一种三维声隐身斗篷结构制造技术

本发明专利技术属于噪声控制技术领域，涉及到一种三维声隐身斗篷结构。该三维声隐身斗篷结构包括预应力阻抗变换层、预应力网格层、阻尼材料填充层和内部支撑壳等四部分。其中预应力阻抗变换层按等间距安装位移放大机构，以实现声学阻抗变换，并通过预应力实现可承静载。其中预应力网格层位于预应力阻抗变换层和内部支撑壳之间，由多层具有周期特性的结构层组成。每一个结构层由三维单胞周期排列而成，三维单胞中节点之间用弦或弹簧连接。其中阻尼材料填充层填充预应力网格层中的空隙，实现中高频吸声。其中内部支撑壳，位于预应力网格层内侧，用于承载。本发明专利技术的隐身斗篷结构，能控制声波的传播路径，实现被隐藏物体声隐身,特别适合于水下潜艇隐身。

【技术实现步骤摘要】
一种三维声隐身斗篷结构
本专利技术属于噪声控制技术和潜艇隐身领域，涉及到通过控制声波传播路径，以实现声隐身的三维斗篷结构。
技术介绍
声隐身斗篷是一个新的概念，源自于2007年StevenACummer等在《新物理》上的撰文。其核心思想是控制声波传播路径，使其沿曲线传播绕过被隐藏物体，达到声隐身的目的。在随后的7年间，各国科技人员对声学斗篷的研究可以说是方兴未艾、刚刚起步。文献中声隐身斗篷研究主要集中在斗篷材料的研究方面，目前提出的材料理论上包括三种类型：(1)“各向异性质量密度张量和标量体积弹性模量”的IC材料；(2)“标量质量密度和各向异性弹性张量”的PM材料；(3)以上两种材料的综合，称作PMIC材料。但应该指出的是，这些材料基本停留在理论探讨阶段，实际制作非常困难。1995年Milton在研究弹性材料的极限特性时，给出了一种PM材料的构型。2012年GraemeW.Milton等和2013年MuamerKadic等，应用快速原型制造技术，对这种模型进行了近似制造。但由于这种微小结构周期排列所形成的结构，不能承受任意静载荷，所以没有应用价值。目前国际上声隐身斗篷的设计，都停留在二维结构模型仿真和试验水平，报道的只有圆柱阵列和开槽圆板两种，至今还没有三维声隐身斗篷结构的研究发表。本专利技术公开了一种三维声隐身斗篷结构，它不采用先设计材料后设计结构的传统思路，而是直接采用零件进行设计。它不仅可以承受任意静载荷，而且可以控制和改变声波在结构中传播时的传播路径，以达到声隐身的目的。
技术实现思路
本专利技术主要针对水下和空中低于20000Hz的声隐身问题，提供了一种新的宽带声隐身斗篷——一种三维声隐身斗篷结构。本专利技术解决技术问题采用的技术方案如下：一种三维声隐身斗篷结构，包括预应力阻抗变换层、预应力网格层、阻尼材料填充层和内部支撑壳四个部分，如图1所示。其中预应力阻抗变换层是由金属、硬塑料或复合材料等制成的薄壳，上面有等间距且尺寸相同的孔。孔间留有一定的壁厚，孔腔可以是等截面或变截面的。三维声隐身斗篷结构靠近声源一侧为外侧，靠近被隐藏物体一侧为内侧。如孔腔采用变截面时，截面面积应从外侧到内侧逐渐减小。孔腔内安装位移放大机构，如图2所示。放大机构由输入薄壳、六杆放大机构和输出薄壳组成，输入薄壳和输出薄壳通过六杆放大机构施加预应力，以便承载。六杆放大机构一端通过铰链和输入薄壳相连，一端通过铰链和输出薄壳相连，另外还有两端通过固定铰支约束在放大机构的侧壁上，铰链可采用柔性铰链，杆亦可用弦来代替。这样六杆放大机构就将输入薄壳的振动放大后传至输出薄壳，将小的振动位移放大为大的振动位移，实现了声学阻抗变换。放大机构形状尺寸参数与孔腔尺寸匹配，以便于将其安装在孔腔内。放大机构与孔腔通过粘接、铆接、螺钉等方式连接。这里要指出，若本结构用于水下物体隐身，要在预应力阻抗变换层外侧加一层水声橡胶，以对结构起到防水密封的作用。其中预应力网格层位于预应力阻抗变换层和内部支撑壳之间，由多层具有周期特性的结构层组成，每一个结构层由三维单胞周期排列而成，三维单胞采用图5或图6的构型，单胞中节点之间用弦或弹簧连接。图中白色节点分别位于六面体的六个面上，黑色节点位于六面体内部，灰色节点在六面体的四个角点上。如果采用如图6所示的三维单胞构型，则要求白色节点位于各面的形心位置。预应力网格层中相邻单胞之间，彼此通过单胞表面或角点上的节点相连。从预应力网格层的外侧到内侧，每层单胞中弦或弹簧的拓扑联接型式相同，如图5或图6所示，但径向尺寸按照梯度递减，单胞逐渐被压扁，如图1中2所示。同时，单胞中的弦或弹簧的刚度和线密度亦随着尺寸变化，其长度愈短，刚度愈小，线密度愈大。预应力网格层，外侧通过位移放大机构输出薄壳上的节点和预应力阻抗变换层相连，内侧又通过其单胞中的节点和内部支撑壳相连。其中阻尼材料填充层，用于填充预应力网格层中的空隙，阻尼材料可选为泡沫、毛毡、橡胶、聚氨酯、凝胶等多孔吸声材料，主要用于中高频吸声。其中内部支撑壳位于预应力网格层内侧，是由金属、硬塑料或复合材料等制成的薄壳，用于承载，被隐藏物体就位于内部支撑壳的内部，如图1所示。本专利技术的三维声隐身斗篷结构，能控制声波的传播路径，实现被隐藏物体声隐身。声源传来的声波通过预应力阻抗变换层，经位移放大机构放大后传给预应力网格层，然后沿着预应力网格层中的弦或弹簧顺次向内传播，并逐渐改变传播方向，绕着内部支撑壳和被隐藏物体传出去，从而实现声波隐身。附图说明图1是三维声隐身斗篷结构。图2是预应力阻抗变换层局部放大主视图。图3是预应力阻抗变换层局部放大俯视图。图4是预应力阻抗变换层局部放大仰视图。图5是预应力网格层中的一种三维单胞构型。图6是预应力网格层中的一种三维单胞构型。图中：1预应力阻抗变换层；2预应力网格层；3内部支撑壳；4预应力网格层中的一个单胞；5被隐藏物体；6位移放大机构的输入薄壳；7位移六杆放大机构；8预应力阻抗变换层基体；9位移放大机构的输出薄壳；10位移放大机构输出薄壳与预应力网格层的连接节点；11三维单胞中位于六面体角点上的节点；12三维单胞中位于六面体表面上的节点；13三维单胞中位于六面体内部的节点；14三维单胞中节点之间的弦或弹簧。具体实施方式由于被隐藏物体尺寸不同，要求隐身的声波频率范围不同，本专利技术公开的三维声隐身斗篷结构参数将有所变化。下面只针对一个具体实例，结合技术方案和附图进行详细叙述。实施例：水中三维声隐身斗篷结构，被隐藏物体为水中直径等于2m的球体，频率低于2000HZ。预应力阻抗变换层是由金属制成的薄壳1，厚度25mm，上面有间距且尺寸相同的方孔。方孔尺寸小于100mm*100mm，相邻方孔中心间距小于120mm，孔腔是等截面的，孔腔深25mm。孔腔内安装位移放大机构，位移放大机构尺寸参数与孔腔匹配，如图2所示。放大机构的输入薄壳6和输出薄壳9均由金属制成，厚度小于5mm。六杆放大机构7由金属制成，径向尺寸小于20mm，通过柔性铰链和输入薄壳6、输出薄壳9以及放大机构的侧壁相连。其中放大机构侧壁上的两个铰链靠近输入薄壳6。六杆放大机构7的输入薄壳6和输出薄壳9有预变形，六杆装配时对其施加预应力。然后，将有预应力的位移放大机构安装在阻抗变换层1的基体孔腔内部。放大机构与孔腔通过粘接的方式连接。其中预应力网格层2有10个结构层，每层由六面体单胞周期排列而成，如图1所示。单胞采用如图5所示的构型，其中6个白色节点12分别位于六面体的六个面上，4个黑色节点13位于六面体内部，4个灰色节点11位于六面体的四个角点上，单胞中节点之间用弦连接。预应力网格层中的第一层和最后一层厚度分别为50mm和10mm，中间层厚度递减。也就是说单胞的径向尺寸，从第一层到最后一层，依次从50mm递减到10mm，单胞逐渐被压扁，如图1中2所示。同时，单胞中的弦随着单胞形状变化，尺寸也随着按比例变化。单胞中的弦或弹簧的刚度和线密度亦随着尺寸变化，其长度愈短，刚度愈小，线密度愈大。预应力网格层总厚度为300mm。其中阻尼材料填充层为多孔吸声材料，用以填充预应力网格层2中的空隙。其中内部支撑壳3是由金属制成的薄壳，厚度10mm，通过单胞中的节点和预应力网格层2相连，如图1所示。本实例用于水下物体隐身，所以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维声隐身斗篷结构，其特征是：包括预应力阻抗变换层、预应力网格层、阻尼材料填充层和内部支撑壳；预应力阻抗变换层有等间距且尺寸相同的孔，孔腔内安装位移放大机构，放大机构将小的振动位移放大为大的振动位移，实现声学阻抗变换；预应力网格层位于预应力阻抗变换层和内部支撑壳之间，由多层具有周期特性的结构层组成；每一个结构层由三维单胞周期排列而成，三维单胞中节点之间用弦或弹簧连接；阻尼材料填充层，用于填充预应力网格层中的空隙，实现中高频吸声；内部支撑壳，位于预应力网格层内侧，用于承载，被隐藏物体就位于内部支撑壳的内部；预应力网格层外侧通过位移放大机构输出薄壳上的节点和预应力阻抗变换层相连，内侧通过其单胞中的节点和内部支撑壳相连。

【技术特征摘要】
1.一种三维声隐身斗篷结构，其特征是：包括预应力阻抗变换层、预应力网格层、阻尼材料填充层和内部支撑壳；预应力阻抗变换层有等间距且尺寸相同的孔，孔腔内安装位移放大机构，放大机构将小的振动位移放大为大的振动位移，实现声学阻抗变换；预应力网格层位于预应力阻抗变换层和内部支撑壳之间，由多层具有周期特性的结构层组成；每一个结构层由三维单胞周期排列而成，三维单胞中节点之间用弦或弹簧连接；阻尼材料填充层，用于填充预应力网格层中的空隙，实现中高频吸声；内部支撑壳，位于预应力网格层内侧，用于承载，被隐藏物体就位于内部支撑壳的内部；预应力网格层外侧通过位移放大机构输出薄壳上的节点和预应力阻抗变换层相连，内侧通过其单胞中的节点和内部支撑壳相连。2.如权利要求1所述的一种三维声隐身斗篷结构，其特征是：预应力阻抗变换层是由金属、硬塑料或复合材料制成的薄壳；预应力阻抗变换层的孔是方孔、圆孔或椭圆孔；孔腔是等截面或变截面的，采用变截面时截面面积从外侧到内侧逐渐减小。3.如权利要求2所述的一种三维声隐身斗篷结构，其特征是：预应力阻抗变换层孔腔内的预应力位移放大机构，通过预应力实现可承静载荷。4.如权利要求1或2或3所述的一种三维声隐身斗篷结构，其特征是：所采用的预应力位移放大机构，由输入薄壳、六杆放大机构和输出薄壳组成；输入薄壳和输出薄壳通过六杆放大机构施加预应力，以便承载；六杆放大机构一端通过铰链和输入薄壳相连，一端通过铰链和输出薄壳相连，另外还有两端通过固定铰支约束在放大机构的侧壁上，铰链采用普通铰链或柔性铰链，六杆放大机构中的杆是杆或弦。5.如权利要求1-3任一所述的一种三维声隐身斗篷结构，其特征是：当本结构用于水中时，在预应力阻抗变换层外侧加一层水声橡胶，以对本结构起到防水密封的作用。6.如权利要求1-3任一所述的一种三维声隐身斗篷结构，其特征是：所述的三维单胞构型结构为下述两种中的一种：(1)第一种三维单胞构型：结构单胞中节点之间用弦或弹簧连接，其中6个白色节点分别位于六面体的六个面上，4个黑色节点位于六面体内部，4个灰色节点位于六面体的四个角点上；预应...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓明，梅玉林，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21