1.本发明涉及一种含有参数呈梯度变化圆柱形散射体的低频吸声覆盖层，特别是一种圆柱形散射体为空腔外包覆多层弹性材料的低频吸声覆盖层。


背景技术：

2.吸声覆盖层被广泛地应用于覆盖在水下航行器壳体上，其声学性能是评判水下航行器声隐身能力的重要指标。吸声覆盖层的功能实现主要体现在两个方面：一是通过降低航行器的辐射噪声级，以减小被敌方被动声呐发现的概率及其作用距离；二是通过降低航行器的声目标强度，从而增加敌方主动声呐的探测距离。目前，国内外应用的吸声覆盖层大多由具有一定阻尼性能的橡胶材料制成，橡胶层内部嵌有周期性空腔结构，如喇叭形、球形、圆柱形等，主要利用空腔谐振、波型转换和弛豫效应的机理对声波进行有效的吸收。然而，基于空腔谐振原理的吸声覆盖层吸声频带普遍较窄，难以实现水下宽带吸声。
3.现有解决方法包括：(1)圆柱形空腔外包覆一层黏弹性软材料作为散射体结构，散射体周期性横向排列嵌入橡胶材料构成吸声层(杨海滨，李岳，赵宏刚，温激鸿，温熙森.一种含圆柱形谐振散射体的黏弹材料低频吸声机理研究.物理学报2013)。该结构在低于3000hz的频带范围内可获得两个较高的吸收峰，第一个吸收峰是由吸声层和钢背衬整体耦合共振引起的，第二个吸收峰与单个散射体的共振特性以及散射体之间的多重散射密切相关。两个吸收峰连在一起形成一个在1000
‑
3000hz频带范围内吸声系数在0.6以上的宽频带吸收峰，但在1000hz以下没有出现吸收峰，吸声系数较低。(2)将两种带有不同尺寸的圆柱空腔嵌入到两层不同的橡胶层中，通过对橡胶层材料和结构参数进行整体优化可以得到较优的吸声性能(dan zhao,honggang zhao,haibin yang,jihong wen.optimization and mechanism of acoustic absorption of alberich coatings on a steel plate in water.appl.acoust.2018,140:183
‑
187.)。优化结果表明，在1.3khz
‑
10khz频带范围具有宽带的吸声效果，验证了通过敷设不同参数的吸声层可以有效地提升宽带的声吸收性能，但在1000
‑
2000hz频带范围内的吸声系数较低。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种能够有效降低吸声频带的频率范围，提高低频声吸收性能的内嵌圆柱形散射体的低频宽带吸声覆盖层。
5.为解决上述技术问题，本发明涉及一种含有参数呈梯度变化圆柱形散射体的低频吸声覆盖层，包括封口层、吸声层、圆柱形散射体和基层。吸声层由数个相同的长方体单元周期排列而成，吸声层的前表面剖面和后表面剖面是长方形。封口层为长方体板，用于对所述吸声层进行密封，封口层的后表面与吸声层的前表面相互贴合；基层为长方体板，为模拟的水下结构体的外壳，一般为钢壳，基层的上表面与吸声层的下表面相互贴合。圆柱形散射体为圆柱空腔外包裹两层具有不同物理参数的弹性橡胶材料。
6.本发明还包括：
7.1.封口层和吸声层均采用pdms聚二甲基硅氧烷硅橡胶制作，其密度为1000kg/m3，复杨氏模量为(1.879+0.540i)mpa，泊松比为0.4997；基层采用钢材料制作，其密度为7890kg/m3，杨氏模量为210gpa，泊松比为0.3。
8.2.吸声层由数个相同的长方体单元周期排列而成，单元的前表面剖面是长方形，侧表面相互贴合。对于吸声层中每个单元的前表面，其长度d＝150mm，宽度a＝40mm；对于每个单元的侧表面，其长度为1m。
9.3.封口层的厚度为30mm；基层的厚度s＝20mm。封口层、吸声层和基层通过粘合剂粘合在一起，并经过一体冷压成型。
10.4.在吸声层中的每个单元中，由上至下分布有第一层圆柱形散射体、第二层圆柱形散射体和第三层圆柱形散射体，且第一层圆柱形散射体、第二层圆柱形散射体和第三层圆柱形散射体的轴线分别与单元的上、下表面以及左、右侧面平行。第一层圆柱形散射体、第二层圆柱形散射体和第三层圆柱形散射体都分布有1个圆柱形散射体，每个圆柱形散射体的长度相等，都为1m。
11.5.吸声层所包含的每个圆柱形散射体，是由圆柱空腔侧面包裹两层不同组分的弹性橡胶构成，圆柱空腔中充满空气，沿圆柱形散射体的径向由内向外依次为第一层包覆层和第二层包覆层。
12.6.对于吸声层中的三层圆柱型散射体，第一层圆柱形散射体的第一层包覆层杨氏模量为吸声层杨氏模量的0.1倍，第一层圆柱形散射体的第二层包覆层杨氏模量为吸声层杨氏模量的0.55倍；第二层圆柱形散射体的第一层包覆层杨氏模量为吸声层杨氏模量的0.1倍，第二层圆柱形散射体的第二层包覆层杨氏模量为吸声层杨氏模量的0.55倍；第三层圆柱形散射体的第一层包覆层杨氏模量为吸声层杨氏模量的0.1倍，第三层圆柱形散射体的第二层包覆层杨氏模量为吸声层杨氏模量的0.55倍；即对每一个圆柱形散射体而言，包覆层的杨氏模量由里向外呈正梯度变化。
13.7.对于吸声层中的三层圆柱型散射体，第一层圆柱型散射体中的圆柱空腔的半径r1＝1.5mm，第二层圆柱型散射体中的圆柱空腔的半径r2＝3.5mm，第三层圆柱型散射体中的圆柱空腔的半径r3＝5.5mm，即三层圆柱空腔的半径呈正梯度变化(r1＜r2＜r3)。
14.8.对于吸声层中的三层圆柱型散射体，第一层圆柱形散射体的第一层包覆层厚度c
11
＝2mm，第一层圆柱形散射体的第二层包覆层厚度c
12
＝2mm；第二层圆柱形散射体的第一层包覆层厚度c
21
＝3mm，第二层圆柱形散射体的第二层包覆层厚度c
22
＝3mm；第三层圆柱形散射体的第一层包覆层厚度c
31
＝4mm，第三层圆柱形散射体的第二层包覆层厚度c
32
＝4mm；即对三层圆柱形散射体而言，包覆层的厚度呈正梯度变化(c
11
＜c
21
＜c
31
，且c
11
＝c
12
，c
21
＝c
22
，c
31
＝c
32
)。
15.9.对于吸声层中的每个单元，第一层圆柱形散射体中，圆柱形散射体的圆心到单元的左、右边界的距离相等，为20mm；第二层圆柱形散射体中，圆柱形散射体的圆心到单元的左、右边界的距离相等，为20mm；第三层圆柱形散射体中，圆柱形散射体的圆心到单元的左、右边界的距离相等，为20mm。
16.10.在吸声层的每个单元中，单元的上边界与第一层圆柱空腔的净距d1＝29mm，第一层圆柱空腔与第二层圆柱空腔的净距d2＝70mm，第二层圆柱空腔与第三层圆柱空腔的净距d3＝20mm，第三层圆柱空腔与单元的下边界的净距d4＝10mm，即净距呈负梯度变化(d2＞
d3＞d4)。
17.本发明有益效果：
18.本发明可以通过较为简单的结构得到较高的吸声性能，适用于水下低频减振降噪方面的应用，具有较好的水下低频声吸收效果。本发明具有结构简单，制作工艺简单，可设计性强的特点。本发明克服了采用单一材料带来的低频吸声性能欠佳问题，采用圆柱形散射体中包覆层模量和厚度呈梯度变化的设计能够有效降低吸声频带的频率范围，并能有效提升吸声系数，适用于低频宽带减振降噪方面的应用。
附图说明
19.图1为本发明吸声覆盖层的结构示意图，是截取本发明吸声覆盖层的一段，包含6个单元；
20.图2为本发明吸声覆盖层中吸声层的单元示意图；
21.图3为本发明吸声覆盖层中吸声层的单元正面示意图；
22.图4为本发明吸声覆盖层中吸声层的圆柱形散射体示意图；
23.图5为本发明吸声覆盖层实施例1的吸声系数曲线；
24.图6为本发明吸声覆盖层实施例2的吸声系数曲线。
25.图中各标号依次表示：1
‑
封口层、2
‑
吸声层、3
‑
基层、4
‑
第一层圆柱形散射体、5
‑
第二层圆柱形散射体、6
‑
第三层圆柱形散射体、7
‑
圆柱空腔、8
‑
第一层包覆层、9
‑
第二层包覆层。
具体实施方式
26.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
27.如图1和图2所示，一种含有参数呈梯度变化圆柱形散射体的低频吸声覆盖层，包括封口层1、吸声层2和基层3。所述吸声层2由6个单元组成，单元中分布有一定排布方式的圆柱形散射体，所述封口层1和吸声层2均采用pdms聚二甲基硅氧烷硅橡胶制作，所述基层采用钢材料制作，采用的圆柱形散射体的横截面形状均为圆面。如图3所示，每个圆柱空腔上设置有封口层。在每个单元中，第一层、第二层和第三层都含有1个圆柱形散射体。三层圆柱形散射体的长度相同，长度为1m。选用的吸声层2的厚度d＝150mm，每个单元的厚度相等，厚度d＝150mm，宽度相等，宽度a＝40mm。封口层1的厚度为30mm。基层3的厚度s＝20mm。所述封口层1、吸声层2和基层3通过粘合剂粘合而成，并经过一体冷压成型。
28.实施例1
29.本发明的吸声覆盖层中吸声层和封口层的材料为一种pdms硅橡胶，pdms硅橡胶的密度为1000kg/m3，复杨氏模量为(1.879+0.540i)mpa，泊松比为0.4997。基层的密度为7890kg/m3，杨氏模量为210gpa，泊松比为0.3。吸声覆盖层中分布三层圆柱空腔。
30.将本发明含有参数呈梯度变化圆柱形散射体的低频吸声覆盖层与含有参数呈梯度变化圆柱空腔的吸声覆盖层、以及含有参数呈负梯度变化圆柱形散射体的低频吸声覆盖层进行对比。对于本发明含有参数呈梯度变化圆柱形散射体的吸声覆盖层：其每个单元中，第一层、第二层和第三层都含有1个圆柱形散射体。选用的第一层圆柱形散射体的半径为r1＝1.5mm，第二层圆柱形散射体的半径为r2＝3.5mm，第三层圆柱形散射体的半径为r3＝
5.5mm。每个单元中的圆柱形散射体由圆柱空腔侧面包裹两层厚度相同但模量不同的弹性橡胶构成，沿圆柱形散射体的径向由里向外依次为第一层包覆层和第二层包覆层，第一层圆柱形散射体的第一层包覆层的厚度c
11
和第二层包覆层的厚度c
12
为2mm，第二层圆柱形散射体的第一层包覆层的厚度c
21
和第二层包覆层的厚度c
22
为3mm，第三层圆柱形散射体的第一层包覆层的厚度c
31
和第二层包覆层的厚度c
32
为4mm；第一层包覆层和第二层包覆层的密度和泊松比与pdms硅橡胶的对应物理量值相同，第一层包覆层的模量为pdms硅橡胶模量的0.1倍，第二层包覆层的模量为pdms硅橡胶模量的0.55倍。选用的吸声覆盖层中吸声层的单元上边界与第一层圆柱空腔的净距为d1＝29mm，第一层圆柱空腔与第二层圆柱空腔的净距为d2＝70mm，第二层圆柱空腔与第三层圆柱空腔的净距为d3＝20mm，第三层圆柱空腔与单元下边界的净距为d4＝10mm。对于含有参数呈负梯度变化圆柱形散射体的低频吸声覆盖层，其他物理参数和几何参数都与含有参数呈梯度变化圆柱形散射体的低频吸声覆盖层相同，只有其吸声层和封口层的模量和三层圆柱形散射体的包覆层模量分布不同：吸声层的杨氏模量为pdms硅橡胶模量的0.1倍，第一层圆柱形散射体的第一层包覆层模量等于pdms硅橡胶的模量，第一层圆柱形散射体的第二层包覆层模量等于pdms硅橡胶的模量的0.55倍；第二层圆柱形散射体的第一层包覆层模量等于pdms硅橡胶的模量，第二层圆柱形散射体的第二层包覆层模量等于pdms硅橡胶的模量的0.55倍；第三层圆柱形散射体的第一层包覆层模量等于pdms硅橡胶的模量，第三层圆柱形散射体的第二层包覆层模量等于pdms硅橡胶的模量的0.55倍。对于含有参数呈梯度变化圆柱空腔的吸声覆盖层，其每个单元分布有3层圆柱空腔，每层分布1个圆柱空腔；选用的第一层圆柱空腔半径为r1＝1.5mm，第二层圆柱空腔半径为r2＝3mm，第三层圆柱空腔的半径为r3＝5.5mm。选用的吸声覆盖层中单元的上边界与第一层圆柱空腔的净距为d1＝29mm，第一层圆柱空腔与第二层圆柱空腔的净距为d2＝70mm，第二层圆柱空腔与第三层圆柱空腔的净距为d3＝20mm，第三层圆柱空腔与单元下边界的净距为d4＝10mm。
31.图5为三种吸声覆盖层吸声特性对比结果。可以看到，对于含有参数呈梯度变化圆柱空腔的吸声覆盖层，频带内出现了三个吸收峰。第一个吸收峰的频率为160hz，峰值为0.86；第二个吸收峰的频率为780hz，峰值为0.89，第三个吸收峰的频率为1090hz，峰值为0.94。第二个和第三个吸收峰形成的宽吸声频带的半吸声频带(吸声系数为峰值的一半所对应的频率之差)起始频率为630hz，截止频率为1450hz，半吸声频带宽度为820hz。而采用本发明含有参数呈梯度变化圆柱形散射体的吸声覆盖层，其第一个吸收峰的频率为111hz，吸收峰峰值为0.84；第二个吸收峰的频率为540hz，峰值为0.93；第三个吸收峰的频率为750hz，峰值为0.92。第二个和第三个吸收峰形成的宽吸声频带的起始频率为470hz，截止频率为870hz，频带宽度为400hz。经计算，与圆柱空腔数量和间距均相同的吸声覆盖层相比，本发明圆柱空腔数量和间距均梯度变化的吸声覆盖层的第一个吸收峰频率下降了31.2％，峰值下降了2.3％；第二个吸收峰的频率下降了30.2％，峰值提升了3.3％；第三个吸收峰的频率下降了31.2％，峰值下降了2.1％。对于含有参数呈负梯度变化圆柱形散射体的吸声覆盖层，其第一个吸收峰的频率为151hz，吸收峰峰值为0.92；第二个吸收峰的频率为590hz，峰值为0.99；第三个吸收峰的频率为950hz，峰值为0.64。经计算，与圆柱空腔数量和间距均相同的吸声覆盖层相比，本发明圆柱空腔数量和间距均梯度变化的吸声覆盖层的第一个吸收峰频率下降了31.2％，峰值下降了2.3％；第二个吸收峰的频率下降了30.2％，峰值提升
了3.3％；第三个吸收峰的频率下降了31.2％，峰值下降了2.1％。可以看出，尽管含有参数呈梯度变化圆柱形散射体情况相比于含有参数呈梯度变化圆柱空腔情况的第一个和第三个吸收峰峰值在一定程度上有所下降，但是同时伴随着三个吸收峰的大幅度向低频移动，这使得吸声频带显著降低。并且，采用本发明含有参数呈梯度变化圆柱形散射体的吸声覆盖层吸声频带也比含有参数呈负梯度变化圆柱形散射体的吸声覆盖层的吸声频带范围低，整体的吸声系数也较高，因此采用含有参数呈梯度变化圆柱形散射体的吸声覆盖层可以获得更好的低频声吸收效果。
32.实施例2
33.本实例的吸声覆盖层中吸声层和封口层的材料为一种pdms硅橡胶，pdms硅橡胶的密度为1000kg/m3，复杨氏模量为(1.879+0.540i)mpa，泊松比为0.4997。基层的密度为7890kg/m3，杨氏模量为210gpa，泊松比为0.3。吸声覆盖层中分布三层圆柱形散射体。
34.采用与本发明含有参数呈梯度变化圆柱形散射体的吸声覆盖层具有不同分布的两种圆柱形散射体中包覆层厚度的吸声覆盖层，与本发明进行对比。对于本发明含有参数呈梯度变化圆柱形散射体的吸声覆盖层：每个单元中，第一层、第二层和第三层都各含有1个圆柱形散射体；选用的第一层圆柱空腔的半径为r1＝1.5mm，第二层圆柱空腔的半径为r2＝3.5mm，第三层圆柱空腔的半径为r3＝5.5mm。每个单元中的圆柱形散射体由圆柱空腔侧面包裹两层厚度相同但模量不同的弹性橡胶构成，沿圆柱形散射体的径向由里向外依次为第一层包覆层和第二层包覆层，第一层圆柱形散射体的第一层包覆层的厚度c
11
和第二层包覆层的厚度c
12
为2mm，第二层圆柱形散射体的第一层包覆层的厚度c
21
和第二层包覆层的厚度c
22
为3mm，第三层圆柱形散射体的第一层包覆层的厚度c
31
和第二层包覆层的厚度c
32
为4mm；第一层包覆层和第二层包覆层的密度和泊松比与pdms硅橡胶的对应物理量值相同，第一层包覆层的模量为pdms硅橡胶模量的0.1倍，第二层包覆层的模量为pdms硅橡胶模量的0.55倍。选用的吸声覆盖层中吸声层的单元上边界与第一层圆柱空腔的净距d1为29mm，第一层圆柱空腔与第二层圆柱空腔的净距d2为70mm，第二层圆柱空腔与第三层圆柱空腔的净距d3为20mm，第三层圆柱空腔与单元下边界的净距d4为10mm。对于与本发明含有参数呈梯度变化圆柱形散射体的吸声覆盖层(包覆层厚度分布为2
‑3‑
4mm)具有不同分布的两种圆柱形散射体中包覆层厚度的吸声覆盖层，分布情况1(包覆层厚度分布为3
‑3‑
3mm)为相等分布：第一层圆柱形散射体的第一层包覆层的厚度c
11
和第二层包覆层的厚度c
12
为3mm，第二层圆柱形散射体的第一层包覆层的厚度c
21
和第二层包覆层的厚度c
22
为3mm，第三层圆柱形散射体的第一层包覆层的厚度c
31
和第二层包覆层的厚度c
32
为3mm；分布情况2(包覆层厚度分布为4
‑3‑
2mm)为负梯度分布：第一层圆柱形散射体的第一层包覆层的厚度c
11
和第二层包覆层的厚度c
12
为4mm，第二层圆柱形散射体的第一层包覆层的厚度c
21
和第二层包覆层的厚度c
22
为3mm，第三层圆柱形散射体的第一层包覆层的厚度c
31
和第二层包覆层的厚度c
32
为2mm。
35.图6为三种吸声覆盖层吸声特性对比结果。可以看到，三种情况在1
–
2000hz频带范围内都出现了3个吸收峰，三个吸收峰对应的频率相近，但第三个吸收峰的峰值具有较为明显的差异。对于包覆层厚度分布为2
‑3‑
4mm的情况，第三个吸收峰峰值为0.92；对于包覆层厚度分布为3
‑3‑
3mm的情况，第三个吸收峰峰值为0.86；对于包覆层厚度分布为4
‑3‑
2mm的情况，第三个吸收峰峰值为0.77。可以说明，三层圆柱形散射体的包覆层厚度呈正梯度分布时，吸收峰峰峰值较相等分布和呈负梯度分布情况的峰值相对高，因此，采用三层圆柱形散
射体的包覆层厚度呈正梯度分布时的声吸收效果较好。