一种可调控宽频带下声波传输效率的复合声学材料

本发明属于声波调控，具体涉及一种可调控宽频带下声波传输效率的复合声学材料。

背景技术：

1、声学材料是专门设计用于控制声波传播和声学性能的材料，旨在吸收、隔离或引导声波，常用于水下军事、航空航天、生物医学等领域。声学材料的研究在过去几十年取得了显著进展，从传统材料到声学超材料，科学家们致力于创造更高效、更灵活的声学控制手段。通过微观结构的精密设计，声学超材料在实现一些传统材料无法达到的声学性质方面取得了重要突破。

2、在近二十年来，声学材料领域在声波传输方面取得了显著的进展。通过深入探索纳米技术、微结构设计和先进材料工程，成功地创造出具有卓越声波调控性能的新型材料。研究者们设计的充液弹性壳可以近乎完美地匹配水声阻抗，设计的气凝胶涂抹在柱体上可近乎完美地匹配空气声阻抗。但这些材料一旦设计就不可更改，只能在特定的水下或空气环境中实现较高的声波传输效率，声学特性不可调谐。近十年来，声学材料领域的发展着重于频带方面，呈现出显著的创新。研究者们致力于设计具有高度可调控性的声学材料，以实现在特定频带内的精确调控声波传播和吸收特性。利用电磁耦合或结构变形等手段，可实现在特定频带范围内的声波传输效率调控，虽然这些设计的声学特性可调谐，但可调谐范围较窄。纳米技术和微结构设计的进步推动了新型声学材料的涌现，这些材料能够根据需求调整其声学特性。比如在水凝胶中设计微通道，将不同介质泵入到微通道中，可以实现宽频带范围内的声波传输效率调控，但一旦设计就无法更改。针对现有声学材料存在的一些挑战和缺点，声波调控的频带窄，无法主动实现宽频带有效调控，制备复杂、成本较高等问题限制了声学材料的实际应用。因此，本发明采用新的结构，提供一种可调控宽频带下声波传输效率的复合声学材料，基本单元由水凝胶基质和内嵌金属丝组成，通过控制微小气泡使声波传输调控能实现宽频带范围的覆盖，以匹配声阻抗差异大的实际应用环境，并且精准有效。

技术实现思路

1、针对传统声学材料和目前现有声学超材料存在的制备成本高、工艺复杂、环境污染、不可调谐或可调谐频带范围较窄等问题，本发明所要解决的技术问题是，提供一种可调控宽频带下声波传输效率的复合声学材料，为一种水凝胶-金属复合声学结构声学材料，通过控制气泡，改变水凝胶内部属性，在宽频带范围内，实现声波传输率的有效调控，并且水凝胶-金属复合声学材料结构简单，质量轻，绿色环保，推动了声学材料的创新。

2、本发明解决所述技术问题采用的技术方案如下：

3、本发明一种可调控宽频带下声波传输效率的复合声学材料，具有水凝胶-金属复合声学结构，包括水凝胶基质和金属框架，在水凝胶基质中嵌入具有电化学性能的金属材料，比如镍、铁、铂等，以金属材料作为工作电极，通过电化学工作站进行电化学调控，在工作电极表面即水凝胶基质内部产生有效介质气泡，从而干涉声波的传输效率。

4、所述金属材料制成网状结构的多层金属框架，所有层金属框架相互串联引出接线端形成一个整体电极，接线端连接电化学工作站的电源正极，此时将金属框架作为工作电极，石墨作为对电极，所述石墨电极可以设置在水凝胶外部，也可以设置在水凝胶内部，在水凝胶内部时，石墨电极的接线端连接电化学工作站的电源负极，使用电化学工作站对通电时间及电流密度进行控制实现水凝胶基质内部发生不同程度的电化学反应，控制不同量或不同区域的气泡的产生，改变金属框架表面的水凝胶的属性，相当于在水凝胶基质中产生不同介质，来影响声波的传输，进而调控声波传输效率。

5、进一步的，石墨电极嵌入水凝胶基质内时，金属框架与石墨分两侧布置；石墨电极的直径为6mm，金属框架边缘到水凝胶基质边缘的距离为1-2cm。

6、所述通电时间为20-40min，电流密度为10-100a/cm2。

7、进一步的，作为工作电极的金属框架需要选择析氧性能较好的金属材料，比如镍、铁、铂等，并且金属框架本身的声学特性，比如密度和声速等，也会影响声波的传播，选择不同的金属材料框架会存在声学特性差异。工作电极在通电时电解水凝胶中的水，水电解成氢气和氧气，氢气或氧气就是产生的气泡，工作电极可以选择具有析氢性能或析氧性能的金属材料，本实施例中优选具有析氧性能的金属材料。

8、进一步的，金属框架通过焊接、打磨等金属工艺成型后，需要使用无水乙醇进行超声清洗10min-15min，后使用去离子水超声清洗10min-15min，继续使用去离子水冲洗干净，使用鼓风干燥箱进行烘干处理备用。

9、进一步的，所述水凝胶为能在宽的声频率下，实现0-1范围内的声波传输效率控制的胶凝材料，如聚丙烯酰胺-海藻酸钠水凝胶，因为气泡具有很强的声散射性，通过介质气泡的量来实现0-1范围内的声波传输效率的调控。水凝胶都是水含量很高的，就是在电解水，不同的金属材料具有不同的密度和声速，会对声波产生影响；不同的水凝胶也有不同的弹性模量和密度，对声波产生影响。但这个影响比较小，实现0-1的传输效率主要是气泡的存在导致的。

10、本实施例中优选使用碱性水凝胶，目的是提供oh-，增强水的导电性，产出氧气。

11、本发明复合声学材料的制备过程是：将金属丝通过包括焊接、打磨在内的金属工艺制备成网状金属框架后，使用无水乙醇进行超声清洗10-15min，后使用去离子水超声清洗10-15min，继续使用去离子水冲洗干净，使用鼓风干燥箱进行烘干处理备用；

12、将水凝胶的复配试剂混合后，加入1m的氢氧化钠溶液，提供碱性电解质水凝胶环境，通过磁力搅拌机使其混合均匀，倒入模具；

13、将制备好的金属框架水平嵌入模具内的液体中，在氯化钙溶液中浸泡，使得钙离子与海藻酸钠交联，形成坚韧的水凝胶，进而得到坚韧的水凝胶-金属复合声学材料，继续在去离子水中浸泡，得到平衡饱胀的水凝胶-金属复合声学材料。

14、进一步的，水凝胶-金属复合声学结构的长、宽、高分别为l＝120mm，w＝150mm，h＝15mm，可制成批量化的铺设板材调控声波的传递效果，可以调节不同的频率透射率，能作为潜水艇的隐身材料等。内嵌金属框架采用金属丝围成，金属丝的直径均为0.1-0.5mm，金属框架为中空网状结构，中空网状结构的单元格边长为2-12mm，厚度为2-12mm，可以设置多层金属框架，框架结构与水凝胶保持平直。

15、进一步的，通过电化学工作站，外接电极，工作电极金属框架在工作时，在金属表面的水凝胶基质内部产生细密气泡，通过调整电流密度和通电时间，控制产生气泡的多少。气泡仅在工作金属框架的表面产生，贴紧金属框架的一圈细密气泡。本发明中使用的聚丙烯酰胺-海藻酸钠水凝胶，通过以丙烯酰胺为单体形成共价交联的弹性网络，以海藻酸钠为离子形成物理交联的耗散网络，将水分子锁在网络中，含水量接近90％，当利用电化学手段给水凝胶内部的金属框架通电后，本质在电解水凝胶中的水分子，水凝胶相当于电解液。

16、进一步的，将水凝胶-金属复合声学结构作为样品放在水箱中央，水箱尺寸为1200mm×600mm×500mm。样品整体完全保持水平，发射器固定在水箱底部，发射器与样品垂直距离为12cm，接收器在水箱顶部，接收器扫描范围为与样品垂直距离为2cm的5cm2区域。发射器发射脉冲波，频率范围为20khz-150khz，接收器以时域波形接收声学传输信号，每次的传输系数由有样品时的测量值与无样品时的测量值的比值所得。

17、优选的，水凝胶具有良好的与水声阻抗匹配性，在水下声学领域中应用前景十分广阔。水凝胶具有良好的生物相容性，在使用时造成的环境污染小，对生物无毒无害。水凝胶制备方便，具有很好的柔韧性和可塑性，能适应不同的形状，在实际应用中灵活性高。

18、优选的，内嵌工作电极金属框架为镍、铁、铂等金属丝制成，具有优异的催化活性，析氧性能出色，具有优异的稳定性，能在恶劣环境中工作，性能可靠并且是较为丰富的元素，容易获取，价格相对低廉，可降低应用成本。

19、优选的，整体水凝胶-金属复合声学结构制备方法简单，属于创新材料，并且能结合电化学手段进行调控，产生气泡，确保水凝胶内部产生有效介质，实现声波可控的传输性能。

20、优选的，金属框架上产生的气泡半径为80-150μm，声波传输信号测量频率范围为20khz-150khz，能够与多种应用环境包括水、空气、固体材料等声阻抗相匹配。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

22、本发明提供了一种可调控宽频带下声波传输效率的复合声学材料，在水凝胶基质中嵌入金属框架，通过外接电极实现电化学手段，控制电流密度和通电时间，产生不同程度的气泡，在水凝胶基质中产生有效介质，从而实现在宽频带范围内干涉声波的传输。与传统的声学材料(如木材，陶瓷等)相比，水凝胶-金属复合声学材料具有明显优势：轻质化和柔韧性，提供更灵活的应用和设计选择；出色的耐久性和抗冲击性，使其在恶劣环境下能够长期稳定使用；制备工艺灵活且可调节性强，具有在不同频率范围内的优异声学性能。与目前的声学超材料相比，水凝胶-金属复合声学材料制备简单，绿色环保，成本低廉，其调控声波传输频率范围为20khz-150khz的宽频带，解决了一些声学超材料调谐频带较窄的问题，能实现多种应用环境的声阻抗匹配。本发明为声学材料设计提供了更先进和创新性的选择，在水下声学等声波调控领域具有广泛的应用潜力。