一种阻尼层修饰的水下吸声内插管式亥姆霍兹共鸣腔结构的制作方法

本发明属于声学超材料技术领域，具体涉及一种阻尼层修饰的水下吸声内插管式亥姆霍兹共鸣腔结构。

背景技术：

声学超材料是一种人工周期性复合结构，具有不同于天然材料的超常规声学特性，如声聚焦、负折射、单向透射、声隐身等。此外，深亚波长尺度结构对低频声波的完美吸收也是声学超材料的重要特殊性质之一。在空气声学中，通过空间缠绕或层级穿孔的结构设计，可以实现基于亥姆霍兹共振原理的完美吸收。通过具有不同几何参数的多个单元的并行连接，其中一些结构也表现出宽频带吸收能力。

但在水声学中，由于水的近似不可压缩性和相对较小的粘性，依赖于空气的粘性能量耗散的超材料将不再适用。此外，在相同频率下，水中的声波波长是空气的4倍以上，这使得通过小尺寸结构实现低频的完全吸收变得更加困难。

而传统的水下吸声材料/结构，例如具有周期性排布的空腔的吸声覆盖层、局域共振型声子晶体、阻抗渐变型吸声覆盖层等材料/结构，其基体大多为橡胶或聚氨酯，实际工作时需粘贴在水下装备的钢制外壳上，一方面增加了结构重量，另一方面承载性能较差，在深水载荷作用下易发生变形，从而削弱其吸声性能。综合来看，上述结构普遍存在低频吸声性能不佳、质量较重、承载性能差的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种阻尼层修饰的水下吸声内插管式亥姆霍兹共鸣腔结构，解决传统水下吸声结构在普遍存在低频吸声性能不佳、质量较重、承载性能差的问题。

本发明采用以下技术方案：

一种阻尼层修饰的水下吸声内插管式亥姆霍兹共鸣腔结构，包括腔体，腔体的内壁设置有阻尼内衬层，腔体的一端中心开有孔，孔内设置有内插管，另一端与水下装备连接，内插管和腔体焊接或胶接方式连接构成阻尼层修饰的水下吸声内插管式亥姆霍兹共鸣腔结构。

具体的，腔体的高度为30～50mm，内插管的长度为25～35mm。

具体的，腔体的形状为圆柱型、长方体型、六棱柱型或不规则形，采用结构钢制成。

具体的，腔体的直径为32～50mm。

具体的，内插管的直径为2.5～4mm。

具体的，阻尼内衬层厚度为2～4mm。

具体的，阻尼内衬层采用粘弹性材料制成。

进一步的，腔体的厚度为相应完美吸声波长的1/333～1/104。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种阻尼层修饰的水下吸声内插管式亥姆霍兹共鸣腔结构，内插管通过焊接或胶接与腔体上的开孔相连，内插管的设置将使腔体内部与外部连通，水通过内插管流入腔体单元内部，形成亥姆霍兹共振腔，并在共振腔的壁面上粘贴阻尼内衬层，改善了结构的声阻抗特性，提高了结构的低频吸声性能。钢制腔体结构在实现良好的低频水下吸声性能的前提下，减轻了结构重量，保证了结构承载性能，解决了传统水下吸声结构在普遍存在低频吸声性能不佳、质量较重、承载性能差的问题。

进一步的，腔体的高度为30～50mm，腔体的高度决定了共振腔体的尺寸，改变腔体高度可以调整结构的吸声频带，内插管的长度为25～35mm，内插管的长度决定了穿孔内水柱的高度，控制着结构的共振吸声特性。

进一步的，腔体由结构钢制成，形状为圆柱型、长方体型、六棱柱型或不规则形，腔体侧壁用于承受压缩载荷，上表面开有一个小孔，下表面固定在需要声学处理的水下装备上，结构钢的应用使结构具有良好的承载性能。

进一步的，腔体的直径为32～50mm，腔体作为亥姆霍兹共振腔，起到了声容的作用，通过调整腔体的直径，可以控制结构的峰值吸声频率。

进一步的，内插管的直径为2.5～4mm，内插管的直径决定了管内水柱的直径，通过调节内插管直径可以改变结构的亥姆霍兹共振特性，从而调节结构的吸声性能。

进一步的，阻尼内衬层厚度为2～4mm，阻尼内衬层的厚度决定了额外增加的声阻和声容的大小，对结构的声阻抗特性会产生影响，通过合理设计可以实现特定频率的优异吸声效果。

进一步的，阻尼内衬层由橡胶或聚氨酯等粘弹性材料制成，粘贴于腔体内壁上，阻尼内衬层的粘贴为亥姆霍兹共鸣腔提供了额外的声阻和声容，改善了结构的阻抗特性，有利于实现结构的低频水下吸声。

综上所述，本发明具有优异的低频吸声性能以及良好的承载性能和轻量化性能。在设计方面具有更多的可调结构参数，可根据实际工况需求进行相应调节，结构简单，易于制造。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明结构示意图，其中，(a)为立体图，(b)为剖视图；

图2为本发明三个实施例在0～500hz内的吸声系数示意图。

其中：1.腔体；2.内插管；3.阻尼内衬层。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种阻尼层修饰的水下吸声内插管式亥姆霍兹共鸣腔结构，通过焊接或胶接腔体1和内插管2，形成亥姆霍兹共振腔，并在共振腔的壁面上粘贴阻尼内衬层3，改善了结构的声阻抗特性，提高了结构的低频吸声性能。钢制腔体结构在实现良好的低频水下吸声性能的前提下，减轻了结构重量，保证了结构承载性能，解决了传统水下吸声结构在普遍存在低频吸声性能不佳、质量较重、承载性能差的问题。

请参阅图1，本发明一种阻尼层修饰的水下吸声内插管式亥姆霍兹共鸣腔结构，包括腔体1、内插管2和阻尼内衬层3，阻尼内衬层3粘贴于腔体1的内壁，内插管2套装在腔体1内，通过焊接或胶接方式连接构成阻尼层修饰的水下吸声内插管式亥姆霍兹共鸣腔结构。

腔体1由结构钢制成，上表面开有一个小孔，下表面固定在需要声学处理的水下装备上，腔体1的直径为32～50mm，形状为圆柱型、长方体型、六棱柱型或不规则形，腔体1的高度为30～50mm。

内插管2由结构钢制成，通过焊接或胶接与腔体上的开孔相连，内插管2的长度为25～35mm，内插管2的直径为2.5～4mm。

阻尼内衬层3由橡胶或聚氨酯等粘弹性材料制成，粘贴于腔体1内壁上，阻尼内衬层3厚度为2mm～4mm。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

本发明由腔体、内插管、阻尼内衬层组成，其吸声性能主要由共鸣腔参数决定，具体包括腔体直径、腔体高度、内插管直径、内插管长度和阻尼内衬层厚度决定。承载和轻量化性能主要由腔体尺寸决定，包括腔体直径、腔体高度等。由于这些结构参数均为可调参数，所以可以通过调节实现相应的吸声、承载和轻量化性能要求。下面通过具体实施例进行对本发明技术方案进行示例性说明。

实施例用材料：

结构钢：其特征是密度7850kg/m³，杨氏模量200gpa，泊松比0.2。

橡胶：其特征是密度1100kg/m³，杨氏模量10mpa，泊松比0.49，等效各向同性损耗因子为0.3。

水：其特征是密度1000kg/m³，声速1500m/s，动力粘度系数0.00101pa·s。

实施例的结构尺寸以及材料选择：

实施例1

腔体直径32mm，腔体高度30mm，内插管直径3mm，内插管长度25mm，阻尼内衬层厚度2mm。

实施例2

腔体直径50mm，腔体高度40mm，内插管直径4mm，内插管长度30mm，阻尼内衬层厚度4mm。

实施例3

腔体直径40mm，腔体高度50mm，内插管直径2.5mm，内插管长度35mm，阻尼内衬层厚度3mm。

请参阅图2，在低频时的亥姆霍兹共振现象可以在一定频率范围内实现完美吸声。通过在共振腔内壁粘贴阻尼内衬层，改善了结构的声阻抗特性，由橡胶层提供额外的声阻和声容，形成了类亥姆霍兹共振，使本发明实现了水下的低频完美吸声。

请参阅图2，实施例1在125～180hz的吸声系数大于0.5，半吸声带宽为37％，并在150hz处达到完美吸声，吸声系数峰值为0.99，实现了对低频声波的完美吸收，此时结构厚度仅为55mm，为相应的完美吸声波长的1/333，因此该结构为一种深亚波长尺度低频完美吸声超材料；

实施例2在170～255hz的吸声系数大于0.5，半吸声带宽为40％，并在210hz处达到完美吸声，吸声系数峰值为0.99，实现了对低频声波的完美吸收，此时结构厚度仅为50mm，为相应的完美吸声波长的1/143，因此该结构为一种深亚波长尺度低频完美吸声超材料；

实施例3在290～430hz的吸声系数大于0.5，半吸声带宽为38％，并在360hz处达到完美吸声，吸声系数峰值为0.99，实现了对低频声波的完美吸收，此时结构厚度仅为40mm，为相应的完美吸声波长的1/104，因此该结构为一种深亚波长尺度低频完美吸声超材料；

从吸声系数曲线可以看出本发明可以在一定的频率范围内实现优异的低频吸声性能，并且通过不同的结构参数的设计可以实现对声学性能的调节。

本发明达到的技术效果：

1、具有优异的低频吸声性能。本发明试件在0～500hz的一定范围内，吸声系数可以达到0.5以上，半吸声带宽可达到35％以上。部分位置的吸声峰值可达到0.99以上，实现了完美吸声，厚度仅为相应的完美吸声波长的1/333～1/104，是一种深亚波长尺度水下低频完美吸声超材料。

2、具有良好的承载性能和轻量化性能。本发明的腔体由结构钢制成，该结构具有良好的耐压性能，是一种承载、轻量化的多功能结构。

3、具有更多的可调参数和变量。本发明中的腔体直径、腔体高度、内插管直径、内插管长度和阻尼内衬层厚度等均为可调参数，可以根据具体的使用场景，如对承载性能的要求或对声学性能的要求合理的进行选择调整。

4、结构简单，易于制造。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。