一种含膜结构的水下吸声超材料及制备方法、水下航行器

本发明属于水下吸声，具体涉及一种含膜结构的水下吸声超材料及制备方法、水下航行器。

背景技术：

1、随着水下声通讯技术的发展，声信号传输路径调控、解决水声信号之间的干扰方面的需求不断增加。

2、现有技术中，水下吸声结构的主要类型包括空腔谐振型、阻抗渐变型和局域共振型。对于空腔谐振型和阻抗渐变型的吸声结构而言，由于在相同频率下，水中声波波长是空气中的四倍以上，因此无法通过较小尺寸的结构吸收较大波长的声波。而对于局域共振型的吸声结构，虽然其在低频范围的吸声系数较高，但中频的吸声系数会有所下降，形成吸声谷，无法实现水下声波的宽频吸收。

3、声学超材料是近些年来新兴的一种人工周期性复合结构，可以实现用较小的结构尺寸控制大波长的声波。现有的声学超材料主要包括阻碍声波传播的负动态质量密度超材料和负动态模量超材料以及动态质量密度和动态模量均为负值的“双负”超材料。薄膜结构超材料是近几年发展的声学超材料，通过在张紧的薄膜中心处放置质量块，当声波入射到膜结构超材料表面时，会引起膜的振动，膜的张力起到弹簧的作用，因此膜和附加质量块就构成了质量-弹簧结构，可以在低频时造成负的动态密度现象。薄膜结构超材料存在强度差、共振强度不够高、与水介质阻抗失配等缺点，目前以膜结构声学超材料解决问题的应用都集中在空气介质，而无法真正作为水下吸声材料。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种含膜结构的水下吸声超材料及制备方法、水下航行器，解决了现有技术中膜结构声学超材料存在强度差、共振强度不够高、与水介质阻抗失配等缺点导致无法真正作为水下吸声材料的问题。

2、本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

3、本发明提供了一种含膜结构的水下吸声超材料，包括依次层叠的弹性盖板、弹性层和阻尼层，弹性层上开设第一通孔，第一通孔的内壁套设有铅环，铅环的外径与通孔的孔径相配合。

4、进一步地，弹性盖板、弹性层和阻尼层均橡胶圆柱体。

5、进一步地，上述含膜结构的水下吸声超材料的直径为50～65mm，厚度为40～100mm。

6、进一步地，弹性盖板、弹性层和阻尼层的厚度比为0.9～1.2：0.9～1.2：1.9～2.1。

7、进一步地，弹性盖板、弹性层和阻尼层的厚度比为1：1：2。

8、进一步地，弹性盖板的厚度为10～25mm，弹性层的厚度为10～25mm，阻尼层的厚度为20～50mm。

9、进一步地，铅环的外径为16～24mm。

10、进一步地，铅环的内径为14～22mm。

11、进一步地，铅环与弹性层的圆心距为8～12mm。

12、进一步地，上述水下吸声超材料还包括设于铅环内的环内铅柱。

13、进一步地，上述环内铅柱的直径为4～8mm。

14、进一步地，上述弹性层上开设第二通孔，环外铅柱设于第二通孔内。

15、进一步地，环外铅柱的直径为2～8mm。

16、进一步地，环外铅柱与弹性层的圆心距为10～20mm。

17、本发明还提供了一种水下航行器，包括外壳(例如，钢背衬)以及覆盖于外壳表面的超材料，该超材料为上述含膜结构的水下吸声超材料。

18、本发明还提供了一种水下吸声超材料的制备方法，包括如下步骤：

19、步骤1：通过机加工或3d打印的方式加工得到树脂基或金属基的盖板模具和弹性阻尼复合模具；

20、步骤2：将盖板原料浇注到盖板模具中，得到盖板，将弹性层和阻尼层原料浇注到弹性阻尼复核模具中，得到弹性层和阻尼层复合结构；

21、步骤3：在弹性层上开设第一通孔，将铅环放入第一通孔内；

22、步骤4：采用粘接剂对弹性盖板与弹性层进行粘接，得到水下吸声超材料。

23、进一步地，当上述水下吸声超材料包括环内铅柱时，上述步骤3中，将铅环放入第一通孔内之后还包括如下步骤：

24、将环内铅柱放入铅环内。

25、进一步地，当上述水下吸声超材料包括环外铅柱时，上述步骤3还包括如下步骤：

26、在弹性层上开设第二通孔，将环外铅柱放入第二通孔内。

27、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

28、a)本发明提供的含膜结构的水下吸声超材料是一种高效水下吸声材料，一方面，弹性层内的铅环、弹性盖板与铅环内空气相接触的部分以及阻尼层与铅环内空气相接触的部分构成膜结构，将可以产生负质量密度的膜结构引入到传统水下吸声结构中，利用超材料对声波异常作用，有效的提高了低频吸声性能，拓宽了吸声频带，实现了低频宽频声波的高效吸收；另一方面，弹性盖板、弹性层和阻尼层均为弹性材料，其对水下声波具有阻尼特性，也能够实现对水下声波的宽频吸收。

29、b)本发明提供的含膜结构的水下吸声超材料，利用声学超材料，能够以较小尺寸控制较大波长声波的特性，有效减小了结构尺寸，解决了传统水下吸声结构普遍存在的低频吸声性能低、吸声频带窄、尺寸过厚的问题，原料易得，制备工艺成熟，实施可行性高。

30、c)本发明提供的含膜结构的水下吸声超材料，经过测试，上述含膜结构的水下吸声超材料在1000hz-10000hz内的吸声系数大于0.65，除了1500-2300hz以外，1000hz-10000hz内的吸声系数均大于0.7。这说明上述含膜结构的水下吸声超材料在十分宽泛的频率范围内有较高的吸声系数和良好的隐身性能，连续性好，无吸声谷出现。

31、d)本发明提供的含膜结构的水下吸声超材料，通过环内铅柱的设置，一方面，能够对于铅环内空腔对应的部分弹性盖板和部分阻尼层进行有效支撑，避免在静水压力过大时，铅环内的空腔向内塌陷，从而能够保证吸声系数的稳定性；另一方面，声波进入水下吸声超材料后，铅柱能够产生往复震动，起到弹簧的作用，从而能够调节水下吸声超材料的整体阻抗，使得声波能够更容易传播到水下吸声超材料的内部。

32、e)本发明提供的含膜结构的水下吸声超材料，一方面，通过环外铅柱能够对铅环以外的部分弹性层、部分弹性盖板和部分阻尼层进行有效支撑，从而能够进一步避免在静水压力过大时，弹性层的变形，从而能够保证吸声系数的稳定性；另一方面，声波进入水下吸声超材料后，环外铅柱也能够调节水下吸声超材料的整体阻抗，使得声波能够更容易传播到水下吸声超材料的内部。

33、本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

技术特征：

1.一种含膜结构的水下吸声超材料，其特征在于，包括依次层叠的弹性盖板、弹性层和阻尼层，所述弹性层上开设第一通孔，所述第一通孔的内壁套设有铅环，所述铅环的外径与通孔的孔径相配合。

2.根据权利要求1所述的含膜结构的水下吸声超材料，其特征在于，所述水下吸声超材料的直径为50～65mm，厚度为40～100mm。

3.根据权利要求1所述的含膜结构的水下吸声超材料，其特征在于，所述弹性盖板、弹性层和阻尼层的厚度比为0.9～1.2：0.9～1.2：1.9～2.1。

4.根据权利要求1所述的含膜结构的水下吸声超材料，其特征在于，所述弹性盖板的厚度为10～25mm，所述弹性层的厚度为10～25mm，所述阻尼层的厚度为20～50mm。

5.根据权利要求1所述的含膜结构的水下吸声超材料，其特征在于，还包括设于铅环内的环内铅柱。

6.根据权利要求5所述的含膜结构的水下吸声超材料，其特征在于，所述环内铅柱的直径为4～8mm。

7.根据权利要求1所述的含膜结构的水下吸声超材料，其特征在于，所述弹性层上开设第二通孔，环外铅柱设于第二通孔内。

8.根据权利要求7所述的含膜结构的水下吸声超材料，其特征在于，所述环外铅柱的直径为2～8mm。

9.一种水下航行器，其特征在于，包括外壳以及覆盖于外壳表面的超材料，所述超材料为如权利要求1至8所述的含膜结构的水下吸声超材料。

10.一种水下吸声超材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种含膜结构的水下吸声超材料及制备方法、水下航行器，属于水下吸声技术领域，解决了现有技术中膜结构声学超材料存在强度差、共振强度不够高、与水介质阻抗失配等缺点导致无法真正作为水下吸声材料的问题。该水下吸声超材料，包括依次层叠的弹性盖板、弹性层和阻尼层，弹性层上开设第一通孔，第一通孔的内壁套设有铅环，铅环的外径与通孔的孔径相配合。上述含膜结构的水下吸声超材料及制备方法可用于水下吸声。

技术研发人员：元旭津,孙英剑
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11