[发明专利]水声材料三维几何形貌检测方法及系统

说明书

本发明公开了一种水下变温变压模拟环境下水声材料三维几何形貌的检测方法和系统，基于CT扫描和重构技术，对置于一个变温变压容器内的水声材料样品进行CT断层扫描检测，然后对样品的CT断层扫描图像进行三维几何重构，即可准确得到相应工况下水声材料样品的三维几何形貌。基于本发明的检测方法还实现了一种水声材料静态体积压缩模量的检测方法，可准确测量材料在相应工况下的静态体积模量。本发明提出的检测方法实现了水声材料在水下变温变压模拟环境下的表观外形三维几何形貌、内部空腔三维几何形貌、内部微结构/掺杂材料三维几何形貌的直接测量，能为水声材料设计和性能评价提供具有十分重要的参考依据。

技术领域

本发明属于水声材料的检测与设计领域，具体涉及模拟水声材料在水下变温变压模拟环境中三维几何形貌的检测方法和检测系统，以及基于水声材料三维几何形貌检测方法的静态体积压缩模量的检测方法。

背景技术

水声材料主要用于水下航行器的振动与声学处理，如敷设于航行器艇体表面用于减少声呐回波的吸声覆盖层和降低艇体自身振动向水域中辐射噪声的的隔声去耦覆盖层等，目前已经得到广泛应用。

传统的水声材料主要以粘弹性材料为主，主要的基材采用橡胶材料和聚氨酯材料。为了满足各种实际应用场合，其内部往往内嵌空腔结构(如图1所示)或含发泡(如图2所示)等结构，用来增强内部的散射、共振等效应，进一步增大材料内部的损耗，实现提高材料层的振动与声的阻尼与吸收性能。

为了设计并制备出满足实际应用条件下的水声材料，首先需要材料的基本物理参数和几何参数，再利用有限元等方法预测和优化设计出相应的水声材料。材料的声学参数主要包括密度、动态模量和损耗因子等，目前已经有相应的商用设备和实验装置进行测试；材料的几何参数主要包括材料层的厚度、内含空腔或散射体等结构的几何形貌。

由于实际水声材料往往工作在水下不同温度(取决于水域、水深和季节时间等因素，变化范围通常为4～40℃)和静水压(取决于其工作水深，变化范围通常为0～3MPa)环境，其物理参数和几何参数都会随温度和压力产生相应变化，尤其对于如含腔结构、含气泡等类型的水声材料，其内部几何结构随静水压力的变化往往会产生显著变化。目前，不同压力下的物理参数已经有相应方法通过实验测定，但其几何变化还没有直接检测方法测量，只能通过静力学分析进行数值仿真预测。这些仿真计算中所须的材料的静态模量和泊松比等一般由万能材料试验机测试或经验估算得到，而材料试验机测得的模量非水声材料相应温度和静水压(或称为环境压力或围压)下的真实力学参数，此外，由于实际粘弹性水声材料在较大静水压下材料自身可能具有非线性，给直接静态形变的准确仿真增加了非线性参数(待测)并带来额外的困难。同时，在进行静力学的数值预测中往往还引入了一些过于简化的边界条件，通过数值仿真分析得到的相应工况下材料层的三维几何往往与真实条件下的结果存在很大差异，而目前缺少直接测试结果检验仿真结果的准确性，进而将很大程度上影响最终设计结果的可靠性。此外，对于一些含腔结构在实际受静水压条件下内部空腔受压产生显著变形，进而导致整个材料层的表观等效密度增大。如果不能提前检测水声在相应工况下的三维几何形变，甚至可能会给航行器的安全性带来隐患。目前，由于缺少可以在水下变温变压模拟环境下水声材料三维几何的直接准确检测方法和装置，较严重地制约了水声材料的设计和研制。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于，提供一种水下变温变压模拟环境下水声材料三维几何的直接且准确的检测方法；并基于此方法，提供一种在相应基准温度和基准压力下材料静态体积压缩模量的检测方法；同时提供上述检测所需的一种水下变温变压模拟环境下水声材料三维几何形貌检测系统，以解决背景技术中所提的当前检测技术的不足。