本发明涉及水下吸声结构，尤其涉及一种基于柱腔串联技术的低频宽带水声结构设计方法。
背景技术：
1、在水下航行器领域，声隐身性能对于水下航行器至关重要。然而，随着水下探测技术的不断进步，水下探测频率的下限已扩展到数百赫兹，这对传统消声涂层提出了更高的要求。传统的水下声学结构的设计通常采用在均质橡胶或聚氨酯中嵌入各种空腔的方式，以提高低频吸收效果。当入射波接近腔体单极共振频率时，产生增强的散射波，促进纵波向横波转换，实现能量衰减。但是这种依靠单一空腔的结构低频吸声效果主要取决于空腔的体积，并且吸声带宽较窄。
技术实现思路
1、本发明针对传统水下声学结构吸声带宽较窄、低频吸声欠佳、需要大尺寸空腔的问题，提出一种基于柱腔串联技术的低频宽带水声结构设计方法，通过该方法设计的水声结构可以实现声波的低频宽带高效吸收，进而在有限空间内实现目标频段的高效的声学隐身效果。
2、本发明所采用的技术方案是：
3、一种基于柱腔串联技术的低频宽带水声结构设计方法，包括以下步骤：
4、s1、确定需要计算的频率范围，与该频率范围内平均吸声系数阈值，高效吸声，高效吸声频率占比阈值，首次达到的频率阈值；
5、s2、将结构分解为n层柱形夹杂层，每层包括基体材料，基体材料上开设若干柱腔，柱腔内嵌有柱形夹杂物；
6、s3、设置结构单胞宽度，各层基体材料参数，各层厚度，柱形夹杂物类型与直径大小；
7、s4、通过理论计算各层柱形夹杂层的基体材料阻抗，判断各层柱形夹杂层的基体材料阻抗是否满足阻抗渐变条件：如果是，则进入s5，否则重新进入s3，对第i层基体材料参数进行设计,i=1~n；
8、s5、将各层进行串联设计，从声波入射处至声波透射处依次排列为第1至n层柱形夹杂层，得到串联后的结构，并在串联后的结构背部设置一层背板，背板背部为空气；
9、s6、通过仿真计算串联后的结构在范围内，平均吸声系数，高效吸声带宽占比，首次达到高效吸声的频率；
10、s7、比较与，与，与的大小：若不同时满足，，，则增加分层数，即n=n+1，重新进入s2；若同时满足，，，则说明设计的水声结构满足低频宽带的吸声要求。
11、上述方案中，为了设计简便，各层基体材料上开设的柱腔数量相等且圆心对齐，各层柱形夹杂层的结构单胞宽度相等。
12、上述方案中，第i层基体材料参数包括：密度，弹性模量，泊松比，损耗因子，i=1~n。
13、上述方案中，所述基体材料选用橡胶或聚氨酯等粘弹性材料。
14、上述方案中，所述柱形夹杂物类型为空气或金属振子。
15、上述方案中，步骤s4中，通过理论计算第i层柱形夹杂层的基体材料阻抗的方法为：
16、第i（i=1~n）层中，基体材料的纵波波速为
17、（1）
18、式中，，，分别为基体材料的密度，弹性模量，泊松比；
19、第i（i=1~n）层中，基体材料的阻抗为
20、（2）
21、阻抗渐变条件为
22、（3）
23、当i=1时，为水的阻抗，其中，分别为水的密度与声速。
24、上述方案中，步骤s4中，如果各层柱形夹杂层的基体材料阻抗不满足阻抗渐变条件，则对第i层基体材料参数重新进行设计，包括密度，弹性模量，泊松比，损耗因子，i=1~n。
25、上述方案中，步骤s5中，所述背板的材料选用钢或铝等刚性材料。
26、上述方案中，步骤s6中，根据能量守恒定律，平均吸声系数为：
27、（8）
28、式中， win为入射声功率， wout为透射声功率,为声波反射能。
29、上述方案中，背景压力场中入射声压为时，则入射声强为
30、（4）
31、式中，为入射声强， pin为入射声压，为入射声场所在介质的波阻抗；
32、则入射声功率为
33、（5）
34、式中， win为入射声功率， iin为入射声强，为结构与入射域接触的上表面；
35、同理，透射声功率为
36、（6）
37、式中， wout为透射声功率,为背板与空气接触的表面，为面处的透射声强；
38、当平面波入射到流体介质与固体介质的交界面时，由于流体介质与固体介质的阻抗不同且差距较大，声波会在交界面处产生反射，反射能为
39、（7）
40、式中，为声波反射能，为表面入射到结构的透射声强。
41、本发明产生的有益效果是：
42、本发明提出的基于柱腔串联技术的低频宽带水声结构设计方法，首先通过设计基体的阻抗渐变使声能进入结构深部。并通过串联多层柱形夹杂物，柱形夹杂物可以是空腔或金属振子，两种不同的夹杂物具有不同的高效吸声频段，将二者串联可以实现共振耦合效应，以对结构内部声波进行调控，使声波在空腔与振子表面发生强烈的散射与波形转换，实现低频宽带的高效声波吸收。最后通过设置多种参数阈值，以设计满足实际工程需求的水声结构，，实现在有限空间内实现目标频段的高效的声学隐身效果。
1.一种基于柱腔串联技术的低频宽带水声结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于柱腔串联技术的低频宽带水声结构设计方法，其特征在于，各层基体材料上开设的柱腔数量相等且圆心对齐，各层柱形夹杂层的结构单胞宽度相等。
3.根据权利要求1所述的基于柱腔串联技术的低频宽带水声结构设计方法，其特征在于，第i层基体材料参数包括：密度，弹性模量，泊松比，损耗因子，i=1~n。
4.根据权利要求1所述的基于柱腔串联技术的低频宽带水声结构设计方法，其特征在于，所述基体材料选用粘弹性材料。
5.根据权利要求1所述的基于柱腔串联技术的低频宽带水声结构设计方法，其特征在于，所述柱形夹杂物类型为空气或金属振子。
6.根据权利要求1所述的基于柱腔串联技术的低频宽带水声结构设计方法，其特征在于，步骤s4中，通过理论计算第i层柱形夹杂层的基体材料阻抗的方法为：
7.根据权利要求1所述的基于柱腔串联技术的低频宽带水声结构设计方法，其特征在于，步骤s4中，如果各层柱形夹杂层的基体材料阻抗不满足阻抗渐变条件，则对第i层基体材料参数重新进行设计，包括密度，弹性模量，泊松比，损耗因子，i=1~n。
8.根据权利要求1所述的基于柱腔串联技术的低频宽带水声结构设计方法，其特征在于，步骤s5中，所述背板的材料选用刚性材料。
9.根据权利要求1所述的基于柱腔串联技术的低频宽带水声结构设计方法，其特征在于，步骤s6中，根据能量守恒定律，平均吸声系数为：
10.根据权利要求9所述的基于柱腔串联技术的低频宽带水声结构设计方法，其特征在于，背景压力场中入射声压为时，则入射声强为