一种具有压电分流阻尼的水下吸声超结构

1.本发明涉及减振降噪技术领域，特别是涉及一种具有压电分流阻尼的水下吸声超结构。


背景技术：

2.声学覆盖层技术是实现水下航行器声隐身的关键，其声学特性的研究已然成为了一个热门的研究领域。随着反潜探测技术的不断发展，水下声学覆盖层向着低频，宽带吸声的研究方向发展，以满足水下航行器对提高生存能力的需求。
3.近年来，随着声学超材料这一概念的提出，涌现出许多具有特殊物理性质的声学超材料/结构；如：局域共振超材料、薄膜共振超材料、五模声学结构、声学超构表面等。但是，由于声波在水下传播的复杂性与特殊性，使声学超材料在水下吸隔声方向的应用受到限制，相对的研究较少。虽然利用声学超材料设计水下吸声结构能在低频范围获得一定的吸声效果，但获得的吸声频带较窄，且吸声峰频率较高，难以满足水下航行器对声学技术的需求。
4.综上所述，传统声学超材料由于其低频吸声效果较差、频带较窄已不能满足目前水下航行器对声学覆盖层声学性能的要求，因此，设计一种新型低频宽带的水下吸声结构具有重要意义。鉴于此，本发明提出了一种具有压电分流阻尼的水下吸声超结构。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种具有压电分流阻尼的水下吸声超结构，将压电材料贴合在与水阻抗匹配较好的材料板上，利用压电材料的正压电效应将声波激励产生的机械能转换成电能，在利用分流电路转换成热能耗散，且分流电路固有的电磁振动频率与结构共振吸声频率实现声学耦合，改善了局域共振吸声频率过窄，增强了声波在低频的耗散，以满足水下吸声结构具有良好的降噪效果，特别是针对特定频率的入射声波。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种具有压电分流阻尼的水下吸声超结构，包括：
8.阻抗匹配层，压电换能元件，共振吸声层，压电分流电路，所述压电换能元件与所述阻抗匹配层内壁固定连接，并与所述共振吸声层贴合，所述压电分流电路与所述压电换能元件电性连接。
9.优选地，所述阻抗匹配层的材料为具有结构强度的纤维强化塑料或有机高分子材料。
10.优选地，所述压电换能元件为由pzt-5h制成的方形单元，尺寸为20mm
×
20mm
×
1mm。
11.优选地，所述压电分流电路包括用于调节电磁振荡频率的电容、电感和电阻，其中，所述电容、所述电感和所述电阻与所述压电换能元件串联。
12.优选地，所述共振吸声层是尺寸为30mm
×
30mm
×
30mm，所述共振吸声层的形状与
所述阻抗匹配层的形状相适配。
13.优选地，所述共振吸声层的基体材料为粘弹性高分子材料。
14.优选地，所述共振吸声层包括刚性振子单元，所述刚性振子单元的表面包裹包覆层。
15.优选地，所述刚性振子单元由金属材料制成，所述包覆层为软硅橡胶。
16.优选地，所述刚性振子单元的形状包括球型、柱型或异构体。
17.本发明的有益效果为：
18.本发明的结构外侧的阻抗匹配层因与水阻抗匹配良好，声波更易进入结构内部；当声波激励压电片振动，声能转换成电能，进一步通过分流电路转换成热能耗散，本发明还可以通过调整电路的电磁振荡频率，使其与共振吸声层产生的共振频率相近，加强共振频率处的声能耗散，改善共振结构低频处吸声频带过窄，进而获得优异的低频宽带吸声效果。
附图说明
19.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。
20.图1为本发明实施例的一种具有压电分流阻尼的水下吸声超结构整体示意图；
21.图2为本发明实施例中结构剖面示意图；
22.图3为本发明实施例中压电换能元件俯视剖面图；
23.图4为本发明实施例中共振吸声层俯视剖面图；
24.其中，1为阻抗匹配层，2为压电换能元件，3为共振吸声层，4为刚性振子单元，5为包覆层，6为分流电路，7为电容，8为电感，9为电阻。
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.如图1，本发明实施例提供一种具有压电分流阻尼的水下吸声超结构，沿声波入射方向，主要包括阻抗匹配层1、压电换能元件2、共振吸声层3、分流电路6，如图1-2所示。
28.所述的阻抗匹配层尺寸为30mm
×
30mm
×
5mm的方形单元。考虑使水中声波更好地进入吸声结构内，阻抗匹配层材料选用与水阻抗匹配良好的材料，并具有一定结构强度，例如：玻璃钢或聚氨酯等。
29.在阻抗匹配层内壁粘贴压电换能元件，压电换能元件为方形单元，尺寸为20mm
×
20mm
×
1mm，由pzt-5h制成。
30.压电换能元件连接分流电路6，构成压电分流阻尼系统。压电分流电路6包括用于
调节电磁振荡频率的电容7、电感、电阻。其中，压电换能元件作为系统供电装置，电感、电阻、电容串联后连入电路。如图3所示为压电换能元件俯视剖面图。
31.所述共振吸声层为尺寸为30mm
×
30mm
×
30mm的方形单元，为更好地使结构在多频段实现宽频吸声，其基体材料选用吸声橡胶。共振吸声层内具有圆柱型刚性振子单元4及包覆层5。刚性振子为半径为6mm，高为16mm的圆柱单元，包覆层为半径为8mm，高为20mm的圆柱单元。其中，振子由钢制成，包覆层材质选用软硅橡胶。如图4所示为共振吸声层俯视剖面图。
32.共振吸声结构层内具有由软橡胶包覆的刚性振子，其形状可以是球型、柱型、异构体等。与压电分流阻尼系统组成了可用于水下航行器的水下吸声超结构。
33.下面，对本发明的实施方式与工作方式作进一步详细说明：
34.本实施例中，将压电换能原件固定在阻抗匹配层内壁，并连入分流阻尼电路。构成压电分流阻尼系统。其与背部的共振吸声层组成了一种具有压电分流阻尼的水下吸声超结构。利用声波激励压电换能元件产生电能，进一步通过分流耗散。提高了所述结构的吸声效率。基于局域共振原理的共振吸声层提供了结构在低频范围的吸声能力。通过调整分流电路中电器元件的参数，使电磁振荡频率与局域共振频率相近，产生声学耦合，可以改善局域共振吸声频带过窄，进一步提高结构的吸声效果。根据本发明的上述特点，其可应用于水下航行器声学覆盖层的设计，改善声学覆盖层在水下吸声效果，特别是在特定的频率下，具有良好的工程应用前景。
35.通过本发明，当声波从水中入射至吸声超结构时，结构外侧的阻抗匹配层因与水阻抗匹配良好，声波更易进入结构内部。当声波激励压电片振动，声能转换成电能，进一步通过分流电路转换成热能耗散。分流电路中的电磁振荡的固有频率为通过合理设计电路元件参数，可以使电路的电磁振荡频率与共振吸声层产生的共振频率相近，加强共振频率处的声能耗散，进而改善共振结构低频处吸声频带过窄，获得优异的低频宽带吸声效果。
36.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。