本发明涉及水下装备振动与噪声控制技术领域，具体是一种薄层低频水声隔声超材料。
背景技术：
在水下装备表面贴敷隔声材料是能够抑制装备辐射噪声，提高其声隐身性能的一项重要技术。对于隔声材料而言，其隔声机理主要有以下两方面:(1)阻尼耗散隔声。通过材料内部的振动阻尼耗散或者散射声波吸收的方式减小装备向外辐射声波的能量。(2)阻抗失配隔声。通过设计声学结构使得装备内部噪声在隔声材料表面发生强烈的反射，以此减小透射的声波能量。
敷设在水下装备表面的隔声材料能够有效阻断装备内部噪声向外传播的路径，降低装备自身辐射噪声，从而达到“安静化”的目的。随着探测声呐工作频率不断向低频方向发展，现有隔声材料的有效工作频率较高，不能满足低频应用需求。设计能够有效阻隔低频(200hz-2000hz)水声声波的隔声材料，对水下装备的声隐身技术发展具有重要的意义。
技术实现要素：
针对上述现有水声隔声材料低频性能的不足，本发明从准静态阻抗失配机理出发，基于变密度法的拓扑优化方法，设计一种薄层低频水声隔声超材料，能够有效解决200hz-2000hz低频段的隔声问题。
为实现上述目的，本发明提供一种薄层低频水声隔声超材料，包括两个盖板以及位于两个所述盖板之间的隔声层；
两个所述盖板相互平行，所述隔声层由m×n个呈阵列周期排列的隔声组件组成，其中，m≥1，n≥1；
所述隔声组件包括隔声单元与连接单元，所述隔声单元为中空的矩形柱结构，所述连接单元的数量为四个且设在所述隔声单元的四个角部，相邻的两个隔声单元之间通过连接单元相连；
所述隔声单元的长边侧壁与所述盖板之间的夹角为0°～90°。
在其中一个实施例中，所述连接单元包括延伸部与连接部，所述延伸部的一端与所述隔声单元相连，所述连接部设在所述延伸部的另一端；
相邻的两个隔声单元之间通过连接部相连，所述延伸部、所述连接部与所述隔声单元的长边侧壁构成“z”型结构。
在其中一个实施例中，所述隔声单元上长边侧壁的外型面为第一型面，所述隔声单元上短边侧壁的外型面为第二型面；
所述延伸部具有第三型面与第四型面，所述第一型面与所述第三型面的一端通过第一过渡型面相连，所述第二型面与所述第四型面的一端通过第二过渡型面相连；
所述第一型面与第三型面之间的拓扑夹角为α3，所述第二型面与第四型面之间的拓扑夹角为α1，其中，
在其中一个实施例中，所述连接部具有依次相连的第五型面、第六型面、第七型面、第八型面与第九型面；
所述第五型面与所述第三型面的另一端相连，所述第九型面与所述第四型面的另一端通过第三过渡型面相连；
所述第六型面与所述第五型面垂直，所述第七型面与所述第六型面垂直，所述第八型面与所述第七型面垂直；
所述第九型面与所述第六型面之间的拓扑夹角为α2，其中，
在其中一个实施例中，所述隔声单元上与长边侧壁平行且经过隔声单元轴线的剖面为第一剖面，所述隔声单元上与短边侧壁平行且经过隔声单元轴线的剖面为第二剖面；
所述第一剖面与所述第六型面之间的间距为a1，所述第七型面的宽度为a2，所述第五型面的宽度为a3，其中，
所述第二剖面与所述第七型面之间的间距为b1，所述第六型面的长度为b2，所述第八型面的长度为b3，其中，
在其中一个实施例中，所述隔声单元上长边侧壁的厚度为a4，所述隔声单元上短边侧壁的厚度为b4，其中，
在其中一个实施例中，所述盖板的厚度大于或等于0.1mm。
在其中一个实施例中，所述盖板与隔声层由金属材料或非金属材料制成，其材料的物理参数为：
弹性模量e范围满足0.1gpa≤e≤220gpa，泊松比η范围满足0.2≤η≤0.5，密度ρ范围满足800kg/m3≤ρ≤12000kg/m3。
本发明提供的一种薄层低频水声隔声超材料，从准静态阻抗失配机理出发，基于变密度法的拓扑优化方法完成了设计，其能够有效阻隔200hz-2000hz低频段的隔声问题。该超材料内部微结构具有负泊松比特性，在厚度不大于20mm的条件下，实现了对200hz-2000hz声波的低频宽带隔声性能，可以应用于水下装备及其他领域噪声控制，具有良好的工程应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例中薄层低频水声隔声超材料的整体结构；
图2为本发明实施例中隔声组件结构；
图3为本发明实施例中1/4隔声组件结构；
图4为本发明实施例中矩形盖板结构；
图5为本发明实施例仿真示例中传统的四方蜂窝结构隔声材料；
图6为本发明实施例仿真示例中薄层低频水声隔声超材料的局部结构；
图7为本发明实施例仿真示例中传统四方蜂窝结构隔声材料与本发明实施例薄层低频水声隔声超材料在200-2000hz频率范围隔声系数比较图。
附图标记：盖板10、隔声层20、隔声单元201、连接单元202、延伸部2021、连接部2022、第一型面301、第二型面302、第三型面303、第四型面304、第五型面305、第六型面306、第七型面307、第八型面308、第九型面309、第一过渡型面401、第二过渡型面402、第三过渡型面403、第一剖面501、第二剖面502。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1-4所示为本实施例公开的一种薄层低频水声隔声超材料，其具体包括两个盖板10以及位于两个盖板10之间的隔声层20，两个盖板10相互平行，且隔声层20由m×n个呈阵列周期排列的隔声组件组成，其中，m≥1，n≥1。具体地，隔声组件包括隔声单元201与连接单元202，隔声单元201为中空的矩形柱结构，连接单元202的数量为四个且设在隔声单元201的四个角部，四个连接单元202在隔声单元201上呈十字对称分布，相邻的两个隔声单元201之间通过连接单元202相连，隔声单元201的长边侧壁与盖板10之间的夹角为0°～90°，其中，隔声单元201的长边侧壁指的是隔声单元201上长边所在的侧壁。
本实施例中，连接单元202包括延伸部2021与连接部2022，延伸部2021的一端与隔声单元201相连，连接部2022设在延伸部2021的另一端，当相邻的两个隔声单元201相连时，其各自对应的连接部2022固定相连，即相邻的两个隔声单元201之间通过连接部2022相连，延伸部2021、连接部2022与隔声单元201的长边侧壁构成“z”型结构。
进一步具体地，隔声单元201上长边侧壁的外型面为第一型面301，隔声单元201上短边侧壁的外型面为第二型面302，隔声单元201的短边侧壁指的是隔声单元201上短边所在的侧壁。延伸部2021具有第三型面303与第四型面304，第一型面301与第三型面303的一端通过第一过渡型面401相连，第二型面302与第四型面304的一端通过第二过渡型面402相连，第一型面301与第三型面303之间的拓扑夹角为α3，第二型面302与第四型面304之间的拓扑夹角为α1，其中，
本实施例中，隔声单元201上与长边侧壁平行且经过隔声单元201轴线的剖面为第一剖面501，隔声单元201上与短边侧壁平行且经过隔声单元201轴线的剖面为第二剖面502。第一剖面501与第六型面306之间的间距为a1，第七型面307的宽度为a2，第五型面305的宽度为a3，其中，
本实施例中，盖板10为矩形板结构，其长宽与隔声层20的长宽相等，盖板10的厚度大于或等于0.1mm。
本实施例中，盖板10与隔声层20由金属材料或非金属材料制成，其中，金属材料材料选用铝、碳钢、合金钢等，非金属材料可以选用聚乳酸、abs等，其材料的物理参数为：弹性模量e范围满足0.1gpa≤e≤220gpa，泊松比η范围满足0.2≤η≤0.5，密度ρ范围满足800kg/m3≤ρ≤12000kg/m3。
本实施例中，盖板10与隔声层20可以采用3d打印技术对其一体化打印制造成型，也可采用电火花线切割等机加工的方式制造成型。
下面结合具体仿真示例，对本实施例中的薄层低频水声隔声超材料与图5中传统的四方蜂窝结构隔声材料进行比对，对本实施例中的薄层低频水声隔声超材料作进一步说明。
该示例中，盖板10与隔声层20的材料均为聚乳酸，材料参数为杨氏模量为0.8gpa，泊松比为0.38，密度为1200kg/m3，隔声单元201的长边侧壁与盖板10之间的夹角θ为图6所示的45°。盖板10的长b＝10mm、宽h＝10mm、厚c＝0.5mm；薄层低频水声隔声超材料的总厚度a＝20mm、宽b＝10mm，高h＝10mm；隔声组件的长a′＝5mm、宽b′＝5mm，高h＝10mm。即上述的第一剖面501与第六型面306之间的间距为
根据上述尺寸参数建立材料隔声性能有限元分析模型，仿真计算得到其隔声系数如图7所示。图7比较了相同材料和总体厚度条件下，传统的四方蜂窝结构隔声材料与本实施例薄层低频水声隔声超材料的隔声系数。从图7可以看出，本发明实施例，在整体厚度仅为20mm的条件下，在200-2000hz的频率范围内平均隔声量大于20db，具有优良的隔声效果，相比于传统的四方蜂窝结构隔声材料，本实施例的隔声性能大幅提升。
综上所述，本实施例中的薄层低频水声隔声超材料具有的技术效果具体为：
1、具有优良的低频隔声性能。相比于传统的四方蜂窝结构隔声材料，薄层低频水声隔声超材料在整体厚度仅为20mm条件下，200-2000hz的频率范围内平均隔声量大于20db，实现低频高效隔声。
2、具有良好的力学性能和轻量化性能。薄层低频水声隔声超材料具有负泊松比特性，具有良好的抗弯特性，，且实施例中薄层低频水声隔声超材料为轻量化结构，整体平均密度小于350kg/m3。
3、本实施例隔声材料具有良好的结构设计性，通过对隔声组件长、宽、高等尺寸以及拓扑夹角、制造材料等进行优化调整，可满足不同实际应用场合隔声和力学性能要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
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