一种耐静水压的共面螺旋式水声吸收多孔超材料

1.本发明涉及吸收材料技术领域，具体为一种耐静水压的共面螺旋式水声吸收多孔超材料。

背景技术：

2.与空气吸声不同，一方面水中声速较大以及水粘性较小，另一方面水下的高静水压和复杂的海洋环境，使得水下吸声一直是一个比较困难的问题。
3.水下吸声材料的吸声机制主要以声波在材料(一般为聚合物基材料)内部引起的分子内摩擦以及声波在不同介质界面上的耗能机制为基础。目前，水下吸声常用粘弹性材料，但在高静水压下，如高分子聚合物会变“硬”，从而大大降低了声波弹性能的转换效率。
4.多孔材料是一种由相互贯通或不贯通的孔织成网状结构的吸声材料，具有轻质、高强度等优点。尤其是以不锈钢、钛合金(如tc4)等应用于深潜器、通海系统等深海领域装备的金属作为纤维丝而构成的金属多孔材料还具有耐静水压、耐腐蚀等优点，但是受质量密度定律的限制，有限厚度下的水下吸声材料无法有效吸收水中传来的低频声波，如王育人等发表在力学进展期刊中的文章《水下吸声机理与吸声材料》所述。因此，随着声呐的不断发展以及探测深度的不断增加，现有的水下吸声材料已经不能满足舰艇等隐身工作的需要。
5.近年来，水下声波的有效吸收越来越受到人们的关注。然而，在公开的关于水声吸声超材料的专利中，大多数是基于粘弹性材料，将着重点放在如何减低吸声频率，如cn112185326a一种双螺旋耦合水下吸声超表面结构中的实施例数据显示，该结构在常温(水：密度1000kg/m3，声速1500m/s)条件下，151hz处的吸声系数可以达到0.99，实现了理想的吸声效果。但是如上所述，受限于粘弹性固有缺陷，该结构在深海(高静水压下)中的应用性将十分受限，很难适合当今海洋装备的需求。

技术实现要素：

6.将多孔材料应用于水下吸声时，水可以完全渗入材料孔隙中，并且多孔材料骨架本身具有优良的力学性能，所以高水压对材料吸声性能的影响十分有限；另一方面，低温只改变水的物性参数，而不直接影响粘性摩擦和热传导耗散过程，故多孔材料的吸声性能对低温十分不敏感。
7.因此，现有水下吸声结构存在的低频及高静水压下吸声性能差等问题，本发明提出一种耐静水压的共面螺旋式水声吸收多孔超材料，其金属纤维多孔材料由金属纤维烧结制成，内部孔隙为平行排列的长直孔，可以很好地适应高静水压等恶劣环境；同时引入共面螺旋通道对多孔材料进行构型，令吸声体在不增加总厚度的前提下增强对低频噪声的吸收性能。
8.本发明的技术方案为：
9.一种耐静水压的共面螺旋式水声吸收多孔超材料结构，包括若干依次固定连接的
结构元胞；
10.每个结构元胞包括穿孔板、外框板、内隔板、底板、金属纤维多孔材料；
11.所述穿孔板、底板以及外框板刚性连接形成空间结构，并在空间结构内刚性连接有截面为共面螺旋结构的内隔板；
12.在由所述内隔板、穿孔板、底板以及外框板形成共面螺旋空间内填充金属纤维多孔材料；
13.所述穿孔板上开有作为声音入口的孔；使用时，所述穿孔板朝向声源。
14.进一步的，所述内隔板形成的通道数n为整数，每个通道的宽度w由通道数n、内隔板的厚度和结构元胞内部尺寸w共同决定。
15.进一步的，所述穿孔板上作为声音入口的孔为四边形孔，位于共面螺旋空间的一端；四边形孔的宽b与内隔板的通道宽度w相同，长a与声波传输长度相关，为可调参数，且不大于2
×
w+内隔板的厚度；
16.进一步的，所述穿孔板、外框板、内隔板和底板的厚度为1.00mm～2.00mm，内隔板的高度和金属纤维多孔材料的高度相同。
17.进一步的，所述穿孔板、外框板、内隔板和底板的材质为金属材料。
18.进一步的，所述金属纤维多孔材料采用金属纤维烧结制成，并依据共面螺旋空间进行切割构型。
19.进一步的，所述金属纤维多孔材料由若干横截面边长为t的方形单元顺次排列组成，每个方形单元内具有若干依次平行排列的直径为d
t
的长直管。
20.进一步的，方形单元横截面边长为1.00mm。
21.进一步的，长直管的直径d
t
为151.40um～200.00um，金属纤维多孔材料的孔隙率为77.00％～80.00％。
22.进一步的，每个结构元胞的边长l为50.00mm～54.00mm，高度h为50.00mm～54.00mm。
23.有益效果
24.本发明与现有技术相比具有以下优点：
25.本发明提出的耐静水压的共面螺旋式水声吸收多孔超材料，由若干依次固定连接的结构元胞组成，每个结构元胞包括穿孔板、外框板、内隔板、底板、金属纤维多孔材料。
26.本发明中，金属纤维多孔材料由金属纤维烧结制成，内部孔隙为平行排列的长直孔，使其可以很好地适应高静水压等恶劣环境；其次，将金属纤维多孔材料沿共面螺旋通道进行切割构型，令声波由传统的垂直短吸声路径得到大幅度延拓，故在不增加总厚度的前提下增强对低频噪声的吸收性能。
27.在实施例中的结果显示，当水温降低至4℃时，在水温为20℃时完美吸声的耐静水压的共面螺旋式多孔吸声超材料的吸声系数仍可保持在0.85以上。
28.总结而言，本发明耐静水压的共面螺旋式水声吸收多孔超材料形状简单、使用方便，可有效解决现有水下吸声结构存在的低频及高静水压力下吸声性能差等问题。
29.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
30.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
31.图1是本发明共面螺旋式多孔水声吸收超材料的分解图；
32.图中：1、穿孔板；2、外框板；3、内隔板；4、底板；5、金属纤维多孔材料；6、四边形孔。
33.图2是本发明的俯视图和a-a向剖视图。
34.图3是金属纤维多孔材料内长直孔隙的排列示意图。
35.图4是本发明实施例1在不同水温下的吸声系数随频率变化的曲线。
36.图5是本发明五个实施例在水温为20℃时的吸声系数示意图。
37.图6是本发明实施例在水温为20℃时，不同共面螺旋通道数下的吸声系数随频率变化的曲线。
具体实施方式
38.本发明提出的耐静水压的共面螺旋式水声吸收多孔超材料结构属于共面螺旋通道和金属纤维多孔材料组合而成的复合声学超材料，具备低频吸声功能，并可抵抗高静水压。
39.该耐静水压的共面螺旋式水声吸收多孔超材料结构由若干依次刚性固定连接的结构元胞组成，单个结构元胞的分解图如图1所示，包括穿孔板1、外框板2、内隔板3、底板4和金属纤维多孔材料5；
40.所述穿孔板1、底板4以及外框板2刚性连接形成空间结构，穿孔板1和底板4相互平行，并在空间结构内刚性连接有截面为共面螺旋结构的内隔板3；外框板2和内隔板3垂直刚性连接在底板4上。由内隔板3、穿孔板1、底板4以及外框板2形成共面螺旋空间，在共面螺旋空间内填充金属纤维多孔材料5。
41.所述穿孔板1上开有作为声音入口的孔；使用时，所述穿孔板朝向声源。声波通过该孔进入结构元胞，并在金属纤维多孔材料内沿共面螺旋通道摩擦耗散，从而使得声波由传统的垂直短吸声路径得到大幅度延拓，故在不增加总厚度的前提下增强对低频噪声的吸收性能。在实现的实例中，单个结构元胞的边长l为50.00mm～54.00mm，高度h为50.00mm～54.00mm，均能取得较好的低频噪声吸收效果。
42.图2展示了本发明的俯视图和a-a向剖视图。从图中可以看出，所述内隔板的截面为共面螺旋结构，所形成的通道数n为整数，不同共面螺旋通道数会影响吸声频率，如图6给出了不同共面螺旋通道数下的吸声系数随频率变化的曲线。每个通道的宽度w由通道数n、内隔板的厚度和结构元胞内部尺寸w共同决定。在具体的实例中，所述穿孔板上作为声音入口的孔为四边形孔，位于共面螺旋空间传输路径的一端；四边形孔的宽b与内隔板的通道宽度w相同，长a与声波传输长度相关，为可调参数，且不大于2
×
w+内隔板的厚度。
43.在相应实例中，所述穿孔板、外框板、内隔板和底板均采用金属材质，厚度为1.00mm～2.00mm，内隔板的高度和金属纤维多孔材料的高度相同。
44.而所述金属纤维多孔材料采用金属纤维烧结制成，并依据共面螺旋空间进行切割构型。如图3所示，所述金属纤维多孔材料由若干横截面(xz平面)边长为1.00mm的方形单元顺次排列组成，每个方形单元内具有若干依次平行排列的直径为d
t
的长直管，长直管方向
沿z向，垂直于xy面，即底板或穿孔板。方形单元内长直孔的最大数量由其直径值决定，金属纤维多孔材料的孔隙率即为长直管在方形单元的占比。实例表明，金属纤维多孔材料的孔隙率是影响吸声系数，使共面螺旋式水声吸收多孔超材料结构取得更优效果的主要因素，较优的金属纤维多孔材料的孔隙率为77.00％～80.00％，相应长直管的直径d
t
为151.40um～200.00um。
45.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。需要理解的是，其中术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。
46.实施例1：
47.元胞结构的外形尺寸l
×
l
×
h为52.00mm
×
52.00mm
×
54.00mm。穿孔板1和底板4的厚度是2.00mm，外框板2和内隔板3的厚度是1.00mm，穿孔板1和下面板3的边长l
×
l均为52.00mm
×
52.00mm。内隔板3所构成的通道数n为4，通道的宽度w为11.75mm。穿孔板1上开单个矩形孔6，边长a
×
b为10.00mm
×
11.75mm。金属纤维多孔材料的厚度h为48.00mm，其内部孔隙为平行排列的长直孔，长直孔的直径d
t
为151.4um，孔隙率为79.21％。
48.接下来，我们对实施例1进行验证，通过验证我们可以看到，在设计基准为水温20℃时，本实施例在1524hz达到最大吸声，吸声系数为0.99，这与传统水下吸声体的性能持平。然后，我们根据典型海洋深度与压强分布和南海观测数据集，选取具有代表性水温值，使获得的规律既能反映出水的温度变化，即水的声速、密度等物性参数的变化对粘性摩擦和热传导耗散过程的影响，又可以观察到该复合超材料所适用的海洋深度(或静水压)阈值。当水温降低至4℃时，本实施例的最高吸声系数仍可达0.95。如图4所示。
49.为了验证金属纤维多孔材料孔隙率影响，实施例2-实施例5改变长直孔的直径与金属纤维多孔材料孔隙率，其余参数与实施例1一致，验证得到水温为20℃时的吸声系数，如图5所示。
50.实施例2
51.长直孔的直径d
t
为155.60um，孔隙率为79.86％。本实施例在1527hz达到最大吸声，吸声系数为0.994。
52.实施例3
53.长直孔的直径d
t
为190.80um，孔隙率为77.00％。本实施例在1550hz达到最大吸声，吸声系数为0.999。
54.实施例4
55.长直孔的直径d
t
为60.00um，孔隙率为84.82％。本实施例在1436hz达到最大吸声，吸声系数为0.603。
56.实施例5
57.长直孔的直径d
t
为500.00um，孔隙率为58.90％。本实施例在1615hz达到最大吸声，吸声系数为0.833。
58.从图5可以看出，当长直孔的孔径和孔隙率在所提及的范围内，理论吸声峰值(吸
声系数≥0.99)变化可以忽略。一旦长直孔的孔径和孔隙率跳出这个区域，吸声系数有明显变化，但该复合吸声超材料仍可以保持有效吸声(吸声系数≥0.50)。图5进一步说明了纤维间平均间隔距离对声学性能的影响，即孔径过大或过小都会导致阻抗失配和吸收峰值衰减。
59.综上，金属纤维多孔材料的内部孔隙为平行排列的长直孔，其余由金属纤维烧结制成，使其可以很好地适应高静水压等恶劣环境。同时引入共面螺旋通道，令吸声体实现在不增加总厚度的前提下增强对低频噪声的吸收性能，从而解决现有水下吸声结构存在的低频及高静水压力下吸声性能差等问题。
60.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：

1.一种耐静水压的共面螺旋式水声吸收多孔超材料结构，其特征在于：包括若干依次固定连接的结构元胞；每个结构元胞包括穿孔板、外框板、内隔板、底板、金属纤维多孔材料；所述穿孔板、底板以及外框板刚性连接形成空间结构，并在空间结构内刚性连接有截面为共面螺旋结构的内隔板；在由所述内隔板、穿孔板、底板以及外框板形成共面螺旋空间内填充金属纤维多孔材料；所述穿孔板上开有作为声音入口的孔；使用时，所述穿孔板朝向声源。2.根据权利要求1所述一种耐静水压的共面螺旋式水声吸收多孔超材料结构，其特征在于：所述内隔板形成的通道数n为整数，每个通道的宽度w由通道数n、内隔板的厚度和结构元胞内部尺寸w共同决定。3.根据权利要求1所述一种耐静水压的共面螺旋式水声吸收多孔超材料结构，其特征在于：所述穿孔板上作为声音入口的孔为四边形孔，位于共面螺旋空间的一端；四边形孔的宽b与内隔板的通道宽度w相同，长a与声波传输长度相关，为可调参数，且不大于2
×
w+内隔板的厚度。4.根据权利要求1所述一种耐静水压的共面螺旋式水声吸收多孔超材料结构，其特征在于：所述穿孔板、外框板、内隔板和底板的厚度为1.00mm～2.00mm，内隔板的高度和金属纤维多孔材料的高度相同。5.根据权利要求1所述一种耐静水压的共面螺旋式水声吸收多孔超材料结构，其特征在于：所述穿孔板、外框板、内隔板和底板的材质为金属材料。6.根据权利要求1所述一种耐静水压的共面螺旋式水声吸收多孔超材料结构，其特征在于：所述金属纤维多孔材料采用金属纤维烧结制成，并依据共面螺旋空间进行切割构型。7.根据权利要求6所述一种耐静水压的共面螺旋式水声吸收多孔超材料结构，其特征在于：所述金属纤维多孔材料由若干横截面边长为t的方形单元顺次排列组成，每个方形单元内具有若干依次平行排列的直径为d
t
的长直管。8.根据权利要求7所述一种耐静水压的共面螺旋式水声吸收多孔超材料结构，其特征在于：方形单元横截面边长为1.00mm。9.根据权利要求8所述一种耐静水压的共面螺旋式水声吸收多孔超材料结构，其特征在于：长直管的直径d
t
为151.40um～200.00um，金属纤维多孔材料的孔隙率为77.00％～80.00％。10.根据权利要求1所述一种耐静水压的共面螺旋式水声吸收多孔超材料结构，其特征在于：每个结构元胞的边长l为50.00mm～54.00mm，高度h为50.00mm～54.00mm。

技术总结

本发明提出一种耐静水压的共面螺旋式水声吸收多孔超材料，包括若干依次固定连接的结构元胞；每个结构元胞包括穿孔板、外框板、内隔板、底板、金属纤维多孔材料；金属纤维多孔材料由金属纤维烧结制成，内部孔隙为平行排列的长直孔，使其可以很好地适应高静水压等恶劣环境；将金属纤维多孔材料沿共面螺旋通道进行切割构型，令声波由传统的垂直短吸声路径得到大幅度延拓，故在不增加总厚度的前提下增强对低频噪声的吸收性能。验证结果显示，当水温降低至4℃时，在水温为20℃时完美吸声的耐静水压的共面螺旋式多孔吸声超材料的吸声系数仍可保持在0.85以上。保持在0.85以上。保持在0.85以上。