一种基于增强局域耦合的厚度渐变插板型水下吸声超材料

本发明属于水下装备振动噪声控制，具体为一种基于增强局域耦合特性的厚度渐变插板型水下吸声超材料。

背景技术：

1、随着现代声纳技术的不断发展，性能优良的先进声呐不断投入使用并持续进行改进，使得水下装备越来越容易暴露在声纳下，因此水下装备的声隐身性能亟待提升。目前提高水下装备声隐身性能的技术有多种，如水下装备低噪声推进器技术、浮筏技术、aip技术、声学覆盖层技术等。声学覆盖层技术作为唯一既可以降低水下装备目标强度且抑制其噪声辐射，又可以降低声纳平台自噪声的综合技术受到广泛关注。

2、声学覆盖层是一种采用高分子黏弹性材料组成的声学结构，通常敷设在水下装备外壳外表面，是水下装备最外层的声学屏障。声学覆盖层主要包括空腔谐振型吸声覆盖层和以复合渐变型吸声结构为主的非谐振型吸声覆盖层。声学覆盖层在中高频段具有优异的吸声性能，但在低频段存在吸声性能不足的问题，因而提高声学覆盖层低频吸声性能便成为急需解决的课题。超材料是一种在亚波长尺寸上进行结构单元设计的材料，其单元结构尺寸远小于所控制的弹性波波长。超材料通过对微结构单元的设计可以在特定频段对入射声波进行大范围的调节，在设计和实现上具有很大的灵活性。

3、含有厚度渐变插板型水下吸声超材料的吸声耗能机理是声波在进入水下吸声超材料中，厚度渐变插板界面使得水下吸声超材料中的波在传播过程中不断发生反射或散射，改变传播方向，增加波的传播距离，入射纵波越来越多的转化为剪切波，产生了波型变换，由于水下吸声超材料剪切损耗因子大的特点，入射波变换成剪切波后，大大增加了水下吸声超材料对声能的损耗。此外，厚度渐变插板还会共振消耗声能量，进一步加剧了声能量的耗散。基于增强局域耦合特性的厚度渐变插板型水下吸声超材料为提高水下装备声隐身性能的声学覆盖层设计提供了新的途径。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于增强局域耦合特性的厚度渐变插板型水下吸声超材料，通过在作为基体材料的橡胶弹性体中引入厚度渐变插板和周期性分布的圆柱体，使得水下吸声超材料具有更多的本征共振模式和耦合共振模式，发生了更多的波型变换和波散射，有效增加了声能的耗散，实现水下高吸声性能。

2、本发明是通过下述技术方案来实现的。

3、本发明提供了一种基于增强局域耦合的厚度渐变插板型水下吸声超材料，包括若干个沿x和y方向上周期性排列的吸声超材料单元；

4、所述吸声超材料单元包括基体材料，以及嵌入基体材料中的厚度渐变插板结构和背衬；

5、所述厚度渐变插板结构包括若干自下而上按照顺序排布的厚度渐变的插板，在各插板之间呈阵列分布有等径的周期性圆柱体；各层周期性圆柱体与相邻插板设有间隙。

6、优选的，各层插板自下而上按照等差顺序排列厚度依次减薄。

7、优选的，吸声超材料单元中嵌入基体材料中的厚度渐变的插板为4～7层。

8、优选的，最底层等径的周期性圆柱体的高度大于以上各层插板之间分布的周期性圆柱体的高度，最底层以上各层插板之间分布的周期性圆柱体的高度相同。

9、优选的，周期性圆柱体与各层相邻插板的上下都有间隙；

10、最顶层周期性圆柱体与相邻插板的间距小于以下各层相邻插板的间距，最顶层以下各层周期性圆柱体与相邻插板的间距相等。

11、优选的，吸声超材料单元基体材料为正方体结构，嵌入基体材料中的各层插板位于基体材料中心，各插板的边缘距离基体材料边距相等。

12、优选的，背衬位于厚度渐变插板结构下方，背衬的面积大于插板的面积。

13、优选的，基体材料采用与水表面阻抗特性接近的材料，包括橡胶或聚氨酯。

14、优选的，各层插板材料采用钢材质，周期性圆柱体单胞材料采用铅、铝或酚醛树脂。

15、本发明由于采用上述技术方案，其具有以下有益效果：

16、本发明基于增强局域耦合特性的厚度渐变插板型水下吸声超材料，利用厚度渐变的插板丰富了水下吸声超材料的共振模式，周期性圆柱体增强了厚度渐变插板的耦合共振模式，发生了更多的波型变换和波散射，使得入射纵波越来越地转化为剪切波传播，基体材料的高剪切损耗因子使得结构内部的声能量被大量损耗，使得基体材料内部声波传递的波形转化机制和高损耗因子特性在最大程度上得以激发，从而加强了入射声能量的损耗。

17、本发明中采用与水表面阻抗特性接近的材料作为粘弹阻尼材料的一种，具有非常高损耗因子，且与水的特性阻抗接近。厚度渐变的插板和周期性圆柱体，能够激发作为基体材料的更多的波形转换和波散射，入射纵波更多的转化为剪切波，从而利用高损耗因子更大程度的消耗进入到结构中的声能量。

18、周期性排列的吸声超材料单元具有在0～20000hz宽带频率范围内平均吸声系数达0.90，且在1400～10000hz频率范围内，吸声系数均高于0.6，实现了水下吸声材料的高效吸声，为水下吸声结构的研究提供了新的研究方向和途径，在有效提升水下装备的声隐身特性和反探测能力装备中具备广阔的应用场景。

技术特征：

1.一种基于增强局域耦合的厚度渐变插板型水下吸声超材料，其特征在于，包括若干个沿x和y方向上周期性排列的吸声超材料单元；

2.根据权利要求1所述的基于增强局域耦合的厚度渐变插板型水下吸声超材料，其特征在于，各层插板自下而上按照等差顺序排列厚度依次减薄。

3.根据权利要求1所述的基于增强局域耦合的厚度渐变插板型水下吸声超材料，其特征在于，吸声超材料单元中嵌入基体材料中的厚度渐变的插板为4～7层。

4.根据权利要求1所述的基于增强局域耦合的厚度渐变插板型水下吸声超材料，其特征在于，最底层等径的周期性圆柱体的高度大于以上各层插板之间分布的周期性圆柱体的高度，最底层以上各层插板之间分布的周期性圆柱体的高度相同。

5.根据权利要求1所述的基于增强局域耦合的厚度渐变插板型水下吸声超材料，其特征在于，周期性圆柱体与各层相邻插板的上下都有间隙；

6.根据权利要求1所述的基于增强局域耦合的厚度渐变插板型水下吸声超材料，其特征在于，吸声超材料单元基体材料为正方体结构，嵌入基体材料中的各层插板位于基体材料中心，各插板的边缘距离基体材料边距相等。

7.根据权利要求1所述的基于增强局域耦合的厚度渐变插板型水下吸声超材料，其特征在于，背衬位于厚度渐变插板结构下方，背衬的面积大于插板的面积。

8.根据权利要求1所述的基于增强局域耦合的厚度渐变插板型水下吸声超材料，其特征在于，基体材料采用与水表面阻抗特性接近的材料，包括橡胶或聚氨酯。

9.根据权利要求1所述的基于增强局域耦合的厚度渐变插板型水下吸声超材料，其特征在于，各层插板和背衬材料采用q235a3钢，周期性圆柱体单胞材料采用铅、铝或酚醛树脂。

10.根据权利要求1所述的基于增强局域耦合的厚度渐变插板型水下吸声超材料，其特征在于，周期性排列的吸声超材料单元在0～20000hz宽带频率范围内平均吸声系数达0.90，在1400～10000hz频率范围内，吸声系数均高于0.6。

技术总结本发明公开一种基于增强局域耦合的厚度渐变插板型水下吸声超材料，包括若干个沿x和y方向上周期性排列的吸声超材料单元；吸声超材料单元包括基体材料，以及嵌入基体材料中的厚度渐变插板结构和背衬；厚度渐变插板结构包括若干自下而上按照顺序排布的厚度渐变的插板，在各插板之间呈阵列分布有等径的周期性圆柱体；各层周期性圆柱体与相邻插板设有间隙。该结构加强了入射声能量的损耗，在20000Hz频率范围内能够显著提升平均吸声系数和回声降低，具备宽带高效的水下吸声性能。本发明在水下装备的声隐身和反探测能力装备中具有广阔的应用前景。技术研发人员：高南沙,张智成,赵艳彪,李奕霆,黄桥高,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：2024/4/17