一种内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构

本发明属于水下吸声复合结构，具体涉及一种内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构。

背景技术：

1、随着声纳探测技术的不断进步，潜艇消声层的水下吸声设计变得愈发关键。声学超材料是一类人工周期结构，具备与天然材料不同的声学特性，在深亚波长尺度完美吸收低频声波也是声学超材料的特殊性能之一。在空气声学中，通过空间盘绕结构、嵌入式颈部和多层穿孔的结构设计，借助亥姆霍兹谐振可以实现完美的吸声，并且通过并联多个具有不同几何参数的元胞，可实现宽带吸声。

2、然而，在水声学中，由于水的体积模量高且粘度相对较小，上述依靠空气中粘性耗散的超材料将不再适用。因此，水下吸声材料的研究主要集中在由粘弹性材料组成的各种结构上，作为水下吸声结构的两种典型配置，alberich涂层和局部共振声子晶体相继被提出。

3、然而，由于低频水下声波的波长较长，这些经典结构很难在深亚波长尺度实现低频完美吸收。尽管最近提出了一些新型水声超材料，但其工作频率主要集中在中高频域段，这些超材料往往在低频(1000hz以下)吸声性能较差，且尺寸与其工作波长相当，低频的吸声对厚度要求较高，给实际应用带来很大障碍，所以在控制厚度的情况下，设计出可以完美吸收1000hz以下的声波仍然是水声学的关键问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，用于解决传统水下消声覆盖层低频吸声性能较差、不耐高静水压的技术问题。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，包括蜂窝，蜂窝固定在底板上，蜂窝的壁面上嵌入设置多层的穿孔板，穿孔板的顶部与蜂窝之间设置有顶层面板，蜂窝、顶层面板和穿孔板连接构成元胞，元胞内部充分填充粘弹性材料，顶层面板和穿孔板的中心区域内置圆柱形结构的水腔，水从顶层面板经水腔进入元胞内部形成亥姆霍兹共鸣腔；多个元胞按阵列排布构成内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构。

4、具体的，蜂窝采用四方排布或六方排布结构，排布周期为10～40mm。

5、进一步的，蜂窝的壁面厚度为0.5～3mm，高度为20～65mm。

6、具体的，水腔的形状由穿孔板开孔形成的区域决定。

7、进一步的，水腔的直径为2～35mm，深度为5～60mm。

8、具体的，顶层面板和穿孔板的开孔半径为0.5～35mm，开孔位置对应于蜂窝的轴线位置，每层穿孔板的开孔尺寸保持一致，或随层数依次递增或递减。

9、进一步的，开孔形状为圆形、三角形、方形、花瓣形或不规则性。

10、具体的，穿孔板的总数量为3～30个；穿孔板的厚度为0.1～3mm，相邻穿孔板的距离为0.5～15mm。

11、具体的，每个元胞的宽度为10～40mm。

12、具体的，内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构的厚度为20～65mm。

13、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

14、一种内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，在底板上固定有若干蜂窝，将中心开孔的穿孔板焊接或胶接在蜂窝的壁面上，在结构内部充分填充粘弹性材料，多层穿孔板的中心区域内置圆柱水腔，水从顶部穿孔板进入腔体内部，形成亥姆霍兹共鸣腔；含粘弹性涂层的亥姆霍兹共鸣腔能够触发类亥姆霍兹谐振，导致低频声波的完美吸收。由于在蜂窝壁上嵌入了多个穿孔板，可以定制穿孔板的尺寸参数，从而调整类亥姆霍兹谐振频率，实现低频和超宽带的完美吸收。

15、进一步的，蜂窝结构为四方蜂窝或六方蜂窝，可形成亥姆霍兹共鸣腔壁，保证结构在低频的固有振动特性。不同的蜂窝结构尺寸可实现对结构低频准完美吸声的调节。

16、进一步的，蜂窝的壁面厚度为0.5～3mm，高度为20～65mm，保证结构具有一定的承载能力。

17、进一步的，顶部穿孔板的开孔尺寸较小，水从顶部穿孔板进入腔体内部,在多层穿孔板的中心区域形成圆柱水腔，为亥姆霍兹共鸣腔提供声容和声质量，从而降低了结构的谐振频率，提高结构的低频吸声性能。

18、进一步的，水腔的直径和深度对结构的低频准完美吸声的频率大小有显著影响，通过调节水腔的结构尺寸，能实现对准完美吸声的频率位置调节，保证了结构吸声性能的可调性。

19、进一步的，穿孔板内部开孔半径为0.5～35mm，中心开孔的穿孔板厚度较薄，由金属材料或碳纤维/玻璃纤维复合材料制成，每层的开孔尺寸可以相同或遵循递减与递增的规则变化，通过调节开孔尺寸可以改变结构中粘弹性材料的振动特性，从而调节结构的吸声性能。

20、进一步的，内部开孔形状为圆形、三角形、方形、花瓣形或不规则形状，不同的开孔形状对粘弹性材料的振动分布都会产生显著影响，从而影响结构内部的能量耗散分布，调节结构的吸声性能。

21、进一步的，穿孔板的总数量为3～30个，不同数量的穿孔板组成的结构可以为亥姆霍兹共鸣腔提供不同的谐振模式，控制着结构的宽频吸声效果。

22、进一步的，蜂窝的每个元胞边长为10～40mm，可以通过元胞边长的变化调节结构的低频固有振动特性。

23、进一步的，为了保证结构具有优异的吸声能力，内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构的总厚度为20～65mm。

24、综上所述，本发明可用于制造水下消声覆盖层，能显著提升粘弹性材料在低频域范围内的吸声性能，具有良好的抗压性能。

25、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。

技术特征：

1.一种内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，其特征在于，包括蜂窝(1)，蜂窝(1)固定在底板上，蜂窝(1)的壁面上嵌入设置多层的穿孔板(3)，穿孔板的顶部与蜂窝(1)之间设置有顶层面板(2)，蜂窝(1)、顶层面板(2)和穿孔板(3)连接构成元胞，元胞内部充分填充粘弹性材料(4)，顶层面板(2)和穿孔板(3)的中心区域内置圆柱形结构的水腔，水从顶层面板(2)经水腔进入元胞内部形成亥姆霍兹共鸣腔；多个元胞按阵列排布构成内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构。

2.根据权利要求1所述的内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，其特征在于，蜂窝(1)采用四方排布或六方排布结构，排布周期为10～40mm。

3.根据权利要求2所述的内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，其特征在于，蜂窝(1)的壁面厚度为0.5～3mm，高度为20～65mm。

4.根据权利要求1所述的内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，其特征在于，水腔的形状由穿孔板(3)开孔形成的区域决定。

5.根据权利要求4所述的内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，其特征在于，水腔的直径为2～35mm，深度为5～60mm。

6.根据权利要求1所述的内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，其特征在于，顶层面板(2)和穿孔板(3)的开孔半径为0.5～35mm，开孔位置对应于蜂窝(1)的轴线位置，每层穿孔板(3)的开孔尺寸保持一致，或随层数依次递增或递减。

7.根据权利要求6所述的内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，其特征在于，开孔形状为圆形、三角形、方形、花瓣形或不规则性。

8.根据权利要求1所述的内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，其特征在于，穿孔板(3)的总数量为3～30个；穿孔板(3)的厚度为0.1～3mm，相邻穿孔板(3)的距离为0.5～15mm。

9.根据权利要求1所述的内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，其特征在于，每个元胞的宽度为10～40mm。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，其特征在于，内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构的厚度为20～65mm。

技术总结
本发明公开了一种内置穿孔板的水下亥姆霍兹共鸣腔吸声结构，在底板上固定有若干蜂窝，在蜂窝的壁面上嵌入一系列穿孔板，穿孔板与蜂窝壁面通过焊接或胶接相连，粘弹性材料充分填充在结构内部，多层穿孔板的中心区域内置圆柱水腔，水从顶部穿孔板进入腔体内部，形成亥姆霍兹共鸣腔。本发明可用于制造水下消声覆盖层，能显著提升粘弹性材料在低频域范围内的吸声性能，具有良好的抗压性能。由于参数的可调性，合理的设计结构参数和材料参数可以实现低频超宽带的吸声效果，为水下消声层的设计提供了新的思路。

技术研发人员：辛锋先,蔡储祥,王啸尘
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24