一种内嵌平行板的复合材料宽带耐压吸声覆盖层

技术领域

本发明涉及水下航行探测技术领域，具体涉及一种内嵌平行板的复合材料宽带耐压吸声覆盖层。

背景技术

水下航行器壳体上主要采取敷设吸声覆盖层结构来降低声目标强度，从而减小敌方发现我方航行器的距离，以提高水下航行器的生存能力。经过半个多世纪的发展，水声吸声材料的研究已取得了丰硕的成果，以橡胶类和聚氨酯类为基体的水声吸声材料研究日益成熟，内耗大、阻尼性能好的高分子材料发展为吸声覆盖层提供了更广阔的选材空间。随着潜艇巡航深度的增大和声呐探测技术的不断发展，对潜艇的声隐身技术提出了新的挑战，水下吸声覆盖层结构正朝着耐压、低频和宽频段吸收的方向发展。对单一均质材料而言，由于阻抗匹配的要求与增大材料对声能的损耗之间存在矛盾，同时吸声覆盖层结构尺寸受到潜艇排水量等因素的限制，粘弹性材料的弛豫吸收远不能满足各种工程应用的需要，因此必须在吸声覆盖层内部引入声学结构，保证与水阻抗匹配的同时，增强材料对入射声波的衰减效果。

现有解决方法包括：(1)以一种密度和声速较低的介质作为基体，沿入射声波方向内嵌长度呈梯度变化的钢板(Zhang Y,Pan J,Chen K,Zhong J.Subwavelength andquasi-perfect underwater sound absorber for multiple and broad frequencybands.J.Acoust.Soc.Am.2018,144(2).)。而内嵌的钢板结构会带来整体吸声覆盖层重量较大，给实际应用中的运输和装配带来了一定困难。(2)在一种较软的硅橡胶介质中嵌入以特定方式排列的圆柱空腔，圆柱空腔半径和间距沿声波入射方向呈梯度变化(Wang S,HuB,Du Y.Sound absorption of periodically cavities with gradient changes ofradii and distances between cavities in a soft elasticmedium.Appl.Acoust.2020,170:107501.)。而在高静压下，这种较软的硅橡胶吸声覆盖层在受到挤压后，其形状、材料参数发生改变，将导致吸声性能受到较大影响。(3)采用横向排列的梯度变化复合材料棒(Qu S,Gao N,Tinel A,Morvan B,Romero-García V,Groby J,Shen P.Underwater metamaterial absorber with impedance-matchedcomposite.Sci.Adv.2022,8(20):eabm4206.)。尽管棒长呈梯度变化的排列设计使得该结构在4kHz-20kHz的宽频带具有较高的吸声系数，但4kHz以下的吸声能力较弱，低频范围的吸声性能亟待提升。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种内嵌平行板的复合材料宽带耐压吸声覆盖层，解决了在宽频带范围兼具高吸声性能且耐静水压力的技术难题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种内嵌平行板的复合材料宽带耐压吸声覆盖层，该吸声覆盖层包括：吸声层、平行板和基层；所述吸声层和平行板固定形成一个单元，所述多个单元设置在同一个水平面上形成周期性结构；在所述周期性结构的下底面设有基层，形成一体结构。

优选的，所述吸声层、平行板、基层和周期性结构皆为长方体板状结构。

优选的，所述吸声层为复合材料；所述平行板的材料为塑料；所述基层的材料为钢。

优选的，所述复合材料为丁苯橡胶与铅粉混合而成，两组分的配比为4：1；其中丁苯橡胶的密度为1.039kg/m

优选的，所述塑料为酚醛树脂塑料，密度为1220kg/m

优选的，所述钢为304不锈钢，密度为7890kg/m

优选的，所述平行板的上底面与所述吸声层的上底面共面；所述平行板的下底面与所述吸声层的下底面共面。

优选的，所述吸声层的厚度为30mm，所述平行板的厚度为5mm，所述基层的厚度为8mm，所述周期性结构的厚度为100mm。

本发明的有益效果是：

(1)在声波正入射到吸声层中时，能够在平行板表面激发剪切波，在吸声层中产生剪切形变，让声波得到更高的衰减，从而提高中低频的吸声系数。

(2)在复合材料中内嵌的平行板与吸声层上、下表面(迎声面、基层接触面)齐平，能够在一定程度上抵御吸声覆盖层在静水压条件下的形变和物理参数的改变，避免了静水压力对覆盖层吸声性能产生的较大影响。

(3)制备本发明所采用的材料为丁苯橡胶、铅粉和酚醛树脂均为自然界中常见或广泛制造的人工材料，制作工艺简单，可设计性强，并且重量小，具有轻便的优点。

(4)本发明兼具宽频带、高吸声、耐静水压、轻便、制作容易、可设计性强的显著优点，适用于水下低频宽带减振降噪方面的应用。

附图说明

图1本发明一种内嵌平行板的复合材料宽带耐压吸声覆盖层截段结构示意图。

图2实施例1中本发明与其他不同吸声覆盖层吸声系数曲线对比图。

图3实施例2中本发明在不同静水压条件下的吸声系数曲线对比图。

图4实施例2中与对比文件1中吸声覆盖层在不同静水压条件下的吸声系数曲线对比图。

图5为实施例2中与对比文件2中吸声覆盖层在不同静水压条件下的吸声系数曲线对比图。

图中：1、吸声层，2、基层，3、平行板。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点更加明显易懂，下面结合附图对本发明做进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种内嵌平行板的复合材料宽带耐压吸声覆盖层，该吸声覆盖层包括：吸声层1、基层2和平行板3；所述吸声层1和平行板3固定形成一个单元，所述多个单元设置在同一个水平面上形成周期性结构；在所述周期性结构的下底面设有基层2，模拟的水下结构体的外壳，通过粘合剂粘合在一起，并经过一体冷压成型。所述吸声层1、平行板3、基层2和周期性结构皆为长方体板状结构。其中所述平行板3的上底面与所述吸声层1的上底面共面，为迎声层；所述平行板3的下底面与所述吸声层1的下底面共面。所述吸声层1的厚度为30mm，所述平行板3的厚度为5mm，所述基层2的厚度为8mm，所述周期性结构的厚度为100mm。

材料方面，所述吸声层1为丁苯橡胶与铅粉混合而成，两组分的配比为4：1；其中丁苯橡胶的密度为1.039kg/m

实施例1

首先，为了直观说明本发明内嵌平行板的复合材料宽带耐压吸声覆盖层在吸声效果方面的优势，将本发明的吸声性能与纯橡胶材料吸声覆盖层、纯复合材料吸声覆盖层、以及内嵌平行板的橡胶材料吸声覆盖层的吸声性能进行对比，上述4种情况的吸声覆盖层厚度都为100mm，基层2为8mm钢板，入射端介质为水，基层2为刚硬边界，经过基层2后的出射端介质为空气。对于纯橡胶材料吸声覆盖层，其中没有内嵌的平行板3，由纯橡胶材料丁苯橡胶组成；对于纯复合材料吸声覆盖层，其中没有内嵌的平行板3，基体介质由与本发明内嵌板结构的复合材料宽带耐压吸声覆盖层相同配比的丁苯橡胶和铅粉调配得到的复合材料组成；对于内嵌平行板3的橡胶材料吸声覆盖层，是在纯丁苯橡胶材料中内嵌等间距平行排列的酚醛树脂塑料板，内嵌的平行板3分布与本发明内嵌平行板的复合材料宽带耐压吸声覆盖层中的分布相同。

图2展示了4种情况的吸声覆盖层在1-8000Hz频带范围内吸声特性的对比结果。对于本发明内嵌平行板3的复合材料吸声覆盖层纯复合材料吸声覆盖层，其在1kHz、2kHz、3kHz、4kHz、5kHz、6kHz、7kHz、8kHz频率处出现了一系列吸收峰，吸收峰的峰值都在0.8以上，半吸声频带范围的频率下限低至500Hz。将本发明与另外三种情况对比得到，一方面，对比本发明内嵌平行板3的复合材料吸声覆盖层与纯复合材料吸声覆盖层的吸声曲线可看到，两者的吸收峰频率相对应，而本发明中内嵌了平行板3后，吸收峰的峰值升高，使得吸声性能显著提升；另一方面，将本发明与纯丁苯橡胶吸声覆盖层和内嵌平行板3的纯丁苯橡胶吸声覆盖层作对比，尽管在内嵌平行板3之后的丁苯橡胶吸声覆盖层的吸声系数在整个频带范围内都有提升，但以复合材料作为基体介质材料后，吸声覆盖层在1kHz左右的低频范围吸声能力得到进一步提升。综上可以说明，本发明内嵌平行板3的复合材料吸声覆盖层不仅具有良好的中高频吸声特性，并且兼具一定的低频段吸声能力，可以说明本发明是一种具有宽带高吸声优点的吸声覆盖层。

实施例2

接下来以实例说明在静水压条件下，不同静水压对本发明中内嵌平行板3的复合材料吸声覆盖层吸声性能的影响。分别考察以下3种情况下的本发明内嵌平行板3的复合材料吸声覆盖层的吸声性能，分别为：(i)0MPa；(ii)1MPa；(iii)3MPa；(iv)5MPa。需要特别说明的是，吸声覆盖层的参数，包括几何参数如材料厚度、背衬厚度等参数以及物理参数如密度、模量等参数都不改变。图3给出了上述4种情况下的内嵌平行板的吸声覆盖层吸声系数对比结果。

从图3可以看到在不同静水压力的条件下，4条曲线的形状趋势在4kHz以下中低频吸声频带范围较为接近，但在4kHz以上中高频范围的4条曲线存在很大差别。可以看出，随着静水压力增加，中高频吸声系数总体呈下降趋势，但中低频范围的吸声系数受静水压变化的影响程度较小。为了直观展示本发明内嵌平行板3的复合材料吸声覆盖层优越的耐静水压特性，本实施例中给出了以往学者设计的两种吸声覆盖层在静水压条件下的吸声性能——对比文件1：张冲，何世平，易少强.静压下球形空腔吸声覆盖层的建模与性能分析.船舶力学.2017,21(1).，对比文件2：董文凯，陈美霞.静压下考虑腔压的吸声覆盖层吸声性能分析.中国舰船研究.2022,17(1).。两种吸声覆盖层在静压下吸声系数曲线分别如图4和图5中所示。可以看到，两种吸声覆盖层在整个频带范围内的吸声系数都剧烈衰减，对比文件1在5MPa条件下的峰值从0.67下降到了0.46，下降幅度高达31％，使得低频吸声性能急剧下降；对比文件2在2.5MPa条件下的吸收峰从4.5kHz移动到了8kHz，这同样导致低频吸声性能急剧下降。相比之下，本发明内嵌平行板的复合材料吸声覆盖层的具有较为优异的耐静水压特性，低频段吸声性能几乎不受静水压力影响，这为水下吸声覆盖层在深海的应用提供了一种可行性方案。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所设计镜头的举例，而并非对实施方式的限定；对于所属技术领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动；这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举；而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。