水声材料三维几何形貌检测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种水下变温变压模拟环境下水声材料三维几何形貌的检测方法和系统，基于CT扫描和重构技术，对置于一个变温变压容器内的水声材料样品进行CT断层扫描检测，然后对样品的CT断层扫描图像进行三维几何重构，即可准确得到相应工况下水声材料样品的三维几何形貌。基于本发明专利技术的检测方法还实现了一种水声材料静态体积压缩模量的检测方法，可准确测量材料在相应工况下的静态体积模量。本发明专利技术提出的检测方法实现了水声材料在水下变温变压模拟环境下的表观外形三维几何形貌、内部空腔三维几何形貌、内部微结构/掺杂材料三维几何形貌的直接测量，能为水声材料设计和性能评价提供具有十分重要的参考依据。

【技术实现步骤摘要】
水声材料三维几何形貌检测方法及系统
本专利技术属于水声材料的检测与设计领域，具体涉及模拟水声材料在水下变温变压模拟环境中三维几何形貌的检测方法和检测系统，以及基于水声材料三维几何形貌检测方法的静态体积压缩模量的检测方法。
技术介绍
水声材料主要用于水下航行器的振动与声学处理，如敷设于航行器艇体表面用于减少声呐回波的吸声覆盖层和降低艇体自身振动向水域中辐射噪声的的隔声去耦覆盖层等，目前已经得到广泛应用。传统的水声材料主要以粘弹性材料为主，主要的基材采用橡胶材料和聚氨酯材料。为了满足各种实际应用场合，其内部往往内嵌空腔结构(如图1所示)或含发泡(如图2所示)等结构，用来增强内部的散射、共振等效应，进一步增大材料内部的损耗，实现提高材料层的振动与声的阻尼与吸收性能。为了设计并制备出满足实际应用条件下的水声材料，首先需要材料的基本物理参数和几何参数，再利用有限元等方法预测和优化设计出相应的水声材料。材料的声学参数主要包括密度、动态模量和损耗因子等，目前已经有相应的商用设备和实验装置进行测试；材料的几何参数主要包括材料层的厚度、内含空腔或散射体等结构的几何形貌。由于实际水声材料往往工作在水下不同温度(取决于水域、水深和季节时间等因素，变化范围通常为4～40℃)和静水压(取决于其工作水深，变化范围通常为0～3MPa)环境，其物理参数和几何参数都会随温度和压力产生相应变化，尤其对于如含腔结构、含气泡等类型的水声材料，其内部几何结构随静水压力的变化往往会产生显著变化。目前，不同压力下的物理参数已经有相应方法通过实验测定，但其几何变化还没有直接检测方法测量，只能通过静力学分析进行数值仿真预测。这些仿真计算中所须的材料的静态模量和泊松比等一般由万能材料试验机测试或经验估算得到，而材料试验机测得的模量非水声材料相应温度和静水压(或称为环境压力或围压)下的真实力学参数，此外，由于实际粘弹性水声材料在较大静水压下材料自身可能具有非线性，给直接静态形变的准确仿真增加了非线性参数(待测)并带来额外的困难。同时，在进行静力学的数值预测中往往还引入了一些过于简化的边界条件，通过数值仿真分析得到的相应工况下材料层的三维几何往往与真实条件下的结果存在很大差异，而目前缺少直接测试结果检验仿真结果的准确性，进而将很大程度上影响最终设计结果的可靠性。此外，对于一些含腔结构在实际受静水压条件下内部空腔受压产生显著变形，进而导致整个材料层的表观等效密度增大。如果不能提前检测水声在相应工况下的三维几何形变，甚至可能会给航行器的安全性带来隐患。目前，由于缺少可以在水下变温变压模拟环境下水声材料三维几何的直接准确检测方法和装置，较严重地制约了水声材料的设计和研制。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于，提供一种水下变温变压模拟环境下水声材料三维几何的直接且准确的检测方法；并基于此方法，提供一种在相应基准温度和基准压力下材料静态体积压缩模量的检测方法；同时提供上述检测所需的一种水下变温变压模拟环境下水声材料三维几何形貌检测系统，以解决
技术介绍
中所提的当前检测技术的不足。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种水声材料三维几何形貌检测系统，其特征在于包括水下环境模拟装置、CT扫描系统和检测控制系统；所述水下环境模拟装置，包括容纳和固定水声材料样品的样品腔，用于为水声材料样品提供水下变温变压模拟环境；所述CT扫描系统，包括用于固定水下环境模拟装置的样品台，用于对固定于水下环境模拟装置内的水声材料样品进行CT扫描，得到与测量温度和压力对应的水声材料样品断层扫描图像，采用所述断层扫描图像进行三维重构，获得与测量温度和压力对应的水声材料样品三维几何形貌；所述检测控制系统，一是提供人机交互界面，输入检测方案，输出检测结果；二是根据输入的检测方案控制水下环境模拟装置，对样品腔内部的温度和压力进行控制和显示；三是根据输入的检测方案控制CT扫描系统进行扫描并获取与测量温度和压力对应的水声材料样品三维几何形貌。进一步的，水下环境模拟装置包括变温变压容器、变温变压环境介质、变压系统、变温系统、温度和压力控制系统，所述变温变压容器包括样品腔，水声材料样品固定于样品腔中，变温变压容器能被X射线能穿透，以便对水下变温变压模拟环境中的水声材料样品扫描；所述变温变压环境介质，通过变温变压容器上的开孔进出样品腔，用于实现样品腔内的水下变温变压模拟环境，并且与水声材料样品接触的边界具有足够的对比度，以保证水声材料样品外边界的重构精度；所述变压系统，用于对变温变压环境介质进行增压、减压和保压；所述变温系统，用于对变温变压环境介质进行升温、降温和保温；所述温度和压力控制系统，在检测控制系统的控制下，通过温度传感器获取样品腔内温度，通过压力传感器获取样品腔内的压力，控制变压系统和变温系统，进而对样品腔内部的温度和压力进行控制。进一步的，所述变温变压容器的样品腔由耐压壁、上盖和底板围合而成，上盖和底板与耐压壁之间采用密封圈进行密封；所述变温变压环境介质，采用气体介质，或者采用添加了示踪剂海水或人工模拟海水介质；所述变压系统包括增压装置、泄压装置、调压阀和调压阀控制器；增压装置采用压缩气瓶或液压泵，增压装置通过管道与样品腔相连，增压装置的出口安装调压阀及调压阀控制器，温度和压力控制系统通过调压阀控制器对调压阀进行控制，调解增压装置出口压力，进而控制样品腔内压力；泄压装置通过管道与样品腔相连，在温度和压力控制系统的控制下对样品腔进行泄压；所述变温系统采用内循环方式或者外循环方式；采用内循环方式时，经加热或冷却的变温变压环境介质由循环泵驱动在变温变压容器内的样品腔与循环管路中进行循环流动，在循环管路中的换热管部分换热，最终达到循环换热，实现样品腔内的变温；采用外循环方式时，变温变压环境容器置于保温套内，变温变压环境容器和保温套之间的空隙中有换热介质，换热介质通过变温变压容器与样品腔中的变压变温环境介质进行换热，换热介质由循环泵驱动在变温变压环境容器和保温套之间的空隙与循环管路中进行循环流动，在循环管路中的换热管部分换热；所属循环泵受温度和压力控制系统控制；所述的温度和压力控制系统包括采集卡、控制器，采集卡用于采集压力传感器、温度传感器的信号；控制器用于控制变压系统和变温系统。进一步的，所述水声材料是粘弹材料，所述水声材料样品具有内嵌空腔结构或者发泡结构。本专利技术还提供了一种基于上述系统的水声材料三维几何形貌检测方法，其特征在于，将水声材料样品固定于水下环境模拟装置内，水下环境模拟装置提供水下变温变压模拟环境，然后对固定于水下环境模拟装置内的水声材料样品进行断层CT扫描，最后对水声材料样品的断层扫描图像进行三维重构处理，得到水下变温变压模拟环境下的水声材料样品的三维几何形貌。进一步的，水声材料三维几何形貌检测方法包括步骤：步骤1，样品安装固定的步骤：将水声材料样品固定于水下环境模拟装置的样品腔中，然后将水下环境模拟装置安装固定于CT扫描系统的样品台上；步骤2，样品腔变温控制的步骤：对水下环境模拟装置进行变温控制，直至样品腔内温度达到设定温度状态；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水声材料三维几何形貌检测系统，其特征在于包括水下环境模拟装置、CT扫描系统和检测控制系统；/n所述水下环境模拟装置，包括容纳和固定水声材料样品的样品腔，用于为水声材料样品提供水下变温变压模拟环境；/n所述CT扫描系统，包括用于固定水下环境模拟装置的样品台，用于对固定于水下环境模拟装置内的水声材料样品进行CT扫描，得到与测量温度和压力对应的水声材料样品断层扫描图像，采用所述断层扫描图像进行三维重构，获得与测量温度和压力对应的水声材料样品三维几何形貌；/n所述检测控制系统，一是提供人机交互界面，输入检测方案，输出检测结果；二是根据输入的检测方案控制水下环境模拟装置，对样品腔内部的温度和压力进行控制和显示；三是根据输入的检测方案控制CT扫描系统进行扫描并获取与测量温度和压力对应的水声材料样品三维几何形貌。/n

【技术特征摘要】
1.一种水声材料三维几何形貌检测系统，其特征在于包括水下环境模拟装置、CT扫描系统和检测控制系统；
所述水下环境模拟装置，包括容纳和固定水声材料样品的样品腔，用于为水声材料样品提供水下变温变压模拟环境；
所述CT扫描系统，包括用于固定水下环境模拟装置的样品台，用于对固定于水下环境模拟装置内的水声材料样品进行CT扫描，得到与测量温度和压力对应的水声材料样品断层扫描图像，采用所述断层扫描图像进行三维重构，获得与测量温度和压力对应的水声材料样品三维几何形貌；
所述检测控制系统，一是提供人机交互界面，输入检测方案，输出检测结果；二是根据输入的检测方案控制水下环境模拟装置，对样品腔内部的温度和压力进行控制和显示；三是根据输入的检测方案控制CT扫描系统进行扫描并获取与测量温度和压力对应的水声材料样品三维几何形貌。


2.一种如权利要求1所述的水声材料三维几何形貌的检测系统，其特征在于，水下环境模拟装置包括变温变压容器、变温变压环境介质、变压系统、变温系统、温度和压力控制系统，
所述变温变压容器包括样品腔，水声材料样品固定于样品腔中，变温变压容器能被X射线能穿透，以便对水下变温变压模拟环境中的水声材料样品扫描；
所述变温变压环境介质，通过变温变压容器上的开孔进出样品腔，用于实现样品腔内的水下变温变压模拟环境，并且与水声材料样品接触的边界具有足够的对比度，以保证水声材料样品外边界的重构精度；
所述变压系统，用于对变温变压环境介质进行增压、减压和保压；
所述变温系统，用于对变温变压环境介质进行升温、降温和保温；
所述温度和压力控制系统，在检测控制系统的控制下，通过温度传感器获取样品腔内温度，通过压力传感器获取样品腔内的压力，控制变压系统和变温系统，进而对样品腔内部的温度和压力进行控制。


3.一种如权利要求2所述的水声材料三维几何形貌的检测系统，其特征在于，
所述变温变压容器的样品腔由耐压壁、上盖和底板围合而成，上盖和底板与耐压壁之间采用密封圈进行密封；
所述变温变压环境介质，采用气体介质，或者采用添加了示踪剂的海水或人工模拟海水介质；
所述变压系统包括增压装置、泄压装置、调压阀和调压阀控制器；增压装置采用压缩气瓶或液压泵，增压装置通过管道与样品腔相连，增压装置的出口安装调压阀及调压阀控制器，温度和压力控制系统通过调压阀控制器对调压阀进行控制，调解增压装置出口压力，进而控制样品腔内压力；泄压装置通过管道与样品腔相连，在温度和压力控制系统的控制下对样品腔进行泄压；
所述变温系统采用内循环方式或者外循环方式；采用内循环方式时，经加热或冷却的变温变压环境介质由循环泵驱动在变温变压容器内的样品腔与循环管路中进行循环流动，在循环管路中的换热管部分换热，最终达到循环换热，实现样品腔内的变温；采用外循环方式时，变温变压环境容器置于保温套内，变温变压环境容器和保温套之间的空隙中有换热介质，换热介质通过变温变压容器与样品腔中的变压变温环境介质进行换热，换热介质由循环泵驱动在变温变压环境容器和保温套之间的空隙与循环管路中进行循环流动，在循环管路中的换热管部分换热；所属循环泵受温度和压力控制系统控制；
所述的温度和压力控制系统包括采集卡、控制器，采集卡用于采集压力传感器、温度传感器的信号；控制器用于控制变压系统和变温系统。


4.一种如权利要求1-3所述的水声材料三维几何形貌的检测系统，其特征在于，所述水声材料是粘弹材料，所述水声材料样品具有内嵌空腔结构或者发泡结构。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭锋，尹铫，李超，杨婉雨，张秀娟，杨军，程晓斌，伍世桥，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11