一种具有水下吸声特性的点阵结构

1.本发明属于水下吸声技术领域，尤其涉及一种具有水下吸声特性的点阵结构。

背景技术：

2.声波是在水下唯一能够远距离传输的能量辐射形式。潜艇等水下航行器由于舱内动力机电设备运转不可避免的产生振动和噪声，这些振动和噪声通过与设备连接的底座或管道，以声波的形式向周围空间辐射并进行传播，导致潜艇所在区域声场明显增大。在水下军事对抗中，声波探测是锁定舰艇位置，实施精确打击的重要手段。因此，降低噪声，发展水下吸声技术，是提高水下武器装备隐蔽性，增强其作战能力的关键。
3.由胞元组成的周期性点阵结构经过微结构设计，可以具有轻质、比强度高、比刚度高的特性，被广泛应用于航空航天，建筑工程及车辆船舶等领域。点阵结构可设计性强，结合结构多功能一体化的需求，具备优异承载性能的点阵结构成为具有承载需求的构件实现多功能化的一种良好的基础结构。
4.声学超材料是一种通过微结构设计实现超常声学性能的“新材料”，通常为周期结构，由于微结构拓扑形式的不同，可以对声波产生特殊的调控作用，从而可以表现出与传统的均质构件不同的吸隔声特性。特殊设计的声学超材料可以打破质量密度定律，在质量较轻的情况下，实现低频的减振降噪，也可以在小尺寸情况下，控制大波长声波，即可以实现利用轻质小尺寸结构达到低频减振降噪效果。
5.目前，声学超材料的研究多集中于通过微结构设计实现超常的声学性能，设计过程中，未考虑承载性能。水下吸声结构，通常需要一定的承载能力，因此，声学超材料难以在水下装备具有承载需求的结构部位发挥作用。传统点阵结构质量较轻，受质量密度定律限制，其吸隔声效果较差，难以实现低频水下吸声。综合来看，两种结构单一发挥作用，无法实现水下具有承载需求的结构部件的低频吸声效果。

技术实现要素：

6.本发明提供了一种具有水下吸声特性的点阵结构，可以实现低频宽频水下吸声，并且具有一定的承载能力，可以解决具有承载需求的水下吸声结构低频吸声较弱、频带较窄的问题。
7.为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种具有水下吸声特性的点阵结构，由立方体胞元沿三维方向周期性扩展构成；所述立方体胞元为薄壁结构，所述胞元每一面的面板经过开槽设计分解为手性结构1、细杆2、边框3、宽槽4、窄槽5，各部分刚性连接组成一整体，手性结构1与边框3通过细杆2相连，手性结构1每边与边框相对应的边之间设有宽槽，手性结构1与细杆2相对应的边之间设有窄槽5，面板内侧中心处有一凸起 6。
9.以上所述结构中，所述立方体胞元为空腔，胞元框架为立方杆系点阵结构，所述立方体胞元边长为20mm，面板厚度为2mm，宽槽4宽度为3mm，窄槽5 宽度为1.5mm，凸起6为圆柱
形，圆柱直径为9mm，高度为6mm。所述结构整体由一种材料一体成型，可以通过3d打印技术制备。
10.有益效果：本发明提出的一种具有水下吸声特性的点阵结构，采用具有手性特征的薄壁立方体胞元实现水下低频宽频强吸声，在面板内测中心处附加圆柱形凸起，以此降低面板手性微结构的固有频率，并增加声波在胞元内部的散射及反射；薄壁立方体胞元具有杆系点阵结构特征，形成的整体结构具备一定的力学承载能力，提供结构的水下承压能力，实现结构多功能一体化；本发明提出的水下吸声结构可实现低频段实现宽频水下强吸声，在1700～5000hz频率段内的吸声系数高于80％，而且结构形式简单，一体化成型，可以通过3d打印制备，易于制造，易于工程应用，可用于具有承载要求的水下吸声设施。
附图说明
11.图1为本发明三维结构示意图；
12.图2为本发明立方体胞元示意图；
13.图3为本发明立方体胞元展开示意图；
14.图4为本发明实施例中水下吸声系数与频率相关曲线；
15.图5为本发明实施例中结构压缩强度与应变关系曲线图；
16.其中，1为手性结构，2为细杆，3为边框，4为宽槽，5为窄槽，6为凸起， 7为吸声系数80％分界线，8为吸声系数90％分界线。
具体实施方式
17.下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明：
18.如图1所示，一种具有水下吸声特性的点阵结构，由立方体胞元沿三维方向周期性扩展构成；如图2和图3所示，所述立方体胞元为薄壁结构，所述胞元每一面的面板经过开槽设计分解为手性结构1、细杆2、边框3、宽槽4、窄槽5，各部分刚性连接组成一整体，手性结构1与边框3通过细杆2相连，手性结构1 每边与边框相对应的边之间设有宽槽，手性结构1与细杆2相对应的边之间设有窄槽5，面板内侧中心处有一凸起6。
19.面板开槽使得薄壁立方体胞元形成空腔，手性结构表面增加圆柱形凸起，可以降低面板手性结构的固有频率，并增加声波在胞元内部的散射及反射，从而达到吸声的效果。
20.薄壁立方体胞元面板开槽后，胞元框架变为立方杆系点阵结构，在较轻的质量下，具备一定的承载能力，具有轻质高强的特点。
21.整体结构可由一种材料通过3d打印制成；立方体胞元边长为20mm，面板厚度为2mm，宽槽4宽度为3mm，窄槽5宽度为1.5mm。面板中心处的圆柱形凸起直径为9mm，高度为6mm。结构材料选用环氧树脂，弹性模量为2550mpa，泊松比为0.42，密度为1550kg/m3，结构整体质量340.2g。
22.工作过程：
23.以由4
×4×
4个胞元组成的整体结构为例，采用宽带脉冲试验方法测试该结构的水下吸声能力。测试过程如下：待测结构样品置于水声管管口处，由计算机控制声发射系统，并激励换能器，在水声管中产生入射声波信号，入射声波经待测结构样反射后产生回波信号，入射声波与回波信号经过处理计算后，可得结构水下吸声系数。试验测试频率范围为
500～5100hz，采样频率间隔为200hz。
24.测试得到的吸声系数与声波频率相关曲线如图4所示，分界线7为吸声系数达到80％，分界线8为吸声系数达到90％，在1700～5000hz频率范围内，水下吸声系数超过80％，在1700～1900hz，2300～2900hz及3700～5100hz频率范围内，水下吸声系数超过90％，其中，在2500hz处，最大水下吸声系数达到99.18％，实现完美吸声。
25.采用准静态压缩试验方法，测试了由树脂材料打印制成的该三维结构样品的静力承载性能，试验机采用20t电子万能压缩试验机，压缩速度0.5mm/min，测得的结构压缩强度与应变关系曲线如图5所示，结构最大压缩强度1.41mpa。
26.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种具有水下吸声特性的点阵结构，其特征在于，所述结构由立方体胞元沿三维方向周期性扩展构成；所述立方体胞元为薄壁结构，所述胞元每一面的面板经过开槽设计分解为手性结构(1)、细杆(2)、边框(3)、宽槽(4)、窄槽(5)，各部分刚性连接组成一整体，手性结构(1)与边框(3)通过细杆(2)相连，手性结构(1)每边与边框(3)相对应的边之间设有宽槽(4)，手性结构(1)与细杆(2)相对应的边之间设有窄槽(5)，面板内侧中心处有一凸起(6)。2.根据权利要求1所述的具有水下吸声特性的点阵结构，其特征在于，所述结构整体由一种材料一体成型。3.根据权利要求2所述的具有水下吸声特性的点阵结构，其特征在于，所述结构通过3d打印技术制备。4.根据权利要求1所述的具有水下吸声特性的点阵结构，其特征在于，所述立方体胞元为空腔。5.根据权利要求1或4所述的具有水下吸声特性的点阵结构，其特征在于，所述胞元框架为立方杆系点阵结构。6.根据权利要求1或4所述的具有水下吸声特性的点阵结构，其特征在于，所述立方体胞元边长为20mm，面板厚度为2mm，宽槽(4)宽度为3mm，窄槽(5)宽度为1.5mm。7.根据权利要求1所述的具有水下吸声特性的点阵结构，其特征在于，凸起(6)为圆柱形。8.根据权利要求7所述的具有水下吸声特性的点阵结构，其特征在于，所述圆柱直径为9mm，高度为6mm。

技术总结

本发明公开了一种具有水下吸声特性的点阵结构，属于水下吸声技术领域，能够解决目前水下结构低频及宽频降噪困难的问题。本发明结构由薄壁立方体胞元周期性排布构成，所述薄壁立方体胞元面板经过开槽具有手性的特征，在面板内测中心处附加圆柱形凸起，以此降低面板手性微结构的固有频率，并增加声波在胞元内部的散射及反射。所述薄壁立方体胞元具有杆系点阵结构特征，形成的整体结构具备一定的力学承载能力。本发明可以在低频段实现宽频水下强吸声，结构形式简单，可以通过3D打印制备，可用于具有承载要求的水下吸声设施。具有承载要求的水下吸声设施。具有承载要求的水下吸声设施。