[发明专利]一种水下吸声超构材料

说明书

本发明公开一种水下吸声超构材料，属于水下吸声技术领域。水下吸声超构材料包括周期性排布的元胞，元胞为夹层结构，沿声波入射传播方向，上下两层为低吸水率纤维增强树脂面板，中间为内嵌孔腔和高密度质量块的高阻尼聚合物，高阻尼聚合物内部包含上下两个圆柱孔腔，高密度质量块位于两个孔腔之间且不与孔腔直接相连；上层孔腔的直径低于下层孔腔的直径，且两者均大于高密度质量块的直径，高密度质量块的高度与上下两个孔腔间的间距之比为0.8～0.9。本发明的水下吸声超构材料元胞结构简单、原材料易得、易于制备，元胞单元参数可设计性强，可以灵活调整超构材料的吸声性能，满足轻质和低频宽带吸声的一体化需求。

技术领域

本发明属于水下吸声技术领域，具体涉及一种水下吸声超构材料。

背景技术

为提升水下隐蔽性和生存能力，水下装备通常需要在其表面敷设一层声学覆盖层，以隔绝自身噪声向外辐射，同时通过吸声主动声纳的声波降低自身的声目标强度。内含孔腔的吸声覆盖层聚合物是低频吸声的主要结构之一，以Alberich型结构为典型代表，其在聚合物材料内部分布有若干层周期性排布的圆柱形孔腔，且每一层的孔腔大小和分布均不一样，聚合物采用特性阻抗与水相近的橡胶或者聚氨酯以实现阻抗匹配，使得声波能够最大限度的进入吸声材料内部，从而实现宽频带的有效吸声。但由于谐振孔腔的吸声频率近似与孔腔体积的立方根成反比，因此低频吸声往往需要大尺度的孔腔才能实现，并且圆柱孔腔也存在共振吸声频率较窄的缺点。“倒喇叭”外形的孔腔兼具阻抗渐变和谐振吸声的优点，可以进一步拓展宽带吸声效果。在聚合物内部引入局域共振单元可以有效实现低频高效吸声，作用频率可降低至1kHz甚至更低，可以对抗低频主动声纳的探测威胁。

然而，当前吸声覆盖层通常将橡胶聚合物材料直接裸露在海洋环境中，一方面需要直接承受高静水压力，导致聚合物内部的孔腔发生变形，吸声性能下降；并且当聚合物内部的孔腔尺寸较大时，还易导致变形集，反复变形将导致吸声覆盖层外形的不规则变化，增加航行阻力。另一方面，暴露于海水中的聚合物更要经受经年累月的海水冲刷，可导致腐蚀损坏，严重时甚至将导致吸声覆盖层脱落，使其失去声学保护作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种水下吸声超构材料，采用低吸水率纤维增强树脂面板将聚合物与海水隔绝，解决传统含孔腔聚合物直接暴露于海洋环境、承受水压时聚合物局域变形大导致表面不平整和声学性能下降的技术问题，同时保持良好的低频宽带吸声性能。

为达到上述目的，解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

本发明提出一种水下吸声超构材料，包括周期性排布的元胞，元胞为夹层三明治结构，沿声波入射传播方向，上下两层为低吸水率纤维增强树脂面板，中间为内嵌孔腔和高密度质量块的高阻尼聚合物，高阻尼聚合物内部包含上下两个圆柱孔腔，高密度质量块位于两个孔腔之间且不与孔腔直接相连，上层孔腔的直径低于下层孔腔的直径，且两者均大于高密度质量块的直径，质量块的高度与上下两个孔腔间的间距之比为0.8～0.9。

进一步的，高阻尼聚合物内部的孔腔及高密度质量块在水平方向上位于元胞的中心，并沿声波入射方向轴对称分布于元胞的纵向轴线上。

进一步的，元胞中高阻尼聚合物的高度为50mm，采用改性橡胶或改性聚氨酯制成，弹性模量为20～30MPa，各向同性损耗因子为0.5～0.6。

进一步的，上下两层低吸水率纤维增强树脂面板厚度为1～2mm，采用连续玻璃纤维增强不饱和乙烯基树脂材料制成。

本发明的有效收益如下：

1.本发明提出的一种水下吸声超构材料，采用低吸水率的纤维增强树脂面板隔绝阻尼聚合物与海水的直接接触，增强了吸声覆盖层的耐海洋腐蚀及耐冲刷性能，同时低吸水率可以减小海水渗透，提高材料的服役性能，增加服役时间。

2.本发明提出的一种水下吸声超构材料，采用孔腔-质量块-孔腔的组合实现低频宽带吸声性能，特别是通过控制质量块端面与上下孔腔断面之间的距离，有效提升了低频吸声性能。