一种贴合于水下航行器壳体外表面的消声瓦及水下航行器的制作方法

本发明属于水下吸声降噪隐身技术领域，具体地，涉及一种贴合于水下航行器壳体外表面的消声瓦及水下航行器。

背景技术：

潜艇，因为其隐身性而成为一种极具威胁的海军舰种，水下消声覆盖层技术是既能降低潜艇目标强度又能抑制其辐射噪声，还可以用于声呐平台区降低自噪声的一项综合技术。目前的消声瓦结构主要包括微粒填充型、阻抗过渡型、空腔谐振型以及比较新颖的局域共振型。阻抗过渡型往往结构材料单一，尺寸过大，吸声效果差；空腔谐振型结构容易因为外部压力导致内部空腔变形；微粒填充型往往依赖搭配其他类型结构设计，局域共振型结构制备工艺复杂，技术不完善。

目前大多数消声瓦结构的研究往往停留在以上中高频段，并且没有考虑分析深水压对结构的影响，制备过程加入粘合剂固定各层次，影响消声瓦结构的吸声性能。

因此，期待一种新型的消声瓦结构，能够实现宽频的吸声效果且具有优良的耐静水压效果。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种贴合于水下航行器壳体外表面的消声瓦及水下航行器，能够实现宽频的吸声效果且具有优良的耐静水压效果。

为了实现上述目的，本发明提供了一种贴合于水下航行器壳体外表面的消声瓦，所述消声瓦由多个相接的正六棱柱形单胞结构紧密排布而成，其中所述单胞结构从靠近所述壳体至远离所述壳体方向依次包括：

基底层、吸声层和透声层，三者的外表面轮廓构成的正六边形在所述正六棱柱轴线方向上的投影重合；

所述吸声层包括内部材料层和包裹所述内部材料层的碳纤维骨架，所述碳纤维骨架和所述内部材料层的外轮廓均为正六边形，所述内部材料层中具有纵向贯穿所述内部材料层的空腔。

可选方案中，所述空腔包括：

靠近所述透声层一侧的第一圆柱腔；

靠近所述基底层一侧的第二圆柱腔；

过渡连接于所述第一圆柱腔和所述第二圆柱腔之间的变径圆柱腔；

其中所述第一圆柱腔的半径小于所述第二圆柱腔的半径。

可选方案中，所述第一圆柱腔的半径为1.5-2.5mm；所述第二圆柱腔的半径为7.5-8.5mm。

可选方案中，所述变径圆柱腔的高度至少为所述第一圆柱腔与所述第二圆柱腔的高度之和的3倍。

可选方案中，所述碳纤维骨架由正交分布的两层碳纤维布高温固化制成。

可选方案中，所述碳纤维骨架的厚度为0.2-0.4mm。

可选方案中，所述内部材料层的材料为弹性体聚氨酯，所述弹性体聚氨酯充当粘接剂，经过高温固化后使所述透声层、所述吸声层、所述基底层粘合为一体。

可选方案中，所述透声层的材料包括环氧树脂、发泡聚氨酯及玻璃微珠；和/或，所述基底层的材料包括玻璃微珠和经硫化的丁苯橡胶。

可选方案中，所述透声层的厚度为4-6mm，所述吸声层的厚度为45-55mm，所述基底层的厚度为4-6mm。

本发明还提供了一种水下航行器，包括上述任一项所述的消声瓦。

本发明的有益效果在于：

本发明消声瓦结构采用碳纤维蜂窝作为内部骨架，蜂窝状的碳纤维骨架具有较高的结构强度，完美解决了深水下吸声结构空腔变形的难点。当潜艇位于300m深水环境时，该结构仍然能维持正常的吸声效果。本发明摆脱单一吸声结构原理局限性，融合空腔谐振型、阻抗过渡型及微粒填充型三种结构原理，设计出在低中高全频段都具有优良吸声性能的消声瓦。本发明的依据是为了规避敌方主动声呐探测，通过将外界发射来的声波尽量吸收进入消声瓦并消耗掉，实现潜艇的隐身性。

进一步地，本发明结构在制备过程中没有掺杂额外粘合剂，而是使用了内部材料层的材料聚氨酯完成整个结构粘接，使吸声效果的影响因素降到最低。

进一步地，通过多次试验，将透声层、吸声层和基底层设置为合适的厚度，并采用了组合式的空腔结构，进一步优化了消声瓦的性能。

本发明具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。

图1示出了根据本发明一实施例的消声瓦单胞结构的剖视图。

图2示出了根据本发明一实施例的消声瓦结构的俯视图。

图3示出了根据本发明一实施例的碳纤维骨架制作方法流程图。

附图标号

1-透声层，2-内部材料层，3-基底层，4-碳纤维骨架，5-3-第一圆柱腔，5-2-变径圆柱腔；5-1-第二圆柱腔；10-单胞结构。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明。虽然本发明提供了优选的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明一实施例提供了一种贴合于水下航行器壳体外表面的消声瓦，图1示出了本实施例的消声瓦单胞结构的剖视图。图2示出了本实施例消声瓦结构的俯视图。

请参照图1和图2，该消声瓦由多个相接的正六棱柱形单胞结构10紧密排布而成，其中所述单胞结构10从靠近所述壳体至远离所述壳体方向依次包括：

基底层3、吸声层和透声层1，三者的外表面轮廓构成的正六边形在所述正六棱柱轴线方向上的投影重合；

所述吸声层包括内部材料层2，和包裹所述内部材料层2的碳纤维骨架4，所述碳纤维骨架4和所述内部材料层2的外轮廓均为正六边形，所述内部材料层中2具有纵向贯穿所述内部材料层2的空腔。

具体地，该消声瓦单胞结构包括上中下三层基体结构，且三层基体结构的外轮廓均为正六边形，三者轴线重合垂直堆叠，使单胞结构构成正六棱柱形。其中，吸声层包括内部材料层2和包裹所述内部材料层2的碳纤维骨架4，每个单胞结构的碳纤维骨架4为正六边形，多个碳纤维骨架4构成蜂窝状，碳纤维复合材料具有高比强度，密度低等优点，具有优良的力学性能。

本发明消声瓦结构采用碳纤维蜂窝作为内部骨架，蜂窝状的碳纤维骨架具有较高的结构强度，完美解决了深水下吸声结构空腔变形的难点。当潜艇位于300m深水环境时，该结构仍然能维持正常的吸声效果。本发明摆脱单一吸声结构原理局限性，融合空腔谐振型、阻抗过渡型及微粒填充型三种结构原理，建立带有赫姆霍兹共振腔的模型。设计出在低中高全频段都具有优良吸声性能的消声瓦。从而有效的规避声呐探测，降低自身辐射噪声，实现潜艇的隐身功能。

本实施例中，所述空腔为组合形式的异形空腔，分为三部分，包括：靠近所述透声层1一侧的第一圆柱腔5-3靠近所述基底层3一侧的第二圆柱腔5-1；过渡连接于所述第一圆柱腔5-3和所述第二圆柱腔5-1之间的变径圆柱腔5-2，其中所述第一圆柱腔5-3的半径小于所述第二圆柱腔5-1的半径。该空腔结构使材料的压缩形变转变成剪切形变，同时引发共振，在低频吸声方面有了更好的效果

在一个具体的实例中，所述第一圆柱腔5-3的半径为1.5-2.5mm；所述第二圆柱腔5-1的半径为7.5-8.5mm。在另一个具体的实例中，所述变径圆柱腔5-2的高度至少为所述第一圆柱腔与所述第二圆柱腔的高度之和的3倍，如第一圆柱腔5-3与所述第二圆柱腔5-1的高度均为5mm，变径圆柱腔5-2的高度为40mm。

本实施例中，透声层1与水环境直接接触，它需要具备良好的防水防腐特点。通过密度与弹性模量的配置，控制特性阻抗与水相匹配，以保证声波能够更好的进入到整个消声瓦结构内部。本实施例中该层采用环氧树脂、发泡聚氨酯以及玻璃微珠组成，表面气密性良好，具有良好的防水性能。

内部材料层2采用弹性体聚氨酯，该类聚氨酯是一种粘弹性材料，它的吸声机制主要包括两种：一、以声波在材料内部引起的分子内摩擦及声波在不同介质界面上的耗能机制为基础。二，类似空气中赫姆霍兹共振器，声波进入空腔内部共振损耗。同时它具有制备工艺简单，吸声频率范围大，分子设计易于进行等优点。

基底层3采用经硫化的丁苯橡胶搭配玻璃微珠制备完成，它的特性阻抗是三层中最高的，同时橡胶具有良好的减振缓冲效果，因此它贴合钢板，在减振降噪的基础上起到阻抗过渡作用。结构内部的玻璃微珠起到降低密度以及散射声波作用。

碳纤维骨架4由正交分布的两层碳纤维布高温固化制成。采用模具法制备，具体为：参考图3，第一步，提供模具，模具为沿横截面对角线对剖的半正六棱柱钢材。第二步，将两层碳纤维平纹布预浸料裁切成宽度为50mm的窄条，按照图所示的方式绕模具铺放并压实。第三步，将缠绕有碳纤维平纹布预浸料的模具组在120℃、1.5个大气压的条件下固化两个小时，冷却、脱模。第四步，在制备了足够多的波纹条之后，将它们用碳纤维复合材料专用结构胶粘接起来，即可得到所需的碳纤维复合材料蜂窝骨架结构。

该宽频耐压型消声瓦结构采用中间吸声层的内部材料层聚氨酯充当粘合剂，经过高温固化使透声层、吸声层、基底层粘合为一体。优点是不需要掺入新的粘合剂，影响整个结构的吸声性能。

在一个实施例中，消声瓦的制备过程如下：透声层1厚度为5mm，采用环氧树脂、ab型发泡聚氨酯以及xld3000玻璃微珠在模具中常温固化制备，质量比例环氧树脂：发泡聚氨酯：玻璃微珠＝10:8:1。内部材料层2厚度为50mm，空腔结构上部圆半径为2mm，下部圆柱半径为8mm，上下圆柱空腔高度都为5mm。在模具腔中注入1085型弹性体聚氨酯，并放入烘箱中，100℃环境下放置4小时硫化。碳纤维蜂窝骨架由两层碳纤步高温高压制备而成，骨架壁厚0.2-0.4mm，如0.3mm。基底层3厚度为5mm，采用丁苯橡胶加上15％质量比的xld3000玻璃微珠常温固化成型。每层制备完成以后采用内部材料层2聚氨酯作为粘合剂高温高压固化一体成型。

制备完成的消声瓦结构中：透声层1密度为560kg/m³，弹性模量为2×10⁹pa，泊松比为0.42。内部材料层2密度为1042kg/m³，弹性模量为2×10⁸pa，泊松比为0.485，损耗因子为0.6。基底层3密度为1030kg/m³,弹性模量为7.7×10⁶pa，泊松比为0.49，损耗因子为0.5。

本发明另一实施例还提供了一种水下航行器，包括上述的消声瓦。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。