一种水下声学结构件及其应用

本发明属于水下声学制件领域，具体涉及一种水下声学结构件及其应用。

背景技术：

1、水下装备的声学特征控制技术是一门综合应用技术，声学覆盖层利用空腔将声转化为热能而被消耗，是一种较为成熟的防声呐探测方法，但由于其施工方法、厚度、重量等缺陷，大大限制了它的应用范围。目前使用的水下吸声制件的内部设置有一些特定形状的空腔结构制成共振式结构，但是随着水压增大，空腔并不能维持原有形状，使得整个材料与水的阻抗失配，空腔固有频率发生改变，导致吸声性能下降。而当声波入射到较厚的高损耗吸声材料中，损耗会导致频率发生变化，引起阻抗失配。为了解决这一问题，通常制备成渐变式吸声结构，这类结构虽然可以有效改善由于阻抗失配而导致的反射问题，但是在水压作用下存在蠕变，对材料的水下声学性能会有影响。

2、现有专利技术cn108544824a公开了一种利于船舶水下减振吸声的声学覆盖层，公开的是一种由表面层、夹芯吸声层和粘结层组成的船舶水下减振吸声的声学覆盖层结构，多层结构易产生分层现象，并且密度相对较大。

3、现有技术cn 103183119a公开了一种复合消声瓦，由具有一定弧度和厚度的多孔轻质金属材料块、圆锥状火山石以及将它硫化封装为一整体结构的合成橡胶块组成。所选用的火山石其孔洞为自然形成，呈不均匀状；多孔轻质金属材料的弧度与水下运动体表面弧度相一致，经合成橡胶块封装后共同形成消声瓦。其缺点在于采用橡胶块封装，在高静水压下，橡胶和空腔被压缩，产品吸收主动声呐声波能力下降。

4、专利cn208256285u公开了一种内嵌螺旋刚性结构的低频水下吸声结构，包括一个起支撑作用的支撑钢板，在支撑钢板上固定有一个包裹若干呈阵列分布的金属螺旋刚性结构并固化后的基体材料；基体材料与支撑钢板之间采用耐水型橡胶金属胶粘剂粘合。本结构具有良好的水下低频宽频吸声能力，但是其采用支撑钢板，不利于装备轻量化。

技术实现思路

1、本发明提供一种水下声学结构件，所述水下声学结构件包括耐压结构和弹性单元；所述耐压结构具有孔阵列结构；所述弹性单元具有空腔，并设置在所述孔阵列结构中，所述弹性单元的数量大于零且小于或等于所述孔阵列结构的孔数量，每个弹性单元的外表面均与其所在孔的内表面接触。

2、根据本发明的实施方案，所述弹性单元与所述孔阵列结构中的孔的形状适配，例如当孔为圆孔时，弹性单元为圆柱体；当孔为方形孔时，弹性单元为方柱体。

3、根据本发明的实施方案，所述孔阵列结构的孔为通孔。

4、根据本发明的实施方案，所述弹性单元的高度与所述孔阵列结构的高度相同。

5、根据本发明的实施方案，所述弹性单元粘结在其所在孔中。

6、根据本发明的实施方案，所述空腔的形状为圆锥形空腔或圆柱形空腔。

7、根据本发明的实施方案，所述空腔与弹性单元的体积之比(即穿孔率)为10-80％，例如20-70％，示例性为30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％。即所述空腔非贯穿空腔。

8、根据本发明的实施方案，所述耐压结构与所述弹性单元中均含有空心玻璃微珠。

9、根据本发明的实施方案，所述水下声学结构件还包括与耐压结构接触的表层，例如所述接触为粘结接触。

10、根据本发明的实施方案，所述表层完全覆盖、优选为恰好覆盖所述耐压结构的孔阵列结构面。

11、根据本发明的实施方案，所述水下声学结构件还包括与耐压结构接触的基层，例如所述接触为粘结接触。

12、根据本发明的实施方案，所述基层完全覆盖、优选为恰好覆盖所述耐压结构的另一面的孔阵列结构面。

13、根据本发明的实施方案，所述水下声学结构件包括表层、耐压结构、弹性单元和基层；所述耐压结构具有孔阵列结构，孔阵列结构的一面与表层接触，孔阵列结构的另一面与基层接触；所述弹性单元具有空腔，并设置在所述孔阵列结构中，所述弹性单元的数量大于零且小于等于所述孔阵列结构的孔数量，每个弹性单元的外表面均与其所在孔的内表面接触。

14、根据本发明的实施方案，所述表层、耐压结构、弹性单元和基层的材质相同或不同。

15、在优选方案中，所述表层和耐压结构均由声阻抗(ρ×c值，ρ代表材料密度，c代表声波在该材料中的传播速度)与水声阻抗相近的复合材料制成，例如“相近”指表层和耐压结构与海水阻抗(海水声速为1570m/s，密度为1025kg/m3)差异-30％～30％。在一些实施方案中，所述表层与耐压结构的材质相同。

16、根据本发明的实施方案，所述表层和/或耐压结构的材质为第一树脂基复合材料，优选所述第一树脂基复合材料由包括第一树脂、空心玻璃微珠和任选加入或不加入的纤维的原料制备得到，所述第一树脂选自环氧树脂类、酚醛树脂类、聚氨酯树脂类和不饱和树脂类中的一种或多种。

17、根据本发明的实施方案，所述弹性单元的材质为第二树脂基复合材料，例如所述第二树脂基复合材料由包括第二树脂和空心玻璃微珠的原料制备得到，所述第二树脂选自聚氨酯或橡胶。

18、根据本发明的实施方案，所述基层采用与水下航行器壳体表面声阻抗相近的材料制成，优选碳纤维复合材料。

19、根据本发明的实施方案，所述表层、耐压结构和基层的厚度比为1:(2-10):1，例如1:3:1、1:4:1、1:5:1、1:6:1、1:7:1、1:8:1、1:9:1。

20、根据本发明的实施方案，所述水下声学结构件包括：表层、耐压结构、弹性单元和基层；

21、所述耐压结构具有孔阵列结构，孔阵列结构的一面与表层接触，孔阵列结构的另一面与基层接触；

22、所述弹性单元具有空腔，并设置在所述孔阵列结构中，所述弹性单元与所述孔阵列结构中的孔的形状适配，所述弹性单元的高度和所述孔阵列结构的高度相同，所述弹性单元的数量大于零且小于等于所述孔阵列结构的孔数量，每个弹性单元的外表面均与其所在孔的内表面接触；所述空腔的形状为圆锥形空腔或圆柱形空腔，所述空腔与弹性单元的体积之比为10-80％；

23、所述耐压结构与所述弹性单元中均含有空心玻璃微珠。

24、根据本发明的实施方案，所述水下声学结构件的密度为0.3-1.0g/cm3，例如0.4g/cm3、0.5g/cm3、0.6g/cm3、0.7g/cm3、0.8g/cm3、0.9g/cm3、1.0g/cm3。

25、根据本发明的实施方案，所述水下声学结构件的服役水深为0-4000m，例如500m、1000m、2000m、3000m。

26、根据本发明的实施方案，所述水下声学结构件的耐压强度为3-40mpa，例如5mpa、10mpa、15mpa、20mpa、25mpa、30mpa、35mpa。

27、根据本发明的实施方案，所述水下声学结构件的水下平均吸声系数大于0.7。

28、根据本发明的实施方案，所述水下声学结构件在服役环境下的吸水率低于1％。

29、本发明还提供上述水下声学结构件在水下装备，例如水下航行器中的应用。

30、有益效果：

31、本发明提供的水下声学结构件是一种兼具耐压强度与吸声性能的水下声学结构一体化材料，能够显著提高吸声材料的刚度以及在水压作用下保持优异的吸声性能，解决了现有材料受到水压时吸声性能下降的问题。该结构件具有较高的声损耗能力，平均吸声系数大于0.7，提高了材料的低频吸声性能，拓宽了吸声频带。

32、本发明结构件制备所需的材料以及粘接工艺均较为成熟，减少了其在工程应用中的复杂性，有助于降低成本，并提高水下航行器的隐身能力。