一种基于准二阶亥姆霍兹共振器单元的水下吸声器

本发明涉及吸声结构，特别是涉及一种基于准二阶亥姆霍兹共振器单元的水下吸声器。

背景技术：

1、水下探测技术主要利用声波在水中的传播特性，通过声呐等设备对水下目标进行探测和定位，由于低频声波具有较长的波长和较强的穿透力，它在水中的衰减速度较慢，因此低频声波是水下探测的主要手段，为了避免或减少被声呐探测到的可能性，水下航行器需要在其表面覆盖水下低频吸声器，以降低其声目标强度和辐射噪声。此外，使用水下吸声器也是对水下声环境保护最有效的手段之一，并且水下的辐射噪声也主要集中在亚千赫兹这一频段内。声学超材料是一种由亚波长的微结构单元构成的复合材料，它能够实现传统材料无法达到的超常的声学特性，如负折射、负密度、负弹性等。声学超材料的出现为水下低频吸声器的设计提供了新的思路和方法，它能够利用微结构的局域共振机制和声学阻抗匹配原理，实现深亚波长的结构尺寸和高效的低频吸声性能，同时还能够通过调节微结构的形状和参数来拓宽吸声频带和优化吸声曲线。现有的共振器都只能吸收固定频率的声波，要实现吸收多种频率的声波就必须更换多个吸声器，对用户来说操作复杂且适用场景较少。

2、在现有技术中，公开号为cn108533357a的中国专利提出一种液压挖掘机用自供能主动吸声消音器。圆柱形筒体两端设有进气管和出气管；筒体上设有磁锥，磁锥由圆柱形永磁体和被磁化后覆盖在永磁体上的圆锥形磁流变液一组成；筒体内由左隔板和右隔板被分为三个腔体；第一腔体中转轴上套设有风扇叶片，风扇叶片由圆环形的压电晶片和金属基板粘接而成；第二腔体内转轴上设有阻尼单元，阻尼单元包括转动套设在转轴上的磁轭、固定套设在转轴上的衔铁、隔磁密封环、磁流变液、隔磁套，该吸声消音器只能吸收固定频率的声波，无法实现宽带吸声，适用场景窄。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术存在的缺点，提出一种基于准二阶亥姆霍兹共振器单元的水下吸声器，该吸声器能够实现宽带低频吸声，适用范围广。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种准二阶亥姆霍兹共振器单元，所述准二阶亥姆霍兹共振器单元由一个上层结构和一个下层结构堆叠构成，所述上层结构的底部和顶部以及所述下层结构的顶部设有通孔，所述单元结构通过上层结构的顶部通孔与外界相通，所述上层结构和所述下层结构通过上层结构的底部通孔和下层结构的顶部通孔相通，所述上层结构和所述下层结构为一个亥姆霍兹谐振腔，所述亥姆霍兹谐振腔为长方体形状，所述亥姆霍兹谐振腔的腔壁表面除顶部外均设有橡胶层，所述橡胶层粘结固定在所述腔壁表面，所述橡胶层用于提供弹性和阻尼，所述准二阶亥姆霍兹共振器单元的各项参数如下：

3、thr单元的吸声系数由下式确定：

4、

5、其中，r表示反射系数，表示单元阻抗；

6、单元阻抗由下式确定：

7、

8、其中，为穿孔板厚度对声阻抗的面积修正因子，表示一阶穿孔阻抗，表示一阶腔阻抗；

9、一阶穿孔阻抗由下式确定：

10、

11、其中，j为虚数单位，为角频率，为水的密度，为穿孔板的厚度，为穿孔率，为一阶贝塞尔函数，y为穿孔半径与粘性边界层厚度的比值，为一阶穿孔直径；

12、一阶腔阻抗由下式确定：

13、

14、一阶腔内橡胶阻抗由下式确定：

15、

16、其中，p为声压，为腔内横截面积，、和分别为橡胶部分的密度、声速和体积，表示一阶腔内水腔阻抗；

17、一阶腔内水腔阻抗由下式确定：

18、

19、为一阶水腔横截面积，、和分别为水腔部分的密度、声速和体积；

20、二阶单元阻抗由下式确定：

21、

22、二阶穿孔阻抗由下式确定：

23、

24、二阶腔阻抗由下式确定：

25、

26、二阶腔内橡胶阻抗由下式确定：

27、

28、二阶腔内水腔阻抗由下式确定：

29、。

30、为了实现上述目的，本发明还提供一种基于准二阶亥姆霍兹共振器单元的水下吸声器，包括多个呈阵列式排布且并联连接的准二阶亥姆霍兹共振器单元。

31、优选地，所述准二阶亥姆霍兹共振器单元数量为4个。

32、优选地，所述准二阶亥姆霍兹共振器单元的长宽高尺寸为50mm50mm40mm，所述准二阶亥姆霍兹共振器单元的厚度为2mm。

33、优选地，所述准二阶亥姆霍兹共振器单元由阻抗大于水且耐腐蚀的材料制成。

34、优选地，所述材料为钢。

35、优选地，所述橡胶层的厚度处处相等且不大于3mm。

36、优选地，所述橡胶层的规格为：密度，杨氏模量为，泊松比为，损耗因子为。

37、优选地，所述上层结构的顶部通孔、上层结构的底部通孔和所述下层结构的顶部通孔均设在表面几何中心处。

38、优选地，所述上层结构的顶部通孔直径大于所述上层结构的底部通孔直径和所述下层结构的顶部通孔直径，且所述上层结构的顶部通孔直径不大于15.4mm，所述上层结构的底部通孔直径和所述下层结构的顶部通孔直径不大于6.6mm。

39、本发明实施例与现有技术相比，其有益效果在于：

40、本发明通过将两个亥姆霍兹谐振腔进行堆叠，组成一个准二阶亥姆霍兹共振器单元，亥姆霍兹谐振腔之间通过通孔相通，再通过阵列式排布且并联连接多个准二阶亥姆霍兹共振器单元实现低频宽带吸声，能够在305-2200hz范围内实现良好的吸声效果，避免了现有的吸声器仅能吸声固定频率的问题；本发明的参数可调，改变橡胶层的厚度，或改变通孔的直径，或改变亥姆霍兹谐振腔的长宽高，从而改变吸声器的吸收频带，适用范围更广。

技术特征：

1.一种准二阶亥姆霍兹共振器单元，其特征在于，所述准二阶亥姆霍兹共振器单元（4）由一个上层结构和一个下层结构堆叠构成，所述上层结构的底部和顶部以及所述下层结构的顶部设有通孔（1），所述单元结构通过上层结构的顶部通孔与外界相通，所述上层结构和所述下层结构通过上层结构的底部通孔和下层结构的顶部通孔相通，所述上层结构和所述下层结构为一个亥姆霍兹谐振腔（2），所述亥姆霍兹谐振腔（2）为长方体形状，所述亥姆霍兹谐振腔的腔壁表面除顶部外均设有橡胶层（3），所述橡胶层（3）粘结固定在所述腔壁表面，所述橡胶层（3）用于提供弹性和阻尼，所述准二阶亥姆霍兹共振器单元（4）的各项参数如下：

2.一种基于准二阶亥姆霍兹共振器单元的水下吸声器，其特征在于，包括多个呈阵列式排布且并联连接的准二阶亥姆霍兹共振器单元（4）。

3.根据权利要求2所述的一种基于准二阶亥姆霍兹共振器单元的水下吸声器，其特征在于，所述准二阶亥姆霍兹共振器单元（4）数量为4个。

4.根据权利要求3所述的一种基于准二阶亥姆霍兹共振器单元的水下吸声器，其特征在于，所述准二阶亥姆霍兹共振器单元（4）的长宽高尺寸为50mm50mm40mm，所述准二阶亥姆霍兹共振器单元（4）的厚度为2mm。

5.根据权利要求4所述的一种基于准二阶亥姆霍兹共振器单元的水下吸声器，其特征在于，所述准二阶亥姆霍兹共振器单元（4）由阻抗大于水且耐腐蚀的材料制成。

6.根据权利要求4所述的一种基于准二阶亥姆霍兹共振器单元的水下吸声器，其特征在于，所述材料为钢。

7.根据权利要求6所述的一种基于准二阶亥姆霍兹共振器单元的水下吸声器，其特征在于，所述橡胶层（3）的厚度处处相等且不大于3mm。

8.根据权利要求7所述的一种基于准二阶亥姆霍兹共振器单元的水下吸声器，其特征在于，所述橡胶层（3）的规格为：密度，杨氏模量为 ，泊松比为，损耗因子为。

9.根据权利要求8所述的一种基于准二阶亥姆霍兹共振器单元的水下吸声器，其特征在于，所述上层结构的顶部通孔、上层结构的底部通孔和所述下层结构的顶部通孔均设在表面几何中心处。

10.根据权利要求9所述的一种基于准二阶亥姆霍兹共振器单元的水下吸声器，其特征在于，所述上层结构的顶部通孔直径大于所述上层结构的底部通孔直径和所述下层结构的顶部通孔直径，且所述上层结构的顶部通孔直径不大于15.4mm，所述上层结构的底部通孔直径和所述下层结构的顶部通孔直径不大于6.6mm。

技术总结本发明涉及吸声结构技术领域，公开了一种基于准二阶亥姆霍兹共振器单元的水下吸声器，包括：多个呈阵列式排布且并联连接的准二阶亥姆霍兹共振器单元，每个单元结构由一个上层结构和一个下层结构堆叠构成，上层结构的底部和顶部以及下层结构的顶部设有通孔，单元结构通过上层结构的顶部通孔与外界相通，上层结构和所述下层结构通过上层结构的底部通孔和下层结构的顶部通孔相通，所述上层结构和所述下层结构为一个亥姆霍兹谐振腔，所述亥姆霍兹谐振腔为长方体形状，所述亥姆霍兹谐振腔的腔壁表面除顶部外均设有橡胶层，所述橡胶层粘结固定在所述腔壁表面，所述橡胶层用于提供弹性和阻尼。本发明能够在低频范围内实现良好的吸收效果，适用范围更广。技术研发人员：张欣,施全权,罗丽,姚源卫,黄颖怡,彭洁彬,张浩斌,钟佳琳,陆嘉俊,唐星城,吴福根受保护的技术使用者：广东工业大学技术研发日：技术公布日：2024/5/16