一种任意曲面形状薄壳型声学超结构设计方法与流程

本发明属于声学超结构技术领域，具体涉及一种任意曲面形状薄壳型声学超结构设计方法。

背景技术：

声学超结构是一种具有亚波长尺寸的人工复合结构，通过微结构设计，可以实现声学带隙、负等效质量密度、负体积模量、双负等效参数、负折射率、负剪切模量、全反射、反常反射/折射、完美吸声、声聚焦、自准直、反常多普勒效应及非互易声传输等众多奇特的物理现象。因此，在振动与噪声抑制、声学成像、声能聚焦、超透镜、波导及隐身等方面展现出令人期待的广泛应用前景。根据工作原理和组成形式，可以将常见的微结构简单归类为弹簧-质量型结构、共振腔结构、薄膜和薄板型结构、以及迷宫结构等几大类。其中，由于厚度薄，重量轻等优点，薄膜和薄板结构受到了人们的普遍关注。然而，实际工程中，具有复杂曲面形状特征的薄壳结构比薄板结构的应用更为广泛，比如飞机、汽车、火车等的车身基本都是由薄壳结构装配而成的。而事实上，目前超结构的设计主要是集中在薄膜和薄板结构方面，薄壳方面的设计方法是缺乏的。因此，为了更好的指导工程应用，指导复杂形状的声学超结构设计，急需开发能够适应任意曲面形状的薄壳结构设计方法。

声学超表面的一个很重要应用是用来设计声学隐身斗篷，而在众多的声学斗篷中，地毯式斗篷由于结构薄，有较好的应用前景，而且已经有大量的工作从理论和实验方面都获得了成功。然而，目前所用元胞结构都属于平面结构，致使这些斗篷都只能在元胞覆盖区域的曲率较小时才能以直线近似弧线的方式近似实现任意形状隐身设计，而当隐身对象曲率较大时，无法得到完全贴合表面的地毯式隐身斗篷。因此，设计可以完全贴合隐身对象的表面曲线形状的地毯式隐身斗篷，可以为设计任意形状的地毯式隐身斗篷提供支撑。而目前，这方面的设计方法是缺乏的。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种任意曲面形状薄壳型声学超结构设计方法，用以指导能够适应复杂空间曲面形状要求的亚波长声学结构设计。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种任意曲面形状薄壳型声学超结构设计方法，该方法分为用于隔声的薄壳结构设计方法、用于吸声的薄壳结构设计方法以及用于声学隐身的薄壳型超表面结构设计方法三种；其中，

用于隔声的薄壳结构设计方法，采用单层薄壳结构，壳的曲面构型根据实际需要确定，选择圆柱壳、旋转壳或者不规则曲面壳；对于面积相对较大的应用，将其分为若干个小区域进行设计，每个区域的结构之间通过满足刚度要求的框架分隔开；

用于吸声的薄壳结构设计方法，采用双层薄壳结构，两层薄壳之间通过空气层分隔，壳的曲面构型根据需要确定，选择圆柱壳、旋转壳或不规则曲面壳；空气层的厚度各个部位处处相同或者各不相同；对于面积相对较大的应用，将其分为若干个小区域设计，每个区域的结构之间通过满足刚度要求的框架分隔开；

用于声学隐身的薄壳型超表面结构设计方法，同样采用双层薄壳结构，两层薄壳之间通过空气层分隔，壳的曲面构型根据待隐身结构外形确定，保证与待隐身结构贴合并具有与待隐身结构相近的几何外形；空气层的厚度各个部位处处相同或者各不相同；对于特定的应用对象，将其分为若干个小区域进行设计，每个区域的结构之间通过满足刚度要求的框架分隔开。

本发明进一步的改进在于，用于隔声的薄壳结构设计方法，具体包括如下几个步骤：

101)根据整体隔声结构布置空间的尺寸特性，按需要进行分区，确定每个分区的尺寸；

102)根据实际需要，设计各分区曲面薄壳的几何构形、尺寸及拟采用的材料，每个分区的形状和尺寸相同，或者不同；

103)在分区边界设计分隔框架，将各分区分隔开；

104)通过3d打印方法，加工出各分区薄壳结构，进行隔声性能计算或测试；

105)根据计算或测试得到的隔声性能，结合实际需要，反复调整设计参数，直至每个分区结构的隔声性能满足预期要求为止。

本发明进一步的改进在于，薄壳的厚度不低于1mm，分隔框架的厚度不低于3mm。

本发明进一步的改进在于，用于吸声的薄壳结构设计方法，具体包括如下几个步骤：

201)根据整体吸声结构布置空间的尺寸特性，按需要进行分区，确定每个分区的尺寸；

202)根据实际需要，设计各分区曲面薄壳的几何构形、尺寸及拟采用的材料，每个分区的形状和尺寸相同，或者不同；

203)在分区边界设计分隔框架，将各分区分隔开；

204)通过3d打印方法，加工出各分区结构，进行吸声性能计算或测试；

205)根据计算或测试得到的系数性能，结合实际需要，反复调整设计参数，直至每个分区结构的吸声性能满足预期要求为止。

本发明进一步的改进在于，一共由两层薄壳组成，每层薄壳的厚度不超过1mm，薄壳之间空气层的厚度不低于5mm，分隔框架的厚度不低于3mm。

本发明进一步的改进在于，声波从薄壳的凸面一侧入射时，最高吸声系数不低于0.9。

本发明进一步的改进在于，用于声学隐身的薄壳型超表面结构设计方法，具体包括如下几个步骤：

301)根据整体待隐身结构的外形和尺寸特性，按需要进行分区，确定每个分区的尺寸；

302)根据实际需要，设计各分区曲面薄壳的几何构形、尺寸及拟采用的材料；

303)在分区边界设计分隔框架，将各分区分隔开；

304)通过3d打印方法，按分区加工出结构，进行反射相位计算或测试；

305)根据计算或测试得到的相位轮廓，采用等相位设计的方法，结合实际需要，反复调整设计参数，直至每个分区结构的反射相位满足预期要求为止。

本发明进一步的改进在于，每个超表面元胞由两层薄壳组成，每层薄壳的厚度不超过1mm，薄壳之间空气层的厚度不超过5mm，分隔框架的厚度不低于3mm。

本发明进一步的改进在于，采用等相位设计的方法，对每个分区结构的反射相位进行调节，得到多个相位梯度分布的贴合待隐身对象表面曲面形貌的薄壳型声学超表面装置，然后组装成曲面地毯式声学隐身斗篷。

本发明具有如下有益的技术效果：

1、通过这种方法设计的旋转薄壳结构，虽然薄壳的厚度只有1mm，但可以在1600hz内的整个中频和低频段实现平均隔声量超过50db，最低隔声量接近40db的超强隔声；

2、通过这种方法设计的薄壳类隔声结构，其隔声性能与薄板结构有较大差异，当曲率半径降低到一定范围后隔声量曲线可以打破刚度控制区和阻尼控制区之间的截止频率限制，消除截止频率处的隔声低谷，获得优异的低频宽带隔声性能；

3、采用单层薄壳厚度为0.2mm的双层薄壳结构，薄壳之间的空气间隙厚度为10mm以上时，可以实现吸声系数超过0.93的超强吸声性能；

4、双层薄壳结构可以实现反射相位任意调节，故通过适当选择薄壳的材料参数或结构尺寸，可以实现反常反射等功能；

5、由于反射相位可以任意调节，通过设计多个相位梯度分布的双层薄壳元胞结构，可以进一步实现任意曲面形状的声学隐身斗篷的设计。本发明也可以推广到水声结构设计中。

综上所述，根据本发明提供的一种任意曲面形状薄壳型声学超结构设计方法的上述特点，采用本发明设计的结构能够克服传统材料的缺点，实现利用任意复杂曲面形状的超薄结构实现宽带超强隔声、超强吸声和贴合曲面形貌的地毯式隐身斗篷等。可为航天器、飞机、轨道车辆、汽车、船舶、潜艇等现代装备中轻质声学结构的设计提供有力的指导。此外，在人们生活息息相关的噪声控制领域中也有着极大的应用价值，有望降低环境噪声污染，改善人们的生活质量。

附图说明

图1为任意形状曲面薄壳结构示意图；

图2为薄板、圆柱形薄壳和椭圆柱型薄壳结构示意图；

图3a为2#薄壳样品结构示意图；

图3b为3#薄壳样品结构示意图；

图4为薄板和薄壳结构隔声量测量和计算结果；

图5为不同中间空气层厚度的双层薄壳结构声波从两侧入射下的吸声系数计算结果；

图6为曲面薄壳型声学隐身斗篷的设计原理和所设计的结构的相位轮廓计算结果；

图7为有无斗篷情况下声压场分布和相位分布计算结果，其中，最上面一行为无斗篷时的声压场分布，中间一行为带斗篷时的声压场分布，最下面一行为带斗篷时的相位分布。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

(一)宽带超强隔声薄壳结构设计

薄壳类结构是工程中最常用的薄壁结构，常用的薄壳结构有旋转壳和圆柱壳两大类，或者很多结构是由这两类结构复合或演变而成的复杂曲面壳结构，如附图1所示。在这两类常用的薄壳结构中，圆柱壳的使用范围比旋转壳更为广泛。然而，考虑到圆柱壳结构不便于进行声学性能测量，本发明先设计旋转壳结构来进行试验验证。为了对比，分别设计了薄板和半球形旋转壳两组结构(0#和1#)，其中0#为厚度t＝1mm，直径d＝100mm的圆形薄板，1#为半径r0＝45mm的半球旋转壳。另外，考虑到球形旋转壳结构的刚度较大，在测量频段内难以获得清晰的共振和反共振特征，还建立了两组不同短轴半径的椭球形旋转壳结构(2#和3#)，两个模型的长轴半径均为r1＝45mm，2#的短轴半径r2＝30mm，而3#的短半轴半径为r3＝10mm。上述4组结构的截面示意图(主视图)如附图2所示，所有结构的厚度均为t＝1mm。采用3d打印技术制作了1#,2#和3#对应的三组样品，其中2#和3#对应的样品分别如附图3a和3b所示。需要说明的是，为了便于测量，在结构外圈处增加了内半径45mm，外半径50mm，厚度5mm的圆环，与薄壳结构连成一体。通过b&ktype-4206t标准驻波管测试系统，测量了所制作的样品的隔声量。此外，采用comsol商业有限元软件中的声-结构耦合模块，简化为二维对称模型进行计算。为了完整地展现共振和反共振特征，计算频率范围设置为300-3000hz，而测量频率范围为300-1600hz。样品的材质是光敏树脂，弹性模量为2.2gpa,泊松比为0.375，密度为1000kg/m³。测量和计算得到的隔声量如附图4所示。

从图中可以看出，这些薄壳结构的隔声性能非常出色，计算得到的1#结构的最大隔声量高达80db。在整个测量频带内，exp3和sim3吻合较好。另外，虽然exp1和exp2的幅值均比sim1和sim2低约12db，但是曲线的趋势是一致的。整体来看，同等厚度的薄壳结构的隔声性能比薄板结构出色，特别是当曲率较大时，整个低频段的隔声性能都很优异，不会出现明显的低谷。这就意味着，采用薄壳结构代替薄板结构可以大幅提高低频隔声性能，并且打破了隔声量曲线中刚度控制区和阻尼控制区之间的分区界限，消除了截止频率处的隔声低谷。对于exp1和exp2，整个测量频带内的平均隔声量高达50db以上；而对于sim1和sim2，在低于3000hz的频带内，平均隔声量高达70db，实验结果和计算结果都展现出无与伦比的优异的低频宽带隔声效果。随着薄壳曲率半径的增加，结构的尺寸特征与薄板的差别缩小，振动特性也与薄板越来越接近。通过对比sim0和sim3可知，随着曲率半径的减小，结构的刚度会随之增加，导致第一阶谷和峰向高频移动。sim0的第一阶谷(峰)值频率为368hz(1212hz)，而sim3的第一阶谷(峰)值频率为1268hz(1748hz)。此外，薄壳结构谷值和峰值处的隔声量幅值也比薄板结构高出很多，sim0的第一阶谷(峰)值隔声量为2.8db(46.1db)，而sim3的第一阶谷(峰)值隔声量为13.9db(54db)。而对比sim1、sim2和sim3可知，薄壳结构的刚度并不是随着曲率的变化而线性变化的，sim2的第一阶反共振峰的位置比sim1高，前者为2460hz，而后者为2244hz。上述测量和计算结果表明，一方面，薄壳结构的隔声特性与薄板结构有显著的区别，随着曲率半径的减小，刚度控制区与阻尼控制区的分界会消失，传统隔声量曲线分区被打破，截止频率处的隔声低谷被消除；另一方面，薄壳结构的刚度比薄板结构大，但是刚度变化不是随着曲率半径的变化而线性变化；最重要的是，同等厚度的薄壳结构的隔声性能较薄板结构优异很多，随着薄壳曲率半径的降低，可以实现在整个低频带都具有杰出的隔声性能。需要说明的是，薄壳结构的面密度与薄板结构比并没有较大的增加，依然是轻质结构。

(二)薄壳型双各向异性超强吸声结构

在工程实践和日常生活中，圆柱壳结构比旋转壳结构应用更为广泛。比如飞机、汽车和列车中，机身和车身主要都是由圆柱形薄壳结构或其演变结构组成的。为此，本发明设计了双层薄壳结构，以实现超强吸声效果。这里采用厚度为0.2mm的铝壳，弹性模量为70gpa，泊松比为0.28，密度为2800kg/m³。两层铝壳之间通过一层厚度为0.2mm的空气层分开。声波从薄壳凹侧入射记为a，从凸侧入射记为b。本发明也选择了四组不同的薄壳间距，分别为0.2mm、5mm、10mm和20mm，相应的设计了四组椭圆柱形薄壳结构，并计算了在不同声入射方向下的吸声系数，如附图5所示。从图中可以看出，随着薄壳间距的增加，一方面，吸声峰处的吸声系数逐渐增加；另一方面，双各向异性更加明显。当间距增加至10mm时，最高吸声系数可达0.93，而继续增加到20mm时，最高吸声系数可达0.999，展示出完美吸声效果。这就是说，通过适当选择薄壳间距，双层薄壳结构是可以实现完美吸声的。

此外，从附图5的吸声系数可以看出，随着薄壳间距的增加，吸声系数的双各向性越来越强。以间距为10mm的两组结构为例，在计算频带内，10mm-a和10mm-b各产生了4个吸声峰。其中，两组结构前3个吸声峰的频率位置是一致的，但是吸声系数差别较大，在p1点处，10mm-a的吸声系数仅为0.22，而10mm-b的为0.79；在p2点处，10mm-a的吸声系数高达0.93，而10mm-b的仅为0.05，相当于前者表现为强吸声，而后者表现为强反射；p3点处，10mm-a的吸声系数低至0.02，而10mm-b的较高，为0.59。这就是说，由于结构的非对称性，声波从不同侧入射，可以分别实现强吸声和强反射的效果。此外，在p4点处，10mm-a出现第4个吸声峰，吸声系数为0.52，而10mm-b的第四个吸声峰出现在较高的频率处，吸声系数仅为0.16。这就意味着，随着入射声波方向的改变，除了吸声系数的幅值不同，吸声峰的频率位置也会发生改变。也就是说，由于薄壳结构的几何非对称性，导致其对声波入射方向是有依赖性的，在声学上表现为双各向异性的吸声和反射特性。由于同一结构在不同声波入射下可以分别实现超强吸声和超强反射，因此这种结构在空间声场调控方面具有重要的潜在应用前景。

(三)任意曲面形状薄壳型地毯式隐身斗篷

声学隐身斗篷是声学超结构的一个非常重要应用，而现有声学超表面结构都是平面结构。但是，工程应用中的大多数结构都是非平面的，为此，希望通过本发明提供的方法设计双层薄壳结构，实现完全贴合弧形表面的薄壳型地毯式声学斗篷。作为实施案例，选择一个扇形的结构作为隐身对象，结构的半径r＝360mm,底边到圆心的距离为h＝200mm，扇形的圆心角为112°，如附图6所示。在扇形结构上布置左右对称的8个双层壳型元胞结构形成斗篷，其中，两层薄壳的厚度均为0.2mm，薄壳之间的空气层厚度也为0.2mm，薄壳结构与待隐身结构之间有一个厚度为4.4mm的安装间隙，选择工作频率为1750hz。

由于薄壳型结构的特殊性，各元胞之间的细节结构是不一致，相位补偿不能通过现有理论关系直接进行设计。因此，为了实现相移设计，提出一种等相位设计方法来调整这些复杂表面结构的相移。这种等相位设计方法的主要目的是根据实际斗篷中使用的单元结构依次建立不同单个单元的计算模型。然后，可以通过改变薄壳的材料参数或结构参数，在距地面相同高度的监测平面使得工作频率处所有元胞具有相同的相移。为了简化，这里采用改变薄壳的弹性模量来达到改变元胞相位的效果。元胞1#和8#中薄壳的弹性模量为5.94gpa，2#和7#中为6.22gpa，3#和6#中为3.88gpa，4#和5#中为3.18gpa。首先，求解单个元胞的反射相位，左侧的四个元胞的相位如附图6所示。此外，基于所设计的单元结构，建立了无斗篷弧形凸起的模型和带有薄壳型地毯式隐身斗篷的弧形凸起的模型。当声波从上往下入射到结构时，1745hz，1750hz和1760hz三个频率处的声压场分布和相位分布如附图7所示。可以看出，在1745～1760hz的窄带内，所设计的曲面薄壳隐身斗篷具有出色的隐身效果。值得注意的是，尽管从压力场分布看1760hz处的散射抑制效果比工作频率1750hz处好，但从相位场的计算结果可以看出，1760hz处的相位畸变明显比1750hz处明显。因此，总的来说，还是工作频率处的隐身效果更好。由于这种超薄表面声学斗篷可以根据具有复杂表面形貌的物体表面灵活布置，并且厚度非常小，因此在工程实践中具有广泛的应用价值。

根据上述数据可以看出，本发明能够达到的技术效果如下：

1、通过这种方法设计的旋转薄壳结构，虽然薄壳的厚度只有1mm，但可以在1600hz内的整个中频和低频段实现平均隔声量超过50db，最低隔声量接近40db的超强隔声；

2、通过这种方法设计的薄壳类隔声结构，其隔声性能与薄板结构有较大差异，当曲率半径降低到一定范围后隔声量曲线可以打破刚度控制区和阻尼控制区之间的截止频率限制，消除截止频率处的隔声低谷，获得优异的低频宽带隔声性能；

3、采用厚度为0.2mm的双层薄壳结构，薄壳之间的空气间隙厚度为10mm以上时，可以实现吸声系数超过0.93的超强吸声性能；

4、双层薄壳结构可以实现反射相位任意调节，故通过适当选择薄壳的材料参数或结构尺寸，可以实现反常反射等功能；

5、由于反射相位可以任意调节，通过设计多个相位梯度分布的双层薄壳元胞结构，可以进一步实现任意曲面形状的声学隐身斗篷的设计。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的技术人员而言，在不脱离发明原理的前提下，还可以若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。