，弹性能量转换效率低。传统的水下声学隐身方法主要使用厚度应与相应波长相匹配的声学材料，使声波被入射表面充分反射和吸收，从而减少声波穿过材料，并具有良好的隔音效果。然而，传统的声学材料有许多不便之处。主要缺点是应用范围小、成本高、体积大、占用太多空间等。近年来，随着声学超材料技术的发展，各种水声超材料也被提出。与在空气中传播的声波相比，水下声音比相同频率的空气声音更难控制，因此水下声学超材料的设计更为复杂。

2、用于水声设备的水声超材料主要根据功能不同分为三类：(1)吸声超材料(soundabsorption metamaterials，sam)：通过小表面反射和高损耗因数实现声波的吸收。主要用于吸收设备本体产生的近场自噪声和主动声纳探测声波。(2)隔音去耦超材料(soundinsulation decoupling metamaterials，sidm)：通过结构和水之间的阻抗失配，内部结构振动引起的自噪声被阻止传播到水中。(3)水下声导超材料(underwater acoustic guidedmetamaterials，uagm)：通过引导声波沿特定路径传播，从而改变其反射路径，实现隐身。

3、由于局部共振理论固有特性的限制，吸声超材料的吸声频带较窄，在低频和高静水压下，吸声效果较差，水下使用场景的吸声能力仍有待提高。在高静水压力的环境中，隔声去耦超材料通常设计得更厚、更重。且基于吸声和隔声原理的水声控制将不可避免地留下“声阴影区”，这很难抵抗多基地声纳探测等多向立体探测技术。通过超材料的结构设计，引导声波沿着特定路径传播是实现隐身功能的基本思路。由于材料特性的限制，水下声导超材料的工作频带只能设计为固定值，这只能对特定频率的入射波起到衍射调节的作用。

4、液晶材料作为一种介电特性可调控超材料，具有连续可调控性，低损耗和高线性，实际上液晶材料的介电常数可调特性可以维持在一个很宽的频率范围内，包括了水下声学探测的几十hz到几百khz，随着入射声波频率增大，声波在介质中传播速度增大，反射与折射相应改变，为保持入射声波的反射与折射行为不变，适当增加液晶介电常数可对应入射声波频率。

5、液晶材料作为一种各向异性材料，其分子指向轴强烈依赖于表面效应和环境温度，其调控特性对外部场(例如电场，磁场，光场等)的变化尤其敏感。

6、如何随着入射波频率的变化灵活调整水下声导超材料的工作频带，实现对入射声波的主动引导和自适应控制是水下声导超材料更好应用于水下声学隐身需要解决的难题。为了解决这一难题，将液晶材料作为声导超材料，设计了一款水下声学隐身斗篷，在实现声学隐身的同时能够灵活调整工作频带以适应不同水声探测设备。

技术实现思路

1、本申请的发明目的是克服现有技术的缺陷，而提供一种水下声学隐身斗篷。

2、为了完成本申请的发明目的，本申请采用以下技术方案：

3、本发明的一种水下声学隐身斗篷，它包括：至少36块半圆月牙形液晶块、旁电极、外电极、内电极、第一电源和第二电源，半圆月牙形液晶块粘接在球形隐身物装配区的外圆周上，其中：每块半圆月牙形液晶块由钛合金框架围成，半圆月牙形液晶块沿着球形隐身物装配区的外圆周均匀分布，七块钛合金隔板沿着球形隐身物装配区半径延长线的方向将每块半圆月牙形液晶块从外到内隔成第一腔、第二腔、第三腔、第四腔、第五腔、第六腔、第七腔和第八腔，在第一腔、第二腔、第三腔、第四腔和第五腔中分别填充入密度依次递减的液晶材料，在第六腔、第七腔和第八腔分别填充空气，在第一腔的圆弧外侧粘有外电极，在第八腔的圆弧内侧粘有内电极，在第一腔、第二腔、第三腔、第四腔和第五腔的左右两侧分别粘有旁电极，在至少36块半圆月牙形液晶块粘接在球形隐身物装配区的外圆周后，第一电源正极和负极分别通过导线与内电极和外电极相连；导线从半圆月牙形液晶块的一侧边引出与第二电源相连。

4、本发明的水下声学隐身斗篷，其中：所述半圆月牙形液晶块为72块。

5、本发明的水下声学隐身斗篷，其中：所述钛合金隔板是以球形隐身物装配区的球心为圆心的圆弧段。

6、本发明的水下声学隐身斗篷，其中：在球形隐身物装配区的半径延长线上，第一腔的宽度为0.166a；第二腔的宽度为0.152a；第三腔的宽度为0.1396a；第四腔的宽度为0.128a；第五腔的宽度为0.1174a；第六腔的宽度为0.1076a；第七腔的宽度为0.0988a和第八腔的宽度为0.0906a，其中a为球形隐身物装配区的半径。

7、本发明的水下声学隐身斗篷，其中：在所述第一腔至第五腔中填充的液晶材料的密度用以下公式计算：其中ρ0＝1000kg/m3，ri分别为球形隐身物装配区的球心到第一腔至第五腔外侧的半径，第六腔至第八腔的密度以钛合金框架密度ρ框架＝536.12kg/m3计算。

8、本发明的水下声学隐身斗篷，其中：所述第一电源和第二电源为直流电源，它们的电压在0-20v之间。

9、本发明的水下声学隐身斗篷符合新材料、新技术实现水下声学隐身的发展趋势，通过合理的声导结构设计实现了对入射声波的主动引导，通过填充液晶材料实现了对入射声波的自适应控制，设计的水下声学斗篷满足水下灵活、宽带、低成本、高效的声学隐身需求，拓宽了液晶材料在水下声学隐身领域的应用范围。

10、本发明的水下声学隐身斗篷具有以下优点：

11、(1)针对水下声导超材料的声学隐身分析，提出了常模映射坐标变换理论，构造了坐标变换映射函数；

12、(2)针对八层声导结构材料单元，合理设计了每层单元块的尺寸、密度、模量参数，实现了水介质的等效，达到声学隐身的目的；

13、(3)针对现有声学隐身适用频率范围窄，无法适应多种声探测设备实现隐身，填充液晶材料拓宽了声导结构隐身的工作频带；

14、(4)针对声导结构中调控液晶的实际需求，设计了基于五圆环电极与内外球电极的液晶调控微结构，实现液晶介电常数的连续调控。

15、(5)、在comsol软件中搭建该声学隐身斗篷，仿真结果表明，在200hz～20khz可实现目标物回波截面积的显著降低。

技术特征：

1.一种水下声学隐身斗篷，它包括：至少36块半圆月牙形液晶块(14)、旁电极(10)、外电极(11)、内电极(12)、第一电源(13)和第二电源(16)，半圆月牙形液晶块(14)粘接在球形隐身物装配区(15)的外圆周上，其特征在于：每块半圆月牙形液晶块(14)由钛合金框架(9)围成，半圆月牙形液晶块(14)沿着球形隐身物装配区(15)的外圆周均匀分布，七块钛合金隔板(17)沿着球形隐身物装配区(15)半径延长线的方向将每块半圆月牙形液晶块(14)从外到内隔成第一腔(1)、第二腔(2)、第三腔(3)、第四腔(4)、第五腔(5)、第六腔(6)、第七腔(7)和第八腔(8)，在第一腔(1)、第二腔(2)、第三腔(3)、第四腔(4)和第五腔(5)中分别填充入密度依次递减的液晶材料，在第六腔(6)、第七腔(7)和第八腔(8)分别填充空气，在第一腔(1)的圆弧外侧粘有外电极(11)，在第八腔(8)的圆弧内侧粘有内电极(12)，在第一腔(1)、第二腔(2)、第三腔(3)、第四腔(4)和第五腔(5)的左右两侧分别粘有旁电极(10)，在至少36块半圆月牙形液晶块(14)粘接在球形隐身物装配区(15)的外圆周后，第一电源(13)正极和负极分别通过导线与内电极(12)和外电极(11)相连；导线从半圆月牙形液晶块(14)的一侧边引出与第二电源(16)相连。

2.如权利要求1所述的水下声学隐身斗篷，其特征在于：所述半圆月牙形液晶块(14)为72块。

3.如权利要求2所述的水下声学隐身斗篷，其特征在于：所述钛合金隔板(17)是以球形隐身物装配区(15)的球心为圆心的圆弧段。

4.如权利要求3所述的水下声学隐身斗篷，其特征在于：在球形隐身物装配区(15)的半径延长线上，第一腔(1)的宽度为0.166a；第二腔(2)的宽度为0.152a；第三腔(3)的宽度为0.1396a；第四腔(4)的宽度为0.128a；第五腔(5)的宽度为0.1174a；第六腔(6)的宽度为0.1076a；第七腔(7)的宽度为0.0988a和第八腔(8)的宽度为0.0906a，其中a为球形隐身物装配区(15)的半径。

5.如权利要求4所述的水下声学隐身斗篷，其特征在于：在所述第一腔(1)至第五腔(5)中填充的液晶材料的密度用以下公式计算：其中ρ0＝1000kg/m3，ri分别为球形隐身物装配区(15)的球心到第一腔(1)至第五腔(5)外侧的半径，第六腔(6)至第八腔(8)的密度以钛合金框架密度ρ框架＝536.12kg/m3计算。

6.如权利要求5所述的水下声学隐身斗篷，其特征在于：所述第一电源(13)和第二电源(16)为直流电源，它们的电压在0-20v之间。

技术总结本发明水下声学隐身斗篷包括：至少36块半圆月牙形液晶块、旁电极、外电极、内电极、第一电源和第二电源，半圆月牙形液晶块粘接在球形隐身物装配区外圆周，半圆月牙形液晶块由钛合金框架围成，七块钛合金隔板沿着球形半径方向将半圆月牙形液晶块从外到内隔成第一腔、第二腔、第三腔、第四腔、第五腔、第六腔、第七腔和第八腔，在第一腔、第二腔、第三腔、第四腔和第五腔中填充入密度依次递减液晶材料，在第六腔、第七腔和第八腔填充空气，在第一腔圆弧外侧粘有外电极，在第八腔圆弧内侧粘有内电极，在第一腔、第二腔、第三腔、第四腔和第五腔左右两侧粘有旁电极，第一电源与内电极和外电极相连；导线从半圆月牙形液晶块一侧引出与第二电源相连。技术研发人员：朱凯,丁明惠,岳雷受保护的技术使用者：昆明船舶设备研究试验中心（中国船舶集团有限公司七五〇试验场）技术研发日：技术公布日：2024/3/24