CN107578767A - 一种带金属骨架的空腔吸声尖劈复合体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带金属骨架的空腔吸声尖劈复合体，属于水体环境吸声尖劈技术领域。该尖劈复合体包括吸声底板，吸声尖劈和n个金属骨架；吸声尖劈固定连接在吸声底板的上方；吸声尖劈包括基部和尖部；尖部由n个圆锥形的尖部单元构成；尖部单元阵列排布在基部的上表面、且尖端向上；每个尖部单元的内部设有圆台形空腔；圆台形空腔的底部延伸至基部的底部，且圆台形空腔的顶端口径缩小，并沿圆台形空腔的中心轴向尖劈单元的尖端延伸有长条形空腔；每个尖部单元的壁体内部或由每个尖部单元与基部围成的壁体内部都嵌有一个金属骨架。本发明兼具一定的结构强度和优良的吸声效果。本发明适用于水下环境，如消声水池、舰艇的水声平台区域等。

Description

一种带金属骨架的空腔吸声尖劈复合体

技术领域

本发明涉及一种带金属骨架的空腔吸声尖劈复合体，属于水体环境吸声尖劈技术领域。

背景技术

尖劈具有阻抗逐渐过渡的性质，通过在其内部设置空腔结构，使其兼具谐振吸声的特点，同其他吸声结构相比在低频下具有优良的吸声性能，是一种性能良好的吸声结构。在消声水池、大型消声室及舰艇上，吸声尖劈结构得到广泛应用。尤其是将其敷设于艇体声呐平台区的无需透声的壁板上，可以有效降低声呐平台区噪声干扰，具有较强的工程应用价值。我国自20世纪70年代开始开展了吸声尖劈的研究工作，大量的工作主要集中在对尖劈吸声性能的影响因素上，如尖劈长度、材料属性、内部空腔等。但鉴于水下环境中的吸声尖劈还要受水压的作用，随着水深的增加，水压对尖劈的作用力也逐渐增加，这就要求空腔吸声尖劈在满足吸声性能的前提下，自身还要具有一定的强度。而现有的尖劈产品由于其自身结构形式和材料强度的限制而不能够适用于高强度压力的作业环境，如高静水压力环境。

发明内容

为解决现有尖劈由于其自身强度的限制而不能够适用于高静水压力环境中作业的问题，本发明开发了一种同时具有优良吸声性能和结构强度的吸声尖劈，能够满足水下环境使用要求，采用的技术方案是：

一种带金属骨架的空腔吸声尖劈复合体，该尖劈复合体包括吸声底板A，吸声尖劈B和n 个金属骨架C；所述吸声尖劈B固定连接在吸声底板A的上方；所述吸声尖劈B包括基部1和尖部2；所述基部1和尖部2一体成型；所述基部1呈长方体；所述尖部2由n个圆锥形的尖部单元 21构成；所述尖部单元21阵列排布在基部1的上表面、且尖端向上；每个所述尖部单元21的内部设有圆台形空腔22；所述圆台形空腔22的底部延伸至基部1的底部，且所述圆台形空腔22 的顶端口径缩小，并沿圆台形空腔22的中心轴向尖劈单元21的尖端延伸有长条形空腔23；每个所述尖部单元21的壁体内部或由每个所述尖部单元21与基部1围成的壁体内部都嵌有一个所述金属骨架C；；所述n为不小于1的整数。

进一步地，所述基部1与尖部2的高度比为1:4～1:5。

进一步地，所述圆台形空腔22和长条形空腔23的高度之和与吸声尖劈B的高度之比为3:5。

进一步地，所述圆台形空腔22和长条形空腔23的高度之比2:1。

进一步地，为满足不同使用情况，所述尖劈复合体的高度为110mm～190mm。

进一步地，所述吸声底板A的厚度为10mm～20mm。

进一步地，所述金属骨架C的厚度为3mm～5mm。

进一步地，所述金属骨架C为通孔泡沫钛或者通孔泡沫铝。

进一步地，所述吸声底板A的材料为高分子粘弹性材料；优选为吸声橡胶或者聚氨酯。

进一步地，所述吸声尖劈B的材料为高分子粘弹性材料。优选为吸声橡胶或者聚氨酯。

进一步地，所述尖部单元21的顶端为平头或尖头。

进一步地，所述尖部单元21呈矩形阵列排布。如按照4×4矩形阵列排布。

进一步地，每个所述金属骨架C呈圆台形或圆锥形地嵌于每个所述尖部单元21的壁体内部或由每个所述尖部单元21与基部1围成的壁体内部。

进一步地，所述吸声底板A的长、宽与吸声尖劈B底面的长、宽一致。

本发明中吸声底板A与吸声尖劈B分别成型，并固定连接，如通过耐水胶粘接。

本发明中吸声尖劈B成型时，金属骨架C预先安放在吸声尖劈B空腔的模具上，在浇筑吸声尖劈B之后将其留置在吸声尖劈B的实体内。

本发明中吸声尖劈B的壁体是指由每个尖部单元21和其底部对应的基部1围成的部分。

本发明中吸声尖劈B由金属骨架C、实体结构(吸声尖劈B的壁体)和内部空腔构成，实体结构底部呈长方体型、顶部为由锥体组成的尖端向上的结构(尖部2)按照阵列排布而成(如各锥体以4×4方阵排列)，每个锥体的顶端可以为尖头，也可以为平头结构；金属骨架C位于吸声尖劈B内，按照与吸声尖劈B的尖部2相同的位置和方式排布(如以4×4方阵排列)，且完全浸入吸声尖劈的壁体中；内部空腔由两部分组成：底部为梯形截面的锥体结构(圆台形)，顶部为矩形截面的片体结构(长条形)，底部空腔一端贯通实体结构的长方体部分，另一端延伸到锥体中一定位置处，上部片体空腔沿底部空腔继续向锥体尖部方向延伸一定距离。金属骨架C可以是部分或全部充满于尖劈锥体内。

本发明有益效果：

本发明提供了一种带金属骨架的空腔吸声尖劈复合体，该尖劈复合体既具有优良的吸声效果，同时兼具一定的结构强度。第一，本发明通过增加通孔金属骨架增加了尖劈结构的强度和刚度，以适应高静水压力环境；第二，本发明是在具有优异吸声性能的聚氨酯弹性体或橡胶材料中，引入金属骨架，将材料的耐压性、阻尼性能和吸声性能分配到金属骨架和吸声材料两种材料上，这样两种材料可以发挥各自的优势；第三，本发明将金属骨架嵌入吸声尖劈内部，与吸声尖劈的吸声材料(吸声橡胶或聚氨酯)组装形成互穿网状结构，使得吸声材料充满于金属骨架孔隙，两者紧密结合，此种改进增加了材料的阻尼损耗因子，进而增加声波在尖劈内的损耗，从而提高了尖劈的减振吸声性能；第四，本发明形成的互穿网状结构存在大量非均匀声子晶体结构，形成局部共振、约束阻尼、材料的内摩擦等多种机理并存的吸声技术，在较宽频段内极大地增强材料的吸声效果；第五，本发明通过将互穿网状结构与尖劈空腔结构结合，形成强强联合的强吸声结构，可在低频及较宽频段内、较大静水压力下实现优异的吸声性能；第六，本发明基于现有的尖劈空腔形式，进行声学性能优化设计，得出本发明的空腔形式，其下部为圆台形，上部为矩形空腔，仿真结果表明含有此种空腔形式的尖劈，在1k～4kHz频段内，比现有的含空腔尖劈最小吸声系数提升了57％；第七，本发明结构形式简单，材料易于切割，可以适用不同使用位置的施工要求。第八，本发明可适用于水下环境，如消声水池、舰艇的水声平台区域等。

通常在在提高结构强度的同时会对吸声性能带来影响，如通过对尖劈自身材料进行改进而提高结构强度时会影响尖劈的吸声性能，而本发明吸声尖劈复合体通过采用互穿网状结构能够克服在提高结构强度时对吸声性能带来的影响，反而能在一定程度上增强其吸声性能。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明的沿图2中D-D方向的剖视图；

(A，吸声底板；B，吸声尖劈；C，金属骨架；1，基部；2，尖部；21，尖部单元；22，圆台形空腔；23，长条形空腔)。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。

实施方式一

结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种带金属骨架的空腔吸声尖劈复合体，该尖劈复合体包括吸声底板A，吸声尖劈B和n个金属骨架C；吸声尖劈B固定连接在吸声底板A的上方；吸声尖劈B包括基部1和尖部2；基部1和尖部2一体成型；基部1呈长方体；尖部2由n个圆锥形的尖部单元21构成；尖部单元21阵列排布在基部1的上表面、且尖端向上；每个尖部单元21的内部设有圆台形空腔22；圆台形空腔22的底部延伸至基部1的底部，且圆台形空腔22的顶端口径缩小，并沿圆台形空腔22的中心轴向尖劈单元21的尖端延伸有长条形空腔23；每个所述尖部单元21的壁体内部或由每个所述尖部单元21与基部1围成的壁体内部都嵌有一个所述金属骨架C；n为不小于1的整数。

本实施方式尖部单元21可以呈矩形阵列排布，本实施方式以尖部单元21按照4×4方阵排列的方式举例说明，其它形式的阵列也都适用于本发明，当n＝1时即为单个尖劈结构。

本实施方式中每个所述金属骨架C可以仅嵌于每个所述尖部单元21的壁体内部或内壁表面，也可以嵌于由每个所述尖部单元21与基部1围成的壁体内部或内壁表面，即金属骨架 C的底端可以在尖部单元21内，也可以延伸至基部1的壁体内，也可以直接延伸至基部1的底端(如图3所示)。

本实施方式中的尖劈复合体的剖视图如图3，图3为沿着每个横排尖部单元中心轴的剖视图，竖排的剖视图与图3中的结构相同。本实施方式中每个尖部单元21的下方都对应一个圆台形空腔22，但是每个尖部单元21的下方对应的每个圆台形空腔22不互通。

本实施方式中每个所述金属骨架C可以呈圆台形地嵌于每个所述尖部单元21的壁体内部，也可以呈圆锥形地嵌于由每个所述尖部单元21与基部1围成的壁体内部。其中当金属骨架C呈圆台形地嵌于每个尖部单元21的壁体内部中时，金属骨架C可以围着圆台形空腔22 布置，即金属骨架C的顶端可以以圆形空腔22的顶端为起点向基部1的底部方向延伸至基部1的底端，如图3所示。当金属骨架C呈圆锥形地嵌于每个尖部单元21的壁体内部中时，金属骨架C的顶部可以延伸至尖部单元21的顶部。

本实施方式中每个尖部单元21与基部1围成的壁体是指图3中基部1和尖部单元21一体成型而成的壁体，即包围内部空腔(圆台形空腔22和长条形空前23)的壁体。

本实施方式中吸声底板A与吸声尖劈B分别成型，并固定连接，如通过耐水胶粘接。

本实施方式的声尖劈B成型时，金属骨架C预先安放在吸声尖劈B空腔的模具上，在浇筑吸声尖劈B之后将其留置在吸声尖劈B的实体内。本实施方式的金属骨架C采用通孔泡沫金属。

本实施方式中吸声底板A的长、宽可以与吸声尖劈B底面的长、宽一致。

本实施方式中吸声尖劈B的壁体是指由每个尖部单元21和其底部对应的基部1围成的部分。

本发明中吸声尖劈B由金属骨架C、实体结构(吸声尖劈B的壁体)和内部空腔构成，实体结构底部呈长方体型、顶部为由锥体组成的尖端向上的结构(尖部2)按照阵列排布而成(如各锥体以4×4方阵排列)，每个锥体的顶端可以为尖头，也可以为平头结构；金属骨架C位于吸声尖劈B内，按照与吸声尖劈B的尖部2相同的位置和方式排布(如以4×4方阵排列)，且完全浸入吸声尖劈的壁体中；内部空腔由两部分组成：底部为梯形截面的锥体结构(圆台形)，顶部为矩形截面的片体结构(长条形)，底部空腔一端贯通实体结构的长方体部分，另一端延伸到锥体中一定位置处，上部片体空腔沿底部空腔继续向锥体尖部方向延伸一定距离。金属骨架C可以是部分或全部充满于尖劈锥体内。

本实施方式的吸声尖劈复合体既具有优良的吸声效果，同时兼具一定的结构强度。

本实施方式的吸声尖劈复合体通过增加通孔金属骨架增加了尖劈结构的强度和刚度，以适应高静水压力环境。

本实施方式的吸声尖劈复合体将通孔金属骨架嵌入吸声尖劈内部，与吸声尖劈的吸声材料(吸声橡胶或聚氨酯)形成互穿网状结构，使得吸声材料充满于金属骨架孔隙，两者紧密结合，此种改进增加了材料的阻尼损耗因子，进而增加了声波在尖劈内的损耗，从而提高了尖劈的减振吸声性能。

本实施方式的吸声尖劈复合体形成的互穿网状结构存在大量非均匀声子晶体结构，形成局部共振、约束阻尼、材料的内摩擦等多种机理并存的吸声技术，在较宽频段内极大地增强材料的吸声效果；

本实施方式的吸声尖劈通过将互穿网状结构与尖劈空腔结构结合，形成强强联合的强吸声结构，可在低频及较宽频段内、较大静水压力下实现优异的吸声性能。

本实施方式的吸声尖劈复合体基于现有的尖劈空腔形式，进行声学性能优化设计，得出本发明的空腔形式，其下部为圆台形，上部为矩形空腔，仿真结果表明含有此种空腔形式的尖劈，在1k～4kHz频段内，比现有的含空腔尖劈最小吸声系数提升了57％。

本实施方式的吸声尖劈复合体结构形式简单，材料易于切割，可以适用不同使用位置的施工要求。

本实施方式的吸声尖劈复合体适用于水下环境，如消声水池、舰艇的水声平台区域等。

以艇体声呐舱内的实际应用为例，利用本实施方式的带金属骨架的空腔吸声尖劈复合体，采用胶粘剂将吸声尖劈复合体粘接到声呐平台区的后壁板以及将声呐平台区和上层建筑艏部分开的水平平台。胶粘剂要耐水并提供一定的粘接强度。为适应特殊部位施工，吸声尖劈在裁剪时应尽量少破坏内部空腔。

实施方式二

本实施方式是对实施方式一中的基部1与尖部2进一步限定，本实施方式中基部1与尖部2 的高度比为1:4～1:5。

本实施方式中限定的基部1与尖部2的高度比为1:4～1:5，并且其中基部1与尖部2的高度比为1：4时效果最好。以上参数均是通过仿真优化，得出的在工作频段内吸声系数曲线最优的结果。

实施方式三

本实施方式是对实施方式一至二中任意实施方式的吸声尖劈B的尺寸比例进一步限定，本实施方式中圆台形空腔22和长条形空腔23的高度之和与吸声尖劈B的高度之比为3:5；圆台形空腔22和长条形空腔23的高度之比2:1。

本实施方式限定的吸声尖劈B的尺寸比例，以上比例是通过仿真优化，得出的在工作频段内吸声系数曲线最优的结果。

实施方式四

本实施方式是对实施方式一至三中任意实施方式的尖劈复合体的高度进一步限定，本实施方式中尖劈复合体的高度为110mm～190mm。

本实施方式限定的尖劈复合体的高度为110mm～190mm，可以满足不同的使用情况，可以根据不同的使用位置、使用要求、使用环境等选用不同尺寸的尖劈复合体。

实施方式五

本实施方式是对实施方式一至四中任意实施方式的吸声底板A的厚度进一步限定，本实施方式中吸声底板A的厚度为10mm～20mm。

本实施方式限定的吸声底板A的厚度为10mm～20mm，吸声底板的目的是封堵吸声尖劈底部，保证吸声尖劈空腔密闭不透水，吸声底板的厚度范围是综合考虑仿真结果、工程应用、安装空间等条件而得出的。

实施方式六

本实施方式是对实施方式一至五中任意实施方式的金属骨架C的厚度进一步限定，本实施方式中金属骨架C的厚度为3mm～5mm。

本实施方式限定的金属骨架C的厚度为3mm～5mm，该范围是通过仿真优化，得出的在工作频段内吸声系数曲线最优的结果。

实施方式七

本实施方式是对实施方式一至六中任意实施方式的金属骨架C的材料进一步限定，本实施方式中金属骨架C为通孔泡沫钛或者通孔泡沫铝。

本实施方式限定的金属骨架C为通孔泡沫钛或者通孔泡沫铝，该泡沫金属都具有密度小、比表面积大、隔音降噪效果好等优点，其中，通孔泡沫钛在比强度、耐腐蚀性等方面优于通孔泡沫铝，但成本较高。

实施方式八

本实施方式是对实施方式一至七中任意实施方式的吸声底板A和吸声尖劈B的材料进一步限定，本实施方式中吸声底板A和吸声尖劈B的材料均为高分子粘弹性材料，优选为吸声橡胶或者聚氨酯。

本实施方式限定吸声底板A的材料为高分子粘弹性材料，利用高分子材料的粘弹内耗性能，将吸收的声能或机械能转变为热能耗散，其中吸声橡胶或者聚氨酯具有较高的阻尼机制，且易于成型加工，具有优良的耐腐蚀性能。

同时，本实施方式在具有优异吸声性能的聚氨酯弹性体或橡胶材料中，引入金属骨架，将材料的耐压性、阻尼性能和吸声性能分配到金属骨架和吸声材料两种材料上，这样两种材料可以发挥各自的优势。

实施方式九

本实施方式是对实施方式一至八中任意实施方式的尖部单元21的顶端形状进一步限定，本实施方式中尖部单元21的顶端为平头或尖头。

本实施方式限定尖部单元21的顶端为平头或尖头，可根据尖劈的使用环境和用途等方面综合选用，其中在高静水压力下，平头的尖部与水的接触面积相对较大，分散水压力的效果更好最好。

实施方式十

本实施方式是在实施方式一上进一步限定各构件的具体参数，本实施方式中吸声尖劈复合体的总高度为120mm，吸声底板厚度为20mm，吸声尖劈高度100mm。其中吸声尖劈实体 7的高度为20mm，8的高度为80mm；尖劈空腔5的高度为40mm，6的高度为20mm。

本实施方式中吸声底板A和吸声尖劈B的材质均为聚氨酯材料，吸声底板A和吸声尖劈 B采用万能强力胶进行连接，金属骨架为3D打印通孔泡沫钛。

本实施方式的吸声尖劈复合体，在3MPa静水压力下，在工作频段500-1000Hz内的最大吸声系数可达到0.6。

实施方式十一

本实施方式与实施例十的区别在于：吸声尖劈复合体的总高度为160mm，吸声底板厚度为10mm，吸声尖劈高度为150mm。其中吸声尖劈实体7的高度为30mm，8的高度为120mm；尖劈空腔5的高度为60mm，6的高度为30mm。

本实施方式的的吸声尖劈复合体，在3MPa静水压力下，在工作频段500-1000Hz内的最大吸声系数可达到0.8。

实施方式十二

本实施方式与实施例十一的区别在于：金属骨架是采用的通孔泡沫铝。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种带金属骨架的空腔吸声尖劈复合体，其特征在于，包括吸声底板(A)，吸声尖劈(B)和n个金属骨架(C)；所述吸声尖劈(B)固定连接在吸声底板(A)的上方；所述吸声尖劈(B)包括基部(1)和尖部(2)；所述基部(1)和尖部(2)一体成型；所述基部(1)呈长方体；所述尖部(2)由n个圆锥形的尖部单元(21)构成；所述尖部单元(21)阵列排布在基部(1)的上表面、且尖端向上；每个所述尖部单元(21)的内部设有圆台形空腔(22)；所述圆台形空腔(22)的底部延伸至基部(1)的底部，且所述圆台形空腔(22)的顶端口径缩小，并沿圆台形空腔(22)的中心轴向尖劈单元(21)的尖端延伸有长条形空腔(23)；每个所述尖部单元(21)的壁体内部或由每个所述尖部单元(21)与基部(1)围成的壁体内部都嵌有一个所述金属骨架(C)；所述n为不小于1的整数。

2.根据权利要求1所述的尖劈复合体，其特征在于，所述基部(1)与尖部(2)的高度比为1:4～1:5。

3.根据权利要求1所述的尖劈复合体，其特征在于，所述圆台形空腔(22)和长条形空腔(23)的高度之和与吸声尖劈(B)的高度之比为3:5；所述圆台形空腔(22)和长条形空腔(23)的高度之比2:1。

4.根据权要求1所述的尖劈复合体，其特征在于，所述尖劈复合体的高度为110mm～190mm。

5.根据权利要求1所述的尖劈复合体，其特征在于，所述吸声底板(A)的厚度为10mm～20mm。

6.根据权要求1所述的尖劈复合体，其特征在于，所述金属骨架(C)的厚度为3mm～5mm。

7.根据权利要求1所述的尖劈复合体，其特征在于，所述金属骨架(C)为通孔泡沫钛或者通孔泡沫铝。

8.根据权利要求1所述的尖劈复合体，其特征在于，所述吸声底板(A)的材料为高分子粘弹性材料；所述吸声尖劈(B)的材料为高分子粘弹性材料。

9.根据权要求1所述的尖劈复合体，其特征在于，所述尖部单元(21)的顶端为平头或尖头。

10.根据权要求1所述的尖劈复合体，其特征在于，每个所述金属骨架(C)呈圆台形或圆锥形地嵌于每个所述尖部单元(21)的壁体内部或由每个所述尖部单元(21)与基部(1)

围成的壁体内部。