[发明专利]粗糙内插管式水下亥姆霍兹共鸣腔

说明书

本发明提供了一种粗糙内插管式水下亥姆霍兹共鸣腔，通过焊接或胶接腔体和粗糙内插管，形成亥姆霍兹共振腔，并在内插管内壁上引入轴向粗糙度，改善了结构的声阻抗特性，在腔体的内壁上粘贴阻尼内衬层，提供了额外的声容和声阻，提高了结构的低频吸声性能，拓宽了结构的吸声带宽。腔体结构在实现良好的低频吸声性能的前提下，减轻了结构重量，保证了结构承载性能。

技术领域

本发明涉及水下吸声领域，具体是一种粗糙内插管式水下亥姆霍兹共鸣腔。

背景技术

声学超材料是一种人工周期性复合结构，具有不同于天然材料的超常规声学特性，如声聚焦、负折射、单向透射、声隐身等。此外，深亚波长尺度结构对低频声波的完美吸收也是声学超材料的重要特殊性质之一。在空气声学中，通过空间缠绕或层级穿孔的结构设计，可以实现基于亥姆霍兹共振原理的完美吸收。通过具有不同几何参数的多个单元的并行连接，其中一些结构也表现出宽频带吸收能力。但在水声学中，由于水的近似不可压缩性和相对较小的粘性，依赖于空气的粘性能量耗散的超材料将不再适用。此外，在相同频率下，水中的声波波长是空气的4倍以上，这使得通过小尺寸结构实现低频的完全吸收变得更加困难。而传统的水下吸声材料/结构，例如具有周期性排布的空腔的吸声覆盖层、局域共振型声子晶体、阻抗渐变型吸声覆盖层等材料/结构，其基体大多为橡胶或聚氨酯，实际工作时需粘贴在水下装备的钢制外壳上，一方面增加了结构重量，另一方面承载性能较差，在深水载荷作用下易发生变形，从而削弱其吸声性能。综合来看，上述结构普遍存在带宽较窄、低频吸声性能不佳、加工制造困难、尺寸较大、轻量化性能不佳的问题。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种粗糙内插管式水下亥姆霍兹共鸣腔，解决传统水下吸声结构在普遍存在的带宽较窄、低频吸声性能不佳、加工制造困难、尺寸较大、轻量化性能不佳的问题。

本发明提供了一种粗糙内插管式水下亥姆霍兹共鸣腔，包括腔体、粗糙内插管和阻尼内衬层，腔体和粗糙内插管通过焊接或胶接相连，阻尼内衬层粘贴于腔体的内壁上，形成一种粗糙内插管式水下亥姆霍兹共鸣腔。

本发明通过焊接或胶接腔体和粗糙内插管，形成亥姆霍兹共振腔，并在内插管内壁上引入轴向粗糙度，改善了结构的声阻抗特性，在腔体的内壁上粘贴阻尼内衬层，提供了额外的声容和声阻，提高了结构的低频吸声性能，拓宽了结构的吸声带宽。腔体结构在实现良好的低频吸声性能的前提下，减轻了结构重量，保证了结构承载性能。

具体的，腔体由结构钢等硬质材料制成，上表面开有一个小孔，下表面固定在需要声学处理的结构表面上，结构钢的应用使结构具有良好的承载性能。

进一步的，腔体的直径为30~40mm，腔体作为亥姆霍兹共振腔，起到了声容的作用，通过调整腔体的直径，可以控制结构的峰值吸声频率。

进一步的，腔体的高度为30~50mm，腔体的高度决定了共振腔体的尺寸，改变腔体高度可以调整结构的吸声频带。

具体的，粗糙内插管由结构钢等硬质材料制成，通过焊接或胶接与腔体上的开孔相连，粗糙内插管的设置将使腔体内部与外部连通，水通过粗糙内插管流入腔体内部，形成亥姆霍兹共振腔。

进一步的，粗糙内插管的平均直径为3~5mm，粗糙内插管的直径决定了管内水柱的直径，通过调节粗糙内插管直径可以改变结构的亥姆霍兹共振特性，从而调节结构的吸声性能。

进一步的，粗糙内插管的相对粗糙度为0.15~0.3，粗糙内插管的相对粗糙度决定了管内水柱的直径变化幅值，通过调节粗糙内插管相对粗糙度可以调控结构的声阻抗，实现对结构吸声性能的调控。

进一步的，粗糙内插管的空间波数为0.32π~0.75π，粗糙内插管的空间波数决定了管内水柱的直径变化情况，通过调节粗糙内插管的空间波数可以调控结构的声阻抗，实现对结构吸声性能的调控。

进一步的，粗糙内插管的长度为25~40mm，粗糙内插管的长度决定了穿孔内水柱的高度，控制着结构的共振吸声特性。