一种双螺旋耦合水下吸声超表面结构的制作方法

本发明属于声学超表面技术领域，具体涉及一种双螺旋耦合水下吸声超表面结构。

背景技术：

随着海洋装备的不断发展，水下声波的有效吸收越来越受到人们的关注。传统的水下吸声材料或结构，包括纯聚合物水下吸声材料、微粒填充型水下吸声材料、空腔谐振型水下吸声材料及多孔水下吸声材料等，其体积较大，结构尺寸与声波波长相接近，且低频吸声性能差。近年来兴起的水声吸声超材料，包括局域共振水声吸声超材料和非共振型水声吸声超材料。

相比传统吸声材料，局域共振水声吸声超材料能将吸声频率降低两个数量级，但受到局域共振的固有属性的限制，其低于500hz的低频吸声性能不足。非共振型水声吸声超材料基于声衰减和声散射原理，有较好的宽频吸声能力，但低频声波吸收能力仍不足。

综合来看，上述结构在水下普遍存在低频吸声性能不佳、结构厚度大的问题。

技术实现要素：

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，提供一种双螺旋耦合水下吸声超表面结构，解决传统水下吸声结构在普遍存在低频吸声性能不佳、结构厚度大的问题。

本发明采用以下技术方案：

一种双螺旋耦合水下吸声超表面结构，包括双螺旋耦合单元，双螺旋耦合单元包括多个，采用焊接或胶接方式设置在穿孔上面板和下面板之间，穿孔上面板上周期性的开有小孔，每个小孔对应一个双螺旋耦合单元，构成一种双螺旋耦合水下吸声超表面结构，通过下面板与水下装备连接。

具体的，双螺旋耦合单元包括层芯，层芯的内部设置有螺旋通道，阻尼内衬层设置在螺旋通道内，层芯的中心处设置有空腔，空腔的一侧与阻尼内衬层的一端连接，空腔与阻尼内衬层之间设置有环型隔板。

进一步的，螺旋通道宽度为5～15mm，高度为10～25mm。

更进一步的，螺旋通道的形状包括方形螺旋，圆弧型螺旋或多尺寸多形状的混杂螺旋；螺旋通道的圈数至少为2圈。

进一步的，阻尼内衬层的厚度为1.5～5mm。

进一步的，环型隔板的厚度为0.2～1mm。

进一步的，空腔的长度为3～8mm。

具体的，小孔在穿孔上面板上交替排布，小孔的直径为1～5mm，小孔的形状包括圆形，三角形、方形、花瓣形或不规则形。

具体的，穿孔上面板1的厚度为0.2～2mm。

具体的，双螺旋耦合水下吸声超表面结构在100～300hz内的吸声峰值大于0.99。与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种双螺旋耦合水下吸声超表面结构，通过焊接或胶接穿孔上面板、层芯、下面板，形成多个双螺旋耦合单元，并在双螺旋耦合单元的螺旋通道的四周侧壁上粘贴阻尼内衬层，形成双螺旋互相耦合，改善了结构的声阻抗特性，提高了结构的低频吸声性能。螺旋型通道结构的设计能在实现良好的低频水下吸声性能的前提下，减小了结构的厚度，保证了结构的亚波长尺度的超薄特性，解决了传统水下吸声结构在普遍存在低频吸声性能不佳、结构过厚的问题。

进一步的，层芯的螺旋通道的宽度为5～15mm，高度为10～25mm，螺旋形状包括方形螺旋，圆弧型螺旋或多尺寸多形状的混杂螺旋，螺旋圈数至少为2圈，螺旋通道作为亥姆霍兹共振腔，起着声容的作用，螺旋通道的宽度、高度与圈数决定了双螺旋耦合单元的尺寸，通过调节螺旋通道的尺寸和形状能够调节结构的峰值吸声频率。

进一步的，阻尼内衬层的厚度为1.5～5mm，阻尼内衬层的厚度决定了额外增加的声阻和声容的大小，对结构的声阻抗特性会产生影响，通过合理设计可以实现特定频率的优异吸声效果。

进一步的，环型隔板的厚度为0.2-1mm，截面形状与阻尼内衬层的截面形状相同，用于固定阻尼内衬层的螺旋边界端。

进一步的，空腔的长度为3-8mm，用于连通上面板穿孔和螺旋通道。

进一步的，穿孔上面板上对应双螺旋耦合单元周期性的开有小孔，穿孔的设置将使双螺旋耦合单元内部与外部连通，水通过穿孔流入双螺旋耦合单元内部，双螺旋耦合单元的中心设置有空腔，用于连通上面板穿孔和螺旋通道，空腔与螺旋通道间设置有环型隔板，用于固定阻尼内衬层的螺旋边界端。

进一步的，小孔在穿孔上面板上交替排布，形状为圆形、三角形、方形、花瓣形或不规则形，直径为1～5mm，通过调节小孔的孔径、形状，能够调节结构的吸声性能。

进一步的，穿孔上面板采用结构钢制成，厚度为0.2～2mm，穿孔上面板的厚度决定了穿孔的高度，控制着结构的共振吸声特性。

进一步的，阻尼内衬层采用粘弹性材料制备而成，粘贴于每一个双螺旋耦合单元的螺旋通道的侧壁上，阻尼内衬层的粘贴为螺旋通道提供了额外的声阻和声容，改善了结构的阻抗特性，有利于实现结构的低频水下吸声。

综上所述，本发明具有优异的低频吸声性能以及深亚波长结构尺寸。在设计方面具有更多的可调结构参数，可根据实际工况需求进行相应调节，结构简单，易于制造。

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。

附图说明

图1为本发明水下吸声超表面结构示意图；

图2为本发明双螺旋耦合单元的分解图；

图3为本发明三个实施例在100～300hz内的吸声系数示意图。

其中：1.穿孔上面板；2.层芯；3.阻尼内衬层；4.环型隔板；5.下面板。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

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，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种双螺旋耦合水下吸声超表面结构，通过焊接或胶接穿孔上面板、层芯和下面板，形成多个双螺旋耦合单元，并在双螺旋耦合单元的侧壁上粘贴阻尼内衬层，改善了结构的声阻抗特性，提高了结构的低频宽带吸声性能。平面螺旋型背腔结构在实现良好的低频水下吸声性能的前提下，减小了结构厚度，保证了结构深亚波长尺寸特性，解决了传统水下吸声结构在普遍存在低频吸声性能不佳、结构过厚的问题。

请参阅图1，本发明一种双螺旋耦合水下吸声超表面结构，包括穿孔上面板1、双螺旋耦合单元和下面板5，双螺旋耦合单元包括多个，设置在穿孔上面板1和下面板5之间，穿孔上面板1上周期性的开有小孔，每个小孔对应一个双螺旋耦合单元，构成一种双螺旋耦合水下吸声超表面结构。

双螺旋耦合单元包括层芯2、阻尼内衬层3和环型隔板4，层芯2的内部设置有螺旋通道，阻尼内衬层3设置在螺旋通道内，层芯2的中心处设置有空腔，空腔的一侧与阻尼内衬层3的一端连接，空腔与阻尼内衬层3之间设置有环型隔板4。

请参阅图2，层芯2采用结构钢制成，层芯2的螺旋通道宽度为5～15mm，高度为10～25mm；阻尼内衬层3粘贴于每一个双螺旋耦合的螺旋通道侧壁上，阻尼内衬层3的厚度为1.5～5mm；环型隔板4的厚度为0.2～1mm；空腔的长度为3～8mm。

阻尼内衬层3为实心结构，粘贴于每一个双螺旋耦合单元的螺旋通道的侧壁上。

阻尼内衬层3的螺旋形状包括方形螺旋，圆弧型螺旋或多尺寸多形状的混杂螺旋；螺旋圈数至少为2圈。

制成阻尼内衬层3的材料不限于橡胶，聚氨酯等粘弹性材料均可。

穿孔上面板1、层芯2和下面板5之间采用焊接或胶接方式连接。

穿孔上面板1采用结构钢制成，穿孔上面板1上周期性的开有小孔，且穿孔上面板1上每一个小孔对应层芯结构中的一个双螺旋耦合单元，小孔的直径为1～5mm，穿孔上面板1的厚度为0.2～2mm。

除此之外，穿孔上面板1上的小孔形状不限于圆形，三角形、方形、花瓣形或不规则形小孔均可。

下面板5采用结构钢制成，下面板5用于固定在需要声学处理的水下装备上。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明由穿孔上面板、层芯、阻尼内衬层、环型隔板，下面板组成，其吸声性能主要由双螺旋耦合腔结构决定，包括穿孔直径、穿孔上面板厚度、螺旋通道宽度、高度和圈数、阻尼内衬层厚度决定。由于这些结构参数均为可调参数，所以可以通过调节实现相应的吸声、结构超薄化。下面通过具体实施例进行对本发明技术方案进行示例性说明。

实施例所用材料：

结构钢：密度7850kg/m³，杨氏模量200gpa，泊松比0.3。

橡胶：密度1100kg/m³，杨氏模量10mpa，泊松比0.49，等效各向同性损耗因子为0.1。

水：密度1000kg/m³，声速1500m/s，动力粘度系数0.00101pa·s。

实施例的结构尺寸以及材料选择：

实施例1

小孔直径为4.8mm，穿孔上面板厚度0.5mm，螺旋通道宽度为8.8mm，高度为19.4mm，阻尼内衬层厚度为2.4mm，环型隔板厚度为0.2mm，空腔长度为5.8mm，螺旋圈数3圈。

实施例2

小孔直径为3.3mm，穿孔上面板厚度0.2mm，螺旋通道宽度为6.4mm，高度为17.8mm，阻尼内衬层厚度为1.7mm，环型隔板厚度为0.2mm，空腔长度为4.3mm，螺旋圈数3圈。

实施例3

小孔直径为2.6mm，穿孔上面板厚度1.5mm，螺旋通道宽度为7.6mm，高度为18.1mm，阻尼内衬层厚度为1.9mm，环型隔板厚度为0.2mm，空腔长度为3.6mm，螺旋圈数3圈。

请参阅图3，实施例1在151hz处达到完美吸声，吸声系数的最大值为0.99，结构厚度为波长的1/497；

实施例2在215hz处达到完美吸声，吸声系数的最大值为0.99，结构厚度为波长的1/387；

实施例3在182hz处达到完美吸声，吸声系数的最大值为0.99，结构厚度为波长的1/421；

从吸声系数曲线可以看出本发明可以在一定的频率范围内实现优异的低频吸声性能，并且结构具有深亚波长结构尺寸特性。

综上所述，本发明一种双螺旋耦合水下吸声超表面结构具有以下技术效果：

1、具有优异的低频吸声性能。

本发明在100～300hz的范围内，吸声峰值达到0.99以上，实现完美吸声。

2、具有深亚波长结构尺寸特性。

本发明结构尺寸仅为工作波长的1/497，属于深亚波长结构尺寸范围，结构厚度超薄。

3、具有更多的可调参数和变量。

本发明中的穿孔直径、穿孔上面板厚度、螺旋通道宽度、高度、阻尼内衬层厚度等均为可调参数，可以根据具体的使用场景，如对低频吸声的要求或对结构厚度的要求合理的进行选择调整。

4、结构简单，易于制造。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

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