一种水下吸声超构材料
1.本发明属于水下吸声技术领域，具体涉及一种水下吸声超构材料。
背景技术：
2.为提升水下隐蔽性和生存能力，水下装备通常需要在其表面敷设一层声学覆盖层，以隔绝自身噪声向外辐射，同时通过吸声主动声纳的声波降低自身的声目标强度。内含孔腔的吸声覆盖层聚合物是低频吸声的主要结构之一，以alberich型结构为典型代表，其在聚合物材料内部分布有若干层周期性排布的圆柱形孔腔，且每一层的孔腔大小和分布均不一样，聚合物采用特性阻抗与水相近的橡胶或者聚氨酯以实现阻抗匹配，使得声波能够最大限度的进入吸声材料内部，从而实现宽频带的有效吸声。但由于谐振孔腔的吸声频率近似与孔腔体积的立方根成反比，因此低频吸声往往需要大尺度的孔腔才能实现，并且圆柱孔腔也存在共振吸声频率较窄的缺点。“倒喇叭”外形的孔腔兼具阻抗渐变和谐振吸声的优点，可以进一步拓展宽带吸声效果。在聚合物内部引入局域共振单元可以有效实现低频高效吸声，作用频率可降低至1khz甚至更低，可以对抗低频主动声纳的探测威胁。
3.然而，当前吸声覆盖层通常将橡胶聚合物材料直接裸露在海洋环境中，一方面需要直接承受高静水压力，导致聚合物内部的孔腔发生变形，吸声性能下降；并且当聚合物内部的孔腔尺寸较大时，还易导致变形集，反复变形将导致吸声覆盖层外形的不规则变化，增加航行阻力。另一方面，暴露于海水中的聚合物更要经受经年累月的海水冲刷，可导致腐蚀损坏，严重时甚至将导致吸声覆盖层脱落，使其失去声学保护作用。
技术实现要素：
4.本发明的目的是提供一种水下吸声超构材料，采用低吸水率纤维增强树脂面板将聚合物与海水隔绝，解决传统含孔腔聚合物直接暴露于海洋环境、承受水压时聚合物局域变形大导致表面不平整和声学性能下降的技术问题，同时保持良好的低频宽带吸声性能。
5.为达到上述目的，解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
6.本发明提出一种水下吸声超构材料，包括周期性排布的元胞，元胞为夹层三明治结构，沿声波入射传播方向，上下两层为低吸水率纤维增强树脂面板，中间为内嵌孔腔和高密度质量块的高阻尼聚合物，高阻尼聚合物内部包含上下两个圆柱孔腔，高密度质量块位于两个孔腔之间且不与孔腔直接相连，上层孔腔的直径低于下层孔腔的直径，且两者均大于高密度质量块的直径，质量块的高度与上下两个孔腔间的间距之比为0.8～0.9。
7.进一步的，高阻尼聚合物内部的孔腔及高密度质量块在水平方向上位于元胞的中心，并沿声波入射方向轴对称分布于元胞的纵向轴线上。
8.进一步的，元胞中高阻尼聚合物的高度为50mm，采用改性橡胶或改性聚氨酯制成，弹性模量为20～30mpa，各向同性损耗因子为0.5～0.6。
9.进一步的，上下两层低吸水率纤维增强树脂面板厚度为1～2mm，采用连续玻璃纤维增强不饱和乙烯基树脂材料制成。
10.本发明的有效收益如下：
11.1.本发明提出的一种水下吸声超构材料，采用低吸水率的纤维增强树脂面板隔绝阻尼聚合物与海水的直接接触，增强了吸声覆盖层的耐海洋腐蚀及耐冲刷性能，同时低吸水率可以减小海水渗透，提高材料的服役性能，增加服役时间。
12.2.本发明提出的一种水下吸声超构材料，采用孔腔-质量块-孔腔的组合实现低频宽带吸声性能，特别是通过控制质量块端面与上下孔腔断面之间的距离，有效提升了低频吸声性能。
13.3.本发明提出的一种水下吸声超构材料，在钢背衬和水背衬条件下均具有良好的宽频吸声性能，为水下吸声材料提供了新的选择。
14.4.本发明提出的一种水下吸声超构材料，元胞结构简单、原材料易得、易于制备，元胞单元参数可设计性强，可以灵活调整超构材料的吸声性能，满足轻质和低频宽带吸声的一体化需求。
附图说明
15.图1是耐海洋环境水下吸声超构材料的单胞示意图，
16.图2是耐海洋环境水下吸声超构材料的单胞示中心轴对称剖面视图
17.其中：1-上层低吸水率纤维增强树脂面板；2-吸声聚合物；3-上层孔腔；4-高密度质量块；5-下层孔腔；6-下层低吸水率纤维增强树脂面板。
18.图3是实施例1中纤维增强树脂面板厚度分别为1mm的水下吸声超材料在1～10khz的吸收、反射和透射率。
19.图4是实施例1中纤维增强树脂面板厚度分别为2mm的水下吸声超材料在1～10khz的吸收、反射和透射率。
20.图5是实施例1中水下吸声超构材料与夹层阻尼聚合物材料的吸收率的对比曲线。
21.图6是实施例2中纤维增强树脂面板厚度分别为2mm的水下吸声超材料在1～10khz的吸收、反射和透射率。
22.图7是实施例2中水下吸声超构材料与夹层阻尼聚合物材料的吸收率的对比曲线。
具体实施方式
23.本发明旨在提供一种水下吸声超构材料，采用孔腔-质量块-孔腔的吸声组合形式，通过调节上下孔腔直径和高度参数以及质量块端面与上下孔腔断面之间的距离，实现低频宽带吸声性能，同时采用低吸水率纤维增强树脂面板增强了耐海洋腐蚀及耐冲刷能力，可用于钢质背衬或者两端均为水背衬的环境。
24.为了更好地理解本发明，下面结合附图及实施例对本发明进行详细的解释和说明。
25.本发明提供一种水下吸声超构材料，包括周期性排布的元胞，元胞为夹层三明治结构，沿声波入射传播方向，上下两层为低吸水率纤维增强树脂面板，中间为内嵌孔腔和高密度质量块的高阻尼聚合物，高阻尼聚合物内部包含上下两个圆柱孔腔，高密度质量块位于两个孔腔之间且不与孔腔直接相连，上层孔腔的直径低于下层孔腔的直径，且两者均大于高密度质量块的直径，质量块的高度与上下两个孔腔间的间距之比为0.8～0.9。
26.进一步的，采用上层孔腔直径小、长度大，下层孔腔直径大、厚度小的孔腔组合形式，可以实现吸声聚合物内部的阻抗梯度变化并增加孔腔对声波的散射、波形转换作用，不同共振吸声频率也有助于提升吸声频带。本发明还将质量块端面与上下孔腔断面之间的距离控制在较小的数值，而孔腔的存在又等效于降低了端面处聚合物的弹性模量，从而增强了质量块的共振作用，增加了共振频率处上下振动的位移和能量的损耗，从而提升了超构材料的低频吸声性能。
27.进一步的，高阻尼聚合物内部的孔腔及高密度质量块在水平方向上位于元胞的中心，并沿声波入射方向轴对称分布于元胞的纵向轴线上。
28.进一步的，元胞中高阻尼聚合物的高度为50mm，采用改性橡胶或改性聚氨酯制成，弹性模量为20～30mpa，各向同性损耗因子为0.5～0.6。
29.进一步的，上下两层低吸水率纤维增强树脂面板厚度为1～2mm，采用连续石英纤维或者玻璃纤维增强不饱和乙烯基树脂材料制成。常规玻纤增强环氧等材料的大吸水率特性，长期使用渗透而入的海水将加速聚合物材料或者金属材料的腐蚀，而影响吸声材料的性能和使用寿命。本发明采用的不饱和乙烯基树脂具有明显的憎水性，在具有良好的力学性能和透声性能的基础上，可以有效降低树脂面板的吸水率，并且易于采用真空成型工艺制备不同厚度的树脂面板。石英纤维或者玻璃纤维增强不饱和乙烯基树脂面板还具有较好的刚性，可以使水的压力载荷较为均为的作用于元胞上，从而避免了纯聚合物元胞在高水压下被压塌的情况。
30.综上是本发明的具体实施方式。现有技术中，吸声聚合物内部的孔腔包括圆柱形、锥形或者喇叭型孔腔及其组合形式，但其孔腔尺寸是根据钢质背衬条件进行设计和优化，在低频宽带吸声性能仍存在较大局限，而且其表面无面板保护，使用时需要贴敷在钢质外壳表面。本发明提出的耐海洋环境水下吸声超构材料，重点针对两端均为水背衬的条件对吸声结构进行设计，采用了低吸水率的纤维增强树脂面板对阻尼聚合物进行防腐蚀保护，在吸声结构设计上采用上层小直径大长度孔腔、下层大直径小厚度孔腔组合形式，同时通过减小质量块端面与上下孔腔端面之间的距离，以增强质量块的共振作用，从而获得了良好的低频宽带吸声性能，该吸声结构在钢质背衬也具有优异的低频宽带吸声性能。本发明提出的耐海洋环境水下吸声超构材料结构简单、原料易得、制备工艺成熟，孔腔等几何参数可设计性强，因此实施可行性高。下面给出利用本发明具体实施的两个例子。
31.实施例1
32.元胞边长为48mm，阻尼聚合物厚度为50mm，密度为960g/cm3，杨氏模量为20mpa，泊松比0.49，等效各向同性损耗因子为0.6。上下两层纤维增强树脂面板的厚度相同，其弹性模量为20gpa，泊松比0.15，密度为1600g/cm3。水特征密度为1000kg/m3，声速1500m/s。下层孔腔底面离面板的距离为3.6mm，半径为14mm，高度为2.4mm；上层孔腔的底面离下层面板的距离为12.5mm，半径为2mm，高度为26.25mm；质量块材质为钢，半径为1.8mm，高度为5.33mm，其上下端面离上下孔腔端面的距离分别为0.585mm。
33.通过有限元方法分析了周期性元胞结构在声波入射端和出射端均为水背衬环境下的声学性能。图3和图4是实施例1中纤维增强树脂面板厚度分别为1mm和2mm时水下吸声超材料在1～10khz的吸收、反射和透射率。可以看出，面板厚度为1mm时，吸声超构材料在3～10khz频率范围内声波吸收率均大于0.74，并且1～3khz频率范围内的平均吸收系数为
0.53；面板厚度为2mm时，吸声超构材料在3～10khz频率范围内声波吸收率均大于0.75，并且1～3khz频率范围内的平均吸收系数为0.45，说明具有良好的低频宽带吸声效果。图5是吸声超构材料与阻尼聚合物材料的吸收率的对比曲线。可以看出，纯阻尼聚合物在6khz以上的高频具有很好的吸声性能，但是在低频吸声系数较小，对比可知本发明中采用2mm低吸水率纤维增强树脂面板对阻尼聚合物的吸声性能影响很小，说明了其具有良好的透声性能，同时有利于增加水下吸声超材料的耐水压能力；通过吸声结构设计，显著提升了低频，特别是2khz～6khz频段范围内的吸收率，说明本发明提出的水下吸声超材料具有良好的低频宽带吸声性能。
34.实施例2
35.元胞边长为48mm，阻尼聚合物厚度为50mm，密度为960g/cm3，杨氏模量为30mpa，泊松比0.49，等效各向同性损耗因子为0.5。上下两层纤维增强树脂面板的厚度相同，其弹性模量为20gpa，泊松比0.15，密度为1600g/cm3。水特征密度为1000kg/m3，声速1500m/s。下层孔腔底面离面板的距离为1mm，半径为15mm，高度为1.4mm；上层孔腔的底面离下层面板的距离为12.5mm，半径为1.5mm，高度为16mm；质量块材质为钢，半径为0.75mm，高度为8mm，其上下端面离上下孔腔端面的距离分别为1mm。
36.通过有限元方法分析了周期性元胞结构在声波入射端和出射端均为水背衬环境下的声学性能。图6是实施例2中纤维增强树脂面板厚度分别为2mm时水下吸声超材料在1～10khz的吸收、反射和透射率。可以看出，吸声超构材料在3～10khz频率范围内声波吸收率均大于0.85，并且1～3khz频率范围内的平均吸收系数为0.67，说明具有良好的低频宽带吸声效果。图7是吸声超构材料与夹层阻尼聚合物材料的吸收率的对比曲线。可以看出，纯阻尼聚合物在6khz以上的高频具有很好的吸声性能，但是在低频吸声系数较小，通过吸声结构设计，显著提升了低频，特别是2.5khz～6.5khz频段范围内的吸收率，说明本发明提出的水下吸声超材料具有良好的低频宽带吸声性能。综合而言，本发明提出的水下吸声超材料具有良好的轻质与低频宽带吸声一体化性能。
技术特征：
1.一种水下吸声超构材料，其特征在于，包括周期性排布的元胞，元胞为夹层结构，沿声波入射传播方向，上下两层为低吸水率纤维增强树脂面板，中间为内嵌孔腔和高密度质量块的高阻尼聚合物，所述高阻尼聚合物内部包含上下两个圆柱孔腔，高密度质量块位于两个孔腔之间且不与孔腔直接相连；所述上层孔腔的直径低于下层孔腔的直径，且两者均大于高密度质量块的直径，所述高密度质量块的高度与上下两个孔腔间的间距之比为0.8～0.9。2.根据权利要求1所述的一种水下吸声超构材料，其特征在于，上层孔腔直径小、长度大，下层孔腔直径大、厚度小的孔腔组合形式，能够实现吸声聚合物内部的阻抗梯度变化并增加孔腔对声波的散射、波形转换作用，不同共振吸声频率也有助于提升吸声频带。3.根据权利要求1所述的一种水下吸声超构材料，其特征在于，所述高阻尼聚合物内部的孔腔及高密度质量块在水平方向上位于元胞的中心，并沿声波入射方向轴对称分布于元胞的纵向轴线上。4.根据权利要求1所述的一种水下吸声超构材料，其特征在于，元胞中高阻尼聚合物的高度为50mm，采用改性橡胶或改性聚氨酯制成，弹性模量为20～30mpa，各向同性损耗因子为0.5～0.6。5.根据权利要求1所述的一种水下吸声超构材料，其特征在于，上下两层低吸水率纤维增强树脂面板厚度为1～2mm，采用连续玻璃纤维增强不饱和乙烯基树脂材料制成。
技术总结
本发明公开一种水下吸声超构材料，属于水下吸声技术领域。水下吸声超构材料包括周期性排布的元胞，元胞为夹层结构，沿声波入射传播方向，上下两层为低吸水率纤维增强树脂面板，中间为内嵌孔腔和高密度质量块的高阻尼聚合物，高阻尼聚合物内部包含上下两个圆柱孔腔，高密度质量块位于两个孔腔之间且不与孔腔直接相连；上层孔腔的直径低于下层孔腔的直径，且两者均大于高密度质量块的直径，高密度质量块的高度与上下两个孔腔间的间距之比为0.8～0.9。本发明的水下吸声超构材料元胞结构简单、原材料易得、易于制备，元胞单元参数可设计性强，可以灵活调整超构材料的吸声性能，满足轻质和低频宽带吸声的一体化需求。质和低频宽带吸声的一体化需求。质和低频宽带吸声的一体化需求。
