一种兼顾耐压与吸声性能的水下声学覆盖层

1.本发明涉及水下航行器的减振降噪技术领域，特别是涉及一种兼顾耐压与吸声性能的水下声学覆盖层。


背景技术：

2.随着反潜探测技术的不断发展，为进一步提高水下航行器的生存能力，一方面水下航行器的下潜深度持续增加；另一方面，要求敷设其表面的声学覆盖层向着低频宽带吸声的研究方向发展。因此，兼顾耐压与吸声性能的水下声学覆盖层的设计与研究已经成为了一个热门的研究领域。
3.目前，应用比较广泛的是带有空腔结构的声学覆盖层，虽然其能获得良好的低频吸声效果，但是其在中频的吸声效果较差，整体吸声频带较窄。此外，带有空腔结构的声学覆盖层在深海高静水压力作用下，空腔结构会产生较大变形，水下耐压性能较差。从已公开的文献或者专利可以看出，传统的声学覆盖层的确具有较好的低频吸声性能，但是其吸声频率范围较窄，且水下耐性能较差，难以达到水下航行器对声学技术的要求。
4.综上所述，传统空腔结构的声学覆盖层结构由于其水下耐压性较差且吸声频带较窄限制了其在水下吸声方面的应用，为此，设计一种兼顾耐压与吸声性能的水下声学覆盖层结构来改善传统声学材料的这一不足是非常有必要的，然而，查阅国内外文献，并未发现相关方面的研究工作。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种兼顾耐压与吸声性能的水下声学覆盖层，以满足覆盖层在深海高静水压环境下具有良好的吸声降噪效果。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种兼顾耐压与吸声性能的水下声学覆盖层，连接在金属背衬一侧，吸声结构层内设有空腔结构，用于调控低频吸声的能力。
8.进一步地，吸声结构层采用具有较好吸声能力的材料，包括吸声橡胶材料。
9.进一步地，金属背衬采用金属材料，包括钢、铅。
10.进一步地，空腔结构为呈周期性排列的若干空腔。
11.进一步地，空腔内设有若干支撑部件，用于支撑空腔结构。
12.进一步地，空腔的形状包括圆柱、圆台或方柱。
13.进一步地，支撑部件为金属插板。
14.进一步地，金属插板采用金属材料，包括钛、铝。
15.进一步地，金属插板根据空腔的形状和位置进行设计，与空腔一一对应。
16.本发明的有益效果为：
17.(1)本发明中声波从吸声结构层一侧入射，由于吸声结构层的声阻抗与水介质的声阻抗非常接近，声波更容易进入到声学覆盖层内部，不在表面发生反射；而橡胶吸声材料
的阻尼性能优异，声能在弹性驰豫、内摩擦等作用下转化为热能耗散。
18.(2)本发明吸声结构层中的空腔在特定频率声波的激励下，空腔内的空气产生振动，形成谐振效应，使声波的能量转化为热能耗散掉；另外空腔的阻抗与吸声橡胶相差较大，声波在空腔边界发生反射，形成声波散射效应，不仅可以增加声波传播距离、有效地降低声波的透射，使得声波反射到外覆盖层中进行二次能量耗散，提高整体覆盖层结构的吸声性能。
19.(3)吸声结构层与金属背衬构成的类质量-弹簧系统，当声波激励频率与该质量-弹簧系统的共振频率吻合时，产生强烈的结构振动，增强了在特定频率下声学覆盖层的共振效应，增强了声波的能量耗散。
20.(4)空腔内的金属插板进一步丰富了声学覆盖层的吸声模态，特定频率的声波不仅激发了金属板产生机械振动，加大了声能的耗散；同时，金属插板将空腔分割成若干小空腔，空腔之间的耦合共振效应进一步增强声波能量在覆盖层中的耗散。
附图说明
21.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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明一种兼顾耐压与吸声性能的水下声学覆盖层结构示意图，其中1为吸声结构层，2为金属插板，3为金属背衬；
23.图2为本发明的吸声系数与传统声学覆盖层的吸声系数对比图；
24.图3为本发明与传统声学覆盖层在3mpa静水压力下的形变情况对比图。
具体实施方式
25.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做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。
26.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
27.本发明提供了一种兼顾耐压与吸声性能的水下声学覆盖层，如图1所示，主要包括吸声结构层1，金属背衬3以及支撑部件金属插板2，声波沿图1中箭头方向入射该覆盖层的吸声结构层1、金属插板2和金属背衬3三部分。
28.吸声结构层1采用吸声橡胶材料，金属背衬3采用金属材料，包括钢、铅等；吸声结构层1固定连接在金属背衬3一侧，吸声结构层1内设有呈周期性排列的空腔结构，用于调控低频吸声的能力，空腔的形状包括圆柱、圆台或方柱等；空腔内设有若干金属插板2，金属插板2采用金属材料，包括钛、铝等，可以根据空腔的形状和位置进行设计，与空腔一一对应。
29.例如图1中，吸声结构层1中方型空腔被填入的长方形金属插板2分隔成五部分，可以增强空腔之间的耦合谐振效应；加入的金属插板2受声波激励产生的机械振动，可以加大
声能的耗散，使得覆盖层的吸声性能达到最佳的效果，此外，在声学覆盖层受到静水压力作用时，金属插板又能起到支撑空腔的作用，抵抗空腔由于静水压力作用而产生的变形，增强结构的耐压性能。
30.下面通过具体仿真计算对本发明进一步描述：
31.本仿真计算实施例中吸声结构层基体材料选取为橡胶，金属插板与金属背衬选用钢，材料参数如表1所示。
32.表1
[0033][0034]
吸声结构层的厚度为0.05m,金属背衬为0.01m，金属插板长度和厚度分别为0.01m和0.002m，吸声结构层中的方型空腔的长度和宽度均为0.02m。
[0035]
通过对本发明的声学特性进行仿真计算，并与传统的带有相同空腔的声学覆盖层结构进行对比，结果如图2所示。可以看出，通过在声学覆盖层内插入金属插板后，该结构的第一吸声峰向高频方向略有偏移，但吸声效果得到了提高，这主要源于分割后的空腔产生了耦合谐振效应。此外，本发明的吸声效果相比传统声学覆盖层在中频范围内得到了显著增强，拓宽了结构的吸声频带。
[0036]
对比了本发明与传统声学覆盖层在3mpa静水压力下的形变情况，结果如图3所示。可以看出，本发明的水下耐压性能明显优于传统声学覆盖层，同等条件下，结构的变形量减少了一倍，这有效地保证了声学覆盖层在静水压力下作用的吸声效果。
[0037]
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。