一种水声宽频吸声结构

本发明属于声学和材料领域，具体涉及一种新型的低频水声介质中的吸声结构。

背景技术：

1、水介质中的宽频(100-10000hz)吸声问题在实际工程中迫切需要解决，具有重要的研究价值和工程应用价值。目前公开的文献表明，该研究领域的结构和材料中，在中高频段(1000hz-10000hz)吸声效果相对较好(吸声系数大于0.9)，但是在低频段(1000hz以下)吸声系数显著较低(低于0.8)，特别是在薄层(厚度小于50mm)的约束条件下，吸声性能不能满足实际工程的需要。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供一种水声宽频吸声结构，包括上层、基体和下层，在基体上形成的中央渐变空腔和多个渐变分布的周边空腔，空腔中为空气；

2、基体整体为一块薄片结构，其上下表面均为轴对称图形，上下表面在水平面上的投影重合，其材质包括吸声材料和弹性介质；

3、上层和下层为封装层，上层和下层分别恰好完全覆盖基体的上下表面；其中，

4、吸声层的中央空腔包括沿轴线方向共轴的5个圆台，包括一个正立圆台10和叠放的4个倒立圆台(201,202,203,204)，轴线为贯穿基体上下表面的中轴线；4个倒立圆台(201,202,203,204)顶面直径和高度均相同，底面直径由下至上渐变大，4个倒立圆台(201,202,203,204)依次紧密布置，沿轴线方向中间不留间隙；倒立圆台最大直径底面距离基体上表面保持一定间距；4个倒立圆台(201,202,203,204)下面是一个正立圆台10，正立圆台10顶面直径与4个倒立圆台(201,202,203,204)顶面直径相同，正立圆台10底面直径大于4个倒立圆台(201,202,203,204)最大底面直径；正立圆台10底面距离基体上表面保持一定间距；

5、以基体下表面中心点为圆心，以大于正立圆台10底面半径的5个逐渐增大的数值为半径分别画5个圆，在每个圆上均匀定位12个点，相邻点之间间隔30度圆心角，以这12个点为圆心分别画圆，形成12个小圆，半径越小，小圆的直径越小，但同半径小圆直径相等；由此5个大圆上圆心角相同的12方向上共画出60个小圆，每个圆心角方向包括自内而外直径从小到大渐变的5个小圆(501,502,503,504,505)，以每个小圆为正圆锥的上表面，自基体下表面向内部加工5个正圆锥，正圆锥的高度小于基体厚度，正圆锥中为空气；

6、吸声层的中央空腔周边有两圈环形分布的倒立圆锥体(30,40)；圆台大圆在基体下表面上的投影为投影圆，以基体下表面中心点为圆心，向投影圆上均匀定位12条射线，相邻射线之间间隔30度圆心角，这12条射线与之前5个圆上定位的12个点错开15度；在每条射线上、投影圆的内外，分别设置内点和外点，12个内点形成的圆与12个外点形成的圆，圆心均为基体下表面中心点；以每个内点和外点为正圆锥的顶点，自基体下表面向内部加工正圆锥，共形成完全相同的12个内圆锥30和完全相同的12个外圆锥40，内圆锥30和外圆锥40的高度均小于基体厚度，内圆锥底面直径小于外圆锥底面直径；内圆锥30和外圆锥40中为空气；

7、基体下表面中心向外，每90度画一条射线，共四条射线；以基体下表面中心为圆心，以大于5个圆中最大圆半径的数值为半径，画一个大圆；以大圆与四条射线的交点为中心，分别设置四组圆台圆锥混合体60，每组圆台圆锥混合体60都相同，均包含两个正立圆台和一个正圆锥；具体为：第一正立圆台601、第二正立圆台602、第三正圆锥603自基体下表面向上表面布置，共轴，三者依次紧密布置，沿各自轴线方向中间不留间隙，四组圆台圆锥混合体所形成的共四条子轴线均与吸声结构轴线相平行；第一正立圆台601、第二正立圆台602、第三正圆锥603的底面直径依次减小，第一正立圆台601、第二正立圆台602的顶面直径相同，该顶面直径小于第三正圆锥603的底面直径；第一正立圆台601底面直径大于每个圆心角方向5个小圆中最大小圆505的直径；第一正立圆台601底面与基体下表面保持一定间距，第三正圆锥603的顶点距离基体上表面保持一定间距；圆台圆锥混合体60中为空气；

8、以每组圆台圆锥混合体60轴线与基体中轴线所形成平面为对称面，在每组圆台圆锥混合体60靠近基体内部的左右两侧，对称设置一对正圆锥(701,702)，正圆锥(701,702)底面与基体上下表面保持一定间距，正圆锥(701,702)的顶点距离基体上表面保持一定间距；正圆锥(701,702)底面直径小于每个圆心角方向5个小圆中最大小圆505的直径；正圆锥(701,702)的高度小于基体厚度；正圆锥中为空气；

9、在基体上下表面各覆盖一层矩形弹性体，弹性体正好覆盖基体上下表面。

10、在本发明的一个实施例中，

11、水声宽频吸声结构为薄长方体结构，整体尺寸为：长度800-1200mm、宽度800-1200mm、厚度30-100mm；

12、中心位置上4个倒立圆台(201,202,203,204)直径分别为120-130mm、100-110mm、80-90mm、60-70mm,顶面直径为20-30mm,高度为6-10mm；正立圆台10底面直径200-230mm,顶面直径20-30mm,高度5-7mm；

13、中央空腔周边两圈环形分布的倒立圆锥体(30,40)底面直径范围从5-25mm均匀变化；

14、四组圆台圆锥混合体60中，第一正立圆台601、第二正立圆台602、第三正圆锥603底面直径分别为10-15、25-35和45-55mm。

15、在本发明的一个具体实施例中，

16、水声宽频吸声结构整体尺寸为：长度1000mm、宽度1000mm、厚度50mm；

17、基体材料选取橡胶体；

18、中心位置上4个倒立圆台(201,202,203,204)直径分别为120mm、100mm、80mm、60mm,顶面直径为25mm，高度均为8mm；

19、中央空腔周边两圈环形分布的倒立圆锥体(30,40)底面直径230mm,顶面直径25mm,高度6mm；

20、四组圆台圆锥混合体60中，第一正立圆台601、第二正立圆台602、第三正圆锥603底面直径分别为15、35和55mm。

21、在本发明的另一个具体实施例中，基体上表面为正方形；四组圆台圆锥混合体60处在正方形的四个角处。

22、在本发明的又一个具体实施例中，上层和下层为封装层，均采用一层实心橡胶体。

23、在本发明的还一个具体实施例中，吸声层的中央空腔共轴的5个圆台中，倒立圆台最大直径底面距离基体上表面间距为10mm；正立圆台10底面距离基体上表面间距为距离10mm。

24、在本发明的其他一个具体实施例中，吸声层的中央空腔周边两圈环形分布的倒立圆锥体(30,40)中，内圆锥30和外圆锥40中心到轴线的距离分别为210mm和250mm；内圆锥和外圆锥顶部直径分别为15mm和20mm，内圆锥30和外圆锥40高度均为40mm。

25、在本发明的又一个实施例中，每组圆台圆锥混合体60的轴线，每个圆心角方向自内而外的5个小圆锥的轴线，与基体中轴线，共面。

26、在本发明的还一个实施例中，水声宽频吸声结构为圆形薄片结构。

27、此外，在本发明的一个实施例中，水声宽频吸声结构作用机理如下所述，能够达到多种吸隔声机理耦合作用的效果；

28、一是变截面悬臂梁振动机理；中心部位结构中有4个变截面环形尖劈，该变截面环形尖劈能够解析计算出多阶谐振频率，而不同的谐振频率局域和耗散对应频率的振动能量；对应多个不同的谐振频率，因此产生宽带吸声效应；

29、二是空腔上方基体材料和环形尖劈的耦合共振；共振是产生较高吸声系数的重要原因，空腔大盖板和每个尖劈都存在多阶固有频率，而且固有频率较低，对应多个不同的谐振频率，因此产生宽带吸声效应；

30、三是尖劈指向与圆台轴向正好垂直，也就是尖劈指向与入射纵波的方向垂直，所以当入射的轴向纵波与尖劈作用时，尖劈各横截面均会发生不同程度的剪切形变，使入射的轴向纵波波形发生转换，转换成剪切横波，使入射的轴向纵波损耗较大能量，导致结构整体吸声峰值变宽；

31、四是散射反射吸声功能梯度尖劈状结构对于入射的声波会产生多次反射和散射效应，多次反射的结果是能量逐渐损耗变为热能，能够提升吸声系数。

32、本发明水声宽频吸声结构在300-10000hz声频范围内，平均吸声系数0.93，200-10000hz声频范围内，平均吸声系数0.9。该结构能够在提升低频吸声性能的同时兼顾中高频吸声，从而具备宽频(100-10000hz)高吸声的性能。