一种粘弹性材料和亥姆霍兹共振腔复合宽带水下吸声结构

本发明属于水下吸声复合结构领域，具体涉及一种粘弹性材料和亥姆霍兹共振腔复合宽带水下吸声结构。

背景技术：

1、水下吸声材料主要用于提高水下航行器的声隐身性能，通常由基体材料(如橡胶等粘弹性材料)和周期性置于其内部的吸声结构组成。基体材料通过其黏弹性特征实现对声波的吸收，这类材料通常由高分子聚合物构成，具有可调节的动态力学性能，能够通过分子链的内摩擦实现声能的耗散。在水下环境中，粘弹性材料能够通过阻尼耗散、波形转换和弛豫吸收等机制，有效地吸收入射声波，从而降低声波的反射和传播。但在有限厚度的工况下，要实现宽频带水下吸声，则需要与其他吸声结构组合。

2、为了解决在有限厚度下实现跨域低中高频段的水下吸声，目前研究较多的方法是内置空腔结构和局域共振结构。前者通过设计空腔结构，可以改善材料的声阻抗与水的声阻抗之间的匹配，减少声波的反射，空腔也可以在特定频率下与入射声波产生共振，空腔的振动位移可以促使声波从一种波形(如纵波)转换为另一种波形(如横波)，横波在粘弹性材料中耗散较快，进而提高了吸声效率，但在高静水压下会改变空腔形状，吸声性能显著下降；局域共振结构是在粘弹性材料中内嵌振子，如球形质量块，可以实现较低频的吸声，但吸声带宽窄，很难实现宽带吸声效果。所以，水下消声层技术已经有了较大突破，但在有限厚度下实现宽带吸声依然是个挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种粘弹性材料和亥姆霍兹共振腔复合宽带水下吸声结构，解决了现有的水下吸声材料在有限厚度下实现跨域低中高频段的水下吸声存在吸声效果不理想的缺陷。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、本发明提供的一种粘弹性材料和亥姆霍兹共振腔复合宽带水下吸声结构，包括周期排布的多个元胞，每个元胞包括底板本体，所述底板本体上开设有一个十字形直棱柱结构的凹槽和四个亥姆霍兹腔，其中，四个亥姆霍兹腔分别布置在十字形直棱柱结构的凹槽的四角；

4、所述十字形直棱柱结构的凹槽内填充有粘弹性材料。

5、优选地，每个亥姆霍兹腔包括一个长方体凹槽，所述长方体凹槽的开口端设置有顶板，所述顶板上开设有开孔。

6、优选地，所述顶板的下表面设置有管道，所述管道的自由端伸入至长方体凹槽内，且管道的内径与顶板上的开孔同心且直径相等。

7、优选地，所述管道内径为2～8mm，管道与顶板连接形成圆柱形通道，通道的长度为2～45mm。

8、优选地，所述管道的长度小于长方体凹槽的长度。

9、优选地，所述长方体凹槽的内壁布置有一层粘弹性材料。

10、优选地，所述长方体凹槽的长为15～25mm，宽为15～25mm，深度为45～55mm。

11、优选地，所述顶板上的孔的直径为2～8mm。

12、优选地，所述十字形直棱柱凹槽的横向槽长度为45～55mm，横向槽宽为5～25mm，竖向槽长度为45～55mm，竖向槽宽为5～25mm，十字形直棱柱凹槽的深度为45～55mm。

13、优选地，所述每个亥姆霍兹腔中的粘弹性材料覆盖层厚度为1～6mm，十字形直棱柱凹槽内的粘弹性材料的厚度为45～55mm。

14、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

15、本发明提供的一种粘弹性材料和亥姆霍兹共振腔复合宽带水下吸声结构，在底板上开有长方体凹槽和十字形直棱柱凹槽，在长方体凹槽内壁覆盖一层粘弹性材料，形成亥姆霍兹腔，十字形直棱柱内均匀填充粘弹性材料。一方面，亥姆霍兹腔在激励频率下，声波引起内壁上的粘弹性材料覆盖层产生压缩振动，促使粘弹性材料发生内摩擦，进而将声能耗散掉，亥姆霍兹腔的激励频率可以通过改变结构参数进行调节，可以实现低于1000hz的水下吸声；另一方面，十字形粘弹性材料在中高频声波激励下，可以产生振动，十字形粘弹性材料边界与十字形凹槽连接，对粘弹性材料的振动产生阻力，加剧了粘弹性材料的内摩擦，进而促进声能耗散。亥姆霍兹腔与十字形粘弹性材料的耦合作用，拓宽了水下吸声的频带带宽。另外，本发明可用于制造水下消声覆盖层具有类方形格栅的结构，具有较好的承载能力。在设计方面，结构参数和粘弹性材料的材料参数具有可调性，可以根据实际工况需求进行选择，具有很高的工程应用价值。

16、进一步的，一个元胞内含有四个长方体凹槽，每个长方体凹槽形成一个亥姆霍兹腔，每个亥姆霍兹腔内粘弹性材料覆盖层厚度，内嵌管道的直径和长度可以根据工况需求进行调整。

17、综上所述，本发明可用于制造水下消声覆盖层，具有优异的宽频水下吸声性能以及良好的承压能力，可以实现500-10000hz的平均吸声系数大于0.8，具有较高的工程应用价值。

18、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。

1.一种粘弹性材料和亥姆霍兹共振腔复合宽带水下吸声结构，其特征在于，包括周期排布的多个元胞，每个元胞包括底板本体，所述底板本体上开设有一个十字形直棱柱结构的凹槽和四个亥姆霍兹腔，其中，四个亥姆霍兹腔分别布置在十字形直棱柱结构的凹槽的四角；

2.根据权利要求1所述的一种粘弹性材料和亥姆霍兹共振腔复合宽带水下吸声结构，其特征在于，每个亥姆霍兹腔包括一个长方体凹槽，所述长方体凹槽的开口端设置有顶板，所述顶板上开设有开孔。

3.根据权利要求2所述的一种粘弹性材料和亥姆霍兹共振腔复合宽带水下吸声结构，其特征在于，所述顶板的下表面设置有管道，所述管道的自由端伸入至长方体凹槽内，且管道的内径与顶板上的开孔同心且直径相等。

4.根据权利3所述的一种粘弹性材料和亥姆霍兹共振腔复合宽带水下吸声结构，其特征在于，所述管道内径为2～8mm，管道与顶板连接形成圆柱形通道，通道的长度为2～45mm。

5.根据权利3所述的一种粘弹性材料和亥姆霍兹共振腔复合宽带水下吸声结构，其特征在于，所述管道的长度小于长方体凹槽的长度。

6.根据权利要求2所述的一种粘弹性材料和亥姆霍兹共振腔复合宽带水下吸声结构，其特征在于，所述长方体凹槽的内壁布置有一层粘弹性材料。

7.根据权利要求2所述的一种粘弹性材料和亥姆霍兹共振腔复合宽带水下吸声结构，其特征在于，所述长方体凹槽的长为15～25mm，宽为15～25mm，深度为45～55mm。

8.根据权利2所述的一种粘弹性材料和亥姆霍兹共振腔复合宽带水下吸声结构，其特征在于，所述顶板上的孔的直径为2～8mm。

9.根据权利1所述的一种粘弹性材料和亥姆霍兹共振腔复合宽带水下吸声结构，其特征在于，所述十字形直棱柱凹槽的横向槽长度为45～55mm，横向槽宽为5～25mm，竖向槽长度为45～55mm，竖向槽宽为5～25mm，十字形直棱柱凹槽的深度为45～55mm。

10.根据权利1所述的一种粘弹性材料和亥姆霍兹共振腔复合宽带水下吸声结构，其特征在于，所述每个亥姆霍兹腔中的粘弹性材料覆盖层厚度为1～6mm，十字形直棱柱凹槽内的粘弹性材料的厚度为45～55mm。