基于水凝胶的水下隐身装置、设计方法及测试系统

本公开涉及水声学调控领域、超材料领域，尤其是涉及一种基于水凝胶的水下隐身装置、设计方法及测试系统。

背景技术：

1、随着海洋声纳观测系统的发展，对声学超材料的需求由之前的对水声简单控制的吸声、隔声等超材料转变为实现对声波路径控制的声绕射、声折射等超材料。而声学隐身超材料是以实现声绕射为主的一类声学超材料，其设计大多借助于变换声学的基本理论，通过设计出具体的微结构来实现相应的属性，根据工作频率来确定微结构的尺寸，那么当海洋声纳探测系统的频率升高时，波长变短，对微结构的尺寸要求更为苛刻，目前水下隐身结构只能实现在20khz以下的隐身功能，20khz及更高频率下的隐身依然无法实现，而且当前水下隐身结构内微结构之间多为刚性固体连接，且阻抗匹配性低于0.5，这种设计不利于满足亚波长尺度的声波掠过结构时实现声绕射。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本公开提供了一种基于水凝胶的水下隐身装置及设计方法，能够实现20khz及更高频率下的隐身。

2、根据本公开一个方面的发明构思，提供一种基于水凝胶的水下隐身装置，包括两个对称的半部，两个所述半部形成一个脊状结构且在下方限定出一个三棱柱状的屏蔽空间，每个所述半部包括多层依次排布的单胞，每个所述单胞包括条形刚性片以及包覆在所述条形刚性片外面的柔性覆盖层，每个所述条形刚性片与两个所述半部的对称面呈一夹角，所述条形刚性片为所述单胞提供拉压刚度，所述柔性覆盖层为所述单胞提供剪切刚度，所述单胞适用于降低了剪切波转化效应，以实现亚波长尺度的声波掠过水下隐身装置时实现声绕射。

3、根据本公开的一些实施例，所述条形刚性片为不锈钢材质，所述柔性覆盖层为水凝胶。

4、根据本公开的一些实施例，所述夹角与所述脊状结构的尺寸相关，包括：

5、

6、其中，α表示刚性片与两个半部对称面的夹角，a表示屏蔽空间的高度，b表示1/2屏蔽空间的长度，c表示脊状结构与脊状结构的高度差，m表示几何分布中间参数，p表示进阶几何分布参数。

7、根据本公开的一些实施例，所述单胞的厚度小于1/3的水下100khz声波波长。

8、根据本公开的一些实施例，相邻的所述单胞之间为柔性弱连接，以降低单胞的层内剪切模量和层外拉伸模量，其中，同一层相邻的两个所述条形刚性片的间距为1～3mm。

9、根据本公开的一些实施例，所述单胞的厚度为3～5mm，所述条形刚性片的厚度为0.5～1mm，所述条形刚性片的宽度为20～22mm。

10、根据本公开的一些实施例，所述屏蔽空间的长度：所述屏蔽空间的高度：所述脊状结构的高度＝2：(1±10％)*0.202857：(1±10％)*0.808571。

11、根据本公开另一个方面的发明构思，提供一种如前所述的基于水凝胶的水下隐身装置的设计方法，包括：

12、构建u-v-w坐标系和x-y-z坐标系，其中，u-v-w坐标系中分布着均匀的声学流体介质，x-y-z坐标系分布各向异性的第一声学流体介质和第二声学流体介质，水下隐身装置两个半部的对称面位于y-z面上，屏蔽空间的底面位于x-z面上；

13、根据水下隐身装置的几何参数和第一声学流体介质、第二声学流体介质的属性参数获得x-y-z坐标系中两个半部所在区域的第一属性；

14、根据两个半部所在区域的第一属性进行正交化得到水下隐身装置的第二属性，所述第二属性包括体积模量信息和密度信息；

15、对所述体积模量信息和所述密度信息进行缩放；

16、限定柔性覆盖层和条形刚性片中一个相性材料的第二属性，结合声学层合理论计算获得另一个相性材料的第二属性；

17、将得到的另一个相性材料的第二属性与天然合成材料库中数据进行匹配得到满足变换声学以及层合等效介质理论所需的材料属性。

18、根据本公开的一些实施例，第一声学流体介质、第二声学流体介质的属性参数通过声学变换理论转换式和u-v-w坐标系中均匀声学流体介质参数得到，包括：

19、

20、

21、

22、

23、其中，a表示屏蔽空间的高度，b表示1/2屏蔽空间的长度，c表示脊状结构与脊状结构的高度差,表示脊状结构第一半部区域的坐标系转换关系矩阵,ρ1表示脊状结构第一半部区域的密度矩阵，k1表示脊状结构第一半部区域的体积模量，表示脊状结构第二半部区域的坐标系转换关系矩阵,ρ2表示脊状结构第二半部区域的密度矩阵，k2表示脊状结构第二半部区域的体积模量。

24、根据本公开的一些实施例，所述声学层合理论包括：

25、

26、其中，ρ⊥表示垂直密度，为密度张量的11分量；<·>表示表体积加权平均，ρρ表示平行密度，为密度分量的22分量，k表示体积模量；

27、所述结合声学层合理论计算获得另一个相性材料的第二属性包括：

28、

29、

30、其中，ρ1表示限定的相性材料的密度，ρ2表示另一相性材料的密度，ρ11表示主坐标系下的11密度分量，ρ22表示主坐标系下的22密度分量，f2表示另一相材料的填充率，k1表示限定的相性材料的体积模量，k2表示另一相性材料的体积模量。

31、根据本公开的一些实施例，两个半部所在区域的属性的密度矩阵中具备相同的第一不变量、第二不变量和第三不变量，z方向天然是其特征矢量方向，根据另外两个特征矢量，可得到x-y轴平面绕z轴的旋转角α，其中，逆时针旋转为正方向。

32、根据本公开的一些实施例，背景均匀材料为水，水下隐身装置层合为两相材料层，固定其中一相材料为不锈钢，计算获得另一相材料的属性以及比例系数，与天然合成材料库中数据进行匹配得到水凝胶材料满足变换声学以及层合等效介质理论所需。

33、根据本公开又一个方面的发明构思，提供一种测试系统，适用于测试如前所述的基于水凝胶的水下隐身装置的隐身效果，测试系统包括：

34、钢板，放置在水底，所述钢板用于承载待测试的试样，其中，所述水下隐身装置适用于罩设在所述试样上；

35、换能器，适用于发出高斯波包，所述高斯波包的频率范围包括5000hz～100000hz，所述高斯波包具有四个周期；

36、多个水听器线阵元，阵列式的设置在所述钢板的上方，多个所述水听器线阵元适用于获取散射的回波信号，所述回波信号适用于评判所述水下隐身装置的隐身效果。

37、根据本公开实施例的基于水凝胶的水下隐身装置、设计方法及测试系统，基于水凝胶材料，提出了一种新的柔性弱连接方式，再结合变换声学理论设计出了一种新型水下隐身结构，满足亚波长尺度的声波掠过结构时实现声绕射，能够实现超高频的隐身功能。

技术特征：

1.一种基于水凝胶的水下隐身装置，其特征在于，包括两个对称的半部，两个所述半部形成一个脊状结构且在下方限定出一个三棱柱状的屏蔽空间，每个所述半部包括多层依次排布的单胞，每个所述单胞包括条形刚性片以及包覆在所述条形刚性片外面的柔性覆盖层，每个所述条形刚性片与两个所述半部的对称面呈一夹角，所述条形刚性片为所述单胞提供拉压刚度，所述柔性覆盖层为所述单胞提供剪切刚度，所述单胞适用于降低了剪切波转化效应，以实现亚波长尺度的声波掠过水下隐身装置时实现声绕射。

2.根据权利要求1所述的水下隐身装置，其特征在于，所述条形刚性片为不锈钢材质，所述柔性覆盖层为水凝胶。

3.根据权利要求2所述的水下隐身装置，其特征在于，所述夹角与所述脊状结构的尺寸相关，包括：

4.根据权利要求3所述的水下隐身装置，其特征在于，所述单胞的厚度小于1/3的水下100khz声波波长。

5.根据权利要求3所述的水下隐身装置，其特征在于，相邻的所述单胞之间为柔性弱连接，以降低单胞的层内剪切模量和层外拉伸模量，其中，同一层相邻的两个所述条形刚性片的间距为1～3mm。

6.根据权利要求3所述的水下隐身装置，其特征在于，所述单胞的厚度为3～5mm，所述条形刚性片的厚度为0.5～1mm，所述条形刚性片的宽度为20～22mm。

7.根据权利要求5或6所述的水下隐身装置，其特征在于，所述屏蔽空间的长度：所述屏蔽空间的高度：所述脊状结构的高度＝2：(1±10％)*0.202857：(1±10％)*0.808571。

8.一种如权利要求1～7任一项所述的基于水凝胶的水下隐身装置的设计方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，第一声学流体介质、第二声学流体介质的属性参数通过声学变换理论转换式和u-v-w坐标系中均匀声学流体介质参数得到，包括：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述声学层合理论包括：

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，两个半部所在区域的属性的密度矩阵中具备相同的第一不变量、第二不变量和第三不变量，z方向天然是其特征矢量方向，根据另外两个特征矢量，可得到x-y轴平面绕z轴的旋转角α，其中，逆时针旋转为正方向。

12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，背景均匀材料为水，水下隐身装置层合为两相材料层，固定其中一相材料为不锈钢，计算获得另一相材料的属性以及比例系数，与天然合成材料库中数据进行匹配得到水凝胶材料满足变换声学以及层合等效介质理论所需。

13.一种测试系统，适用于测试如权利要求1～7任一项所述的基于水凝胶的水下隐身装置的隐身效果，其特征在于，测试系统包括：

技术总结本公开提供了一种基于水凝胶的水下隐身装置、设计方法及测试装置，水下隐身装置包括两个对称的半部，两个所述半部形成一个脊状结构且在下方限定出一个三棱柱状的屏蔽空间，每个所述半部包括多层依次排布的单胞，每个所述单胞包括条形刚性片以及包覆在所述条形刚性片外面的柔性覆盖层，每个所述条形刚性片与两个所述半部的对称面呈一夹角，所述条形刚性片为所述单胞提供拉压刚度，所述柔性覆盖层为所述单胞提供剪切刚度，所述单胞适用于降低了剪切波转化效应，以实现亚波长尺度的声波掠过水下隐身装置时实现声绕射。技术研发人员：赵浩宇,张凯,朱文博受保护的技术使用者：北京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/3/24