一种用于水下低频吸声的高承压复合材料结构

本发明属于属于振动与噪声控制，具体涉及一种用于水下低频吸声的高承压复合材料结构。

背景技术：

1、水下环境中，声波由于传播距离远、速度快，是目前水下目标探测最主要的手段，而其中，由于水下航行器的辐射噪声能量通常主要集中在低频段，且低频声波波长大、传播衰减慢，使得声纳探测技术逐渐向低频声探测能力方向发展。为降低被探测性，水下航行器通常需要在表面敷设吸声材料，吸收部分入射和自身辐射声能。传统水下吸声材料主要通过粘弹性材料的分子间摩擦来实现声能的耗散，其吸声频段取决于材料特征尺度与声波波长的关系，而水下低频声波由于波长较大，传统吸声材料在有限厚度约束下基本无法实现低频吸声。近年来，随着局域共振声子晶体概念的提出，通过调控局域共振单元的有效质量和刚度控制其带隙宽度，从而可以实现“小尺寸吸收大波长”的声学超材料构型被陆续提出，但普遍存在2大问题，一是低频吸声性能不足，如低频吸声性能相对优异的薄膜型声学超材料虽然能将吸声频段降低至1khz以下，但200hz以下频段的吸声性能仍非常有限，二是承压性能不足，目前多数吸声材料主要采用粘弹性基体包覆质量块的方式降低共振频率，但在高水压环境下，粘弹性材料容易发生变形、硬化等问题，降低低频吸声性能。因此，虽然水下吸声材料设计已经取得了一定进展，但同时兼顾低频吸声性能和高承压性能的声学材料结构仍是需要待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对现有技术的以上缺陷或改进需求，提供一种用于水下低频吸声的高承压复合材料结构，用于增强水下吸声材料的承压能力，提升对低频水声的吸声效果。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

3、一种用于水下低频吸声的高承压复合材料结构，包括穿孔面板1、液腔骨架2、弹性薄膜3、质量块4、气腔骨架5、背衬底板6；穿孔面板1和弹性薄膜3分别贴敷在液腔骨架2的上下侧，气腔骨架5贴敷在弹性薄膜3的下侧，背衬底板6位于气腔骨架5的底部；

4、液腔骨架2和气腔骨架5为内部均布有柱状通道的平板结构，液腔骨架2和气腔骨架5的柱状通道一一对应；穿孔面板1上均布多个通孔阵列，所述通孔阵列分别与柱状通道一一对应；质量块4有多个且分别设于柱状通道与弹性薄膜3围成的空腔内，质量块4粘附在弹性薄膜3上。

5、对前述用于水下低频吸声的高承压复合材料结构的进一步改进或者优选实施方式，气腔骨架5的上下端面分别由弹性薄膜3和背衬底板6进行封闭，背衬底板6的下表面为用于水下低频吸声的高承压复合材料结构的安装面。

6、对前述用于水下低频吸声的高承压复合材料结构的进一步改进或者优选实施方式，穿孔面板1为金属或玻璃钢材质，穿孔面板1的通孔直径为0.5mm~10mm，通孔间距为5mm~50mm。

7、对前述用于水下低频吸声的高承压复合材料结构的进一步改进或者优选实施方式，所述柱状通道形成周期排布的柱状通道结构，柱状通道截面成正六边形或正四边形。

8、对前述用于水下低频吸声的高承压复合材料结构的进一步改进或者优选实施方式，液腔骨架2和气腔骨架5采用金属材质制造，液腔骨架2和气腔骨架5的柱状通道边长为10mm~100mm，相邻柱状通道之间的壁厚为1mm~10mm。

9、对前述用于水下低频吸声的高承压复合材料结构的进一步改进或者优选实施方式，弹性薄膜(3)为复合橡胶材料，由橡胶基底和增强纤维骨架构成。

10、对前述用于水下低频吸声的高承压复合材料结构的进一步改进或者优选实施方式，穿孔面板1上的通孔、液腔骨架2上的柱状通道与弹性薄膜3上端面围成均匀排布的半封闭液腔，每个半封闭液腔通过通孔与外界水体相连接，质量块4位于半封闭液腔底部中心位置；

11、弹性薄膜3下端面、气腔骨架5上的柱状通道与背衬底板6上端面围成与半封闭液腔一一正对的气腔，相邻气腔之间的骨架壁设置有缺口，使每个气腔之间的气体相连通；

12、对前述用于水下低频吸声的高承压复合材料结构的进一步改进或者优选实施方式，背衬底板6为金属材质。

13、对前述用于水下低频吸声的高承压复合材料结构的进一步改进或者优选实施方式，穿孔面板1与液腔骨架2采用一体成型加工或螺纹连接，弹性薄膜3通过硫化方式与液腔骨架2和气腔骨架5连接为一体，液腔骨架2和气腔骨架5通过螺纹进行固定连接，气腔骨架5与背衬底板6采用一体成型加工或螺纹连接。

14、上述改进技术方案只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

16、1.结合了穿孔结构和薄膜型局域共振材料的低频吸声特性，可以增强整体结构对水下低频噪声的吸声效果；

17、2.通过液腔骨架和气腔骨架形成对弹性薄膜的上下2层骨架支撑，同时，弹性薄膜采用橡胶基底和增强纤维骨架一体成型的复合橡胶材料，提高了整体结构的承压能力；

18、3.通过对质量块质量、穿孔直径、周期性液腔/气腔尺寸等参数的调整，易于改变拓宽整体结构的吸声频段；

19、4.利用空气的高压缩性和薄膜材料的高弹性，可以在同等吸声效果的情况下大幅减小整体结构厚度，具有很高的结构紧凑型；

20、本发明通过周期性结构延拓，容易适用于不同尺寸的结构表面，典型的可以应用于水下航行体声学覆盖层和水管路消声器，具有很好的工程实用性；同时，本发明结构一体化设计程度高，原材料易得，易于制备，具有很好的工程适用性。

1.一种用于水下低频吸声的高承压复合材料结构，其特征在于，包括穿孔面板（1）、液腔骨架（2）、弹性薄膜（3）、质量块（4）、气腔骨架（5）、背衬底板（6）；穿孔面板（1）和弹性薄膜（3）分别贴敷在液腔骨架（2）的上下侧，气腔骨架（5）贴敷在弹性薄膜（3）的下侧，背衬底板（6）位于气腔骨架（5）的底部；

2.根据权利要求1所述的一种用于水下低频吸声的高承压复合材料结构，其特征在于，气腔骨架（5）的上下端面分别由弹性薄膜（3）和背衬底板（6）进行封闭，背衬底板（6）的下表面为用于水下低频吸声的高承压复合材料结构的安装面。

3.根据权利要求1所述的一种用于水下低频吸声的高承压复合材料结构，其特征在于，穿孔面板（1）为金属或玻璃钢材质，穿孔面板（1）的通孔直径为0.5mm~10mm，通孔间距为5mm~50mm。

4.根据权利要求1所述的一种用于水下低频吸声的高承压复合材料结构，其特征在于，所述柱状通道形成周期排布的柱状蜂窝结构，柱状通道截面成正六边形或正四边形。

5.根据权利要求1所述的一种用于水下低频吸声的高承压复合材料结构，其特征在于，液腔骨架（2）和气腔骨架（5）采用金属材质制造，液腔骨架（2）和气腔骨架（5）的柱状通道边长为10mm~100mm，相邻柱状通道之间的壁厚为1mm~10mm。

6.根据权利要求1所述的一种用于水下低频吸声的高承压复合材料结构，其特征在于，弹性薄膜(3)为复合橡胶材料，由橡胶基底和增强纤维骨架构成。

7.根据权利要求1~6所述的一种用于水下低频吸声的高承压复合材料结构，其特征在于，穿孔面板（1）上的通孔、液腔骨架（2）上的柱状通道与弹性薄膜（3）上端面围成均匀排布的半封闭液腔，每个半封闭液腔通过通孔与外界水体相连接，质量块（4）位于半封闭液腔底部中心位置；

8.根据权利要求1所述的一种用于水下低频吸声的高承压复合材料结构，其特征在于，背衬底板（6）为金属材质。

9.根据权利要求1~6所述的一种用于水下低频吸声的高承压复合材料结构，其特征在于，穿孔面板（1）与液腔骨架（2）采用一体成型加工或螺纹连接，弹性薄膜（3）通过硫化方式与液腔骨架（2）和气腔骨架（5）连接为一体，液腔骨架（2）和气腔骨架（5）通过螺纹进行固定连接，气腔骨架（5）与背衬底板（6）采用一体成型加工或螺纹连接。