一种螺旋卷曲式水下吸声超表面结构制造技术

本发明专利技术属于声学超表面结构技术领域，具体地说，涉及一种螺旋卷曲式水下吸声超表面结构，至少一个螺旋卷曲式水下吸声超表面结构(4)设置在圆柱形波导(5)的出射口处；其包括：中空圆柱外壳(1)、螺旋构件(2)和中空圆柱体(3)；中空圆柱体(3)嵌套与中空圆柱外壳(1)内，形成圆环结构；螺旋构件(2)环绕在中空圆柱体(3)的外圆周壁上，且中空圆柱外壳(1)将该螺旋构件(2)包裹在其内圆周壁；在亚波长尺寸上，与现有的吸声结构相比，具有更小的尺寸，易于集成，解决水下低频吸声难以实现的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种螺旋卷曲式水下吸声超表面结构
本专利技术属于声学超表面结构和水下吸声设备
，具体地说，涉及一种螺旋卷曲式水下吸声超表面结构。
技术介绍
与空气环境下的吸声结构相比，由于水中声速较大以及水粘性较小等原因，水下吸声一直是一个比较困难的问题。传统水下吸声材料面临的主要问题是其在低频区域吸声性能差且笨重，不可避免地阻碍了实际应用。目前，橡胶、聚氨酯等高分子材料在水下应用广泛，然而不耐静水压力。微粒填充型吸声材料比高分子均质材料在吸声性能上有了明显的改进，但是由于填料分布的无规性,无法实现对声波的有效控制。孔腔谐振吸声材料较好地解决了低频吸声的问题，但这类吸声材料强度较低,也不耐静水压力。多孔泡沫具有高强度的优点，但牺牲了吸声能力。超表面结构材料的发展使得小尺寸声学器件调控低频吸声成为可能。在相关研究中，声学超材料和超表面的出现为控制声波提供了许多有趣的方法，如局域共振声子晶体、空间折叠和盘绕结构材料、复合材料。其中，卷曲型结构通过曲折的路径减小了占用空间，还可以通过空间缠绕构造极端本构参数，如单/双负超材料、零折射率超材料和极高折射率超材料。这种盘绕的吸收体可以大大地提高空间利用率，厚度仅为波长的一小部分。但是，现有的吸声材料的吸声特性都是在以空气为介质背景下研究的，属于空气环境下的吸声结构；但是，对于水下隔声的性能还没有那么普及，并且在可调性方面也尚有不足。因此，现有的吸声结构存在以下问题：1、体积庞大；墙或其他建筑板材的隔声量与其表面密度(或单位面积的质量)的对数成正比；在低频情况下声能量较大，需要更大的体积才能满足隔声或吸声的需求，这限制了传统材料在吸声方面的应用；2、低频吸声性能差；传统吸声材料本身吸声性能差，在高频段，能一定程度上衰减声音，但是，低频段，就没有吸声性能了；3、吸声频带窄；现有的吸声器依赖于共振或内部的热粘耗散，有效吸声带宽窄。本专利技术的目的是在亚波长尺寸上解决水下低频吸声难以实现的问题。
技术实现思路
为解决现有技术存在的上述缺陷，本专利技术提出了一种螺旋卷曲式水下吸声超表面结构，至少一个螺旋卷曲式水下吸声超表面结构设置在圆柱形波导的出射口处；该结构包括：中空圆柱外壳、螺旋构件和中空圆柱体；中空圆柱体嵌套与中空圆柱外壳内，形成圆环结构；螺旋构件环绕在中空圆柱体的外圆周壁上，且中空圆柱外壳将该螺旋构件包裹在其内圆周壁。作为上述技术方案的改进之一，所述螺旋构件为方形螺旋结构或圆柱形螺旋结构。作为上述技术方案的改进之一，所述圆柱形螺旋结构具有包括至少2阶螺旋的螺旋路径：其中，r为螺旋结构的螺旋路径的半径；r∈(22.5mm,50mm)；为螺旋路径的角度；P为螺距；x为螺旋路径在径向上的距离；y为螺旋路径在切线上的距离；z为螺旋路径在轴向上的距离。作为上述技术方案的改进之一，所述圆柱形螺旋结构内增设吸声材料，该吸声材料的厚度为0.5-1mm。作为上述技术方案的改进之一，所述圆柱形螺旋结构的螺旋宽度为20-30mm。作为上述技术方案的改进之一，所述中空圆柱外壳的外圆周壁的厚度为30-60mm。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：1)本专利技术采用了螺旋卷曲形的超表面结构，大大增加了声波传输路径长度，同时减小整个吸声结构的侧面厚度；2)螺旋卷曲形结构在一定频率下能实现入口处无反射和出射口处无透射的两个完美吸声；3)本专利技术的结构能实现两个完美吸声的峰值，在两相邻吸声峰值内，吸声系数仍不为0，拓宽了吸声频带；4)本专利技术的吸声结构参数可调，通过调节参数(螺旋路径长度、阶数等)使得吸声频率可调，这为特定吸声频率，提供了可操作性。附图说明图1是本专利技术的一种螺旋卷曲式水下吸声超表面结构的结构示意图；图2是图1的本专利技术的一种螺旋卷曲式水下吸声超表面结构的螺旋结构的结构示意图；图3A是本专利技术的一个实施例中的每个螺旋结构的螺旋路径为455mm的频率与吸声系数的曲线示意图；图3B是本专利技术的一个实施例中的每个螺旋结构的螺旋路径为336mm的频率与吸声系数的曲线示意图；图4A是本专利技术的另一个实施例中的螺旋结构具有二阶螺旋结构的频率与吸声系数的曲线示意图；图4B是本专利技术的另一个实施例中的螺旋结构具有六阶螺旋结构的频率与吸声系数的曲线示意图；图5是图1的A-A局部放大图。附图标记：1、中空圆柱外壳2、螺旋构件3、中空圆柱体4、螺旋卷曲式水下吸声超表面结构5、圆柱形波导具体实施方式现结合附图对本专利技术作进一步的描述。如图1所示，本专利技术提供了一种螺旋卷曲式水下吸声超表面结构，在亚波长尺寸上，与现有的吸声结构相比，具有更小的尺寸，易于集成，解决水下低频吸声难以实现的问题；相比现有的超表面吸声结构，卷曲空间型超表面吸声结构具有深度亚波长尺度，耦合效率高、结构简单、易构造的特点。至少一个螺旋卷曲式水下吸声超表面结构4设置在圆柱形波导5的出射口处；该结构4包括：中空圆柱外壳1、中空圆柱体3和螺旋构件2；中空圆柱体嵌套与中空圆柱外壳内，形成圆环结构；螺旋构件环绕在中空圆柱体的外圆周壁上，且中空圆柱外壳将该螺旋构件包裹在其内圆周壁。如图2所示，所述螺旋构件为方形螺旋结构或圆柱形螺旋结构；优选地，所述圆柱形螺旋结构为包括至少2阶螺旋的螺旋路径，依靠螺旋自身的表面响应，来进行声衰减：其中，r为螺旋结构的螺旋路径的半径；r∈(22.5mm,50mm)；为螺旋路径的角度,ω＝2.1mm-1,s为调整螺旋路径的角度的参数；p＝10mm，P为螺距，P＝2πp/ω；x为螺旋路径在径向上的距离；y为螺旋路径在切线上的距离；z为螺旋路径在轴向上的距离；其中，x、y、z为建立的三维直角坐标系的三个坐标轴；所述圆柱形螺旋结构内增设吸声材料，该吸声材料的厚度为0.5-1mm，优选为1mm。所述圆柱形螺旋结构的螺旋宽度为20-30mm，优选为22.5mm。所述中空圆柱外壳的外圆周壁的厚度为30-60mm，优选为50mm；在其他具体实施例中，也可根据需要，自行设置高度，但过低(小于30mm)容易造成过度紧密，过高(大于60mm)容易造成体积过大，降低吸声效果，使得吸声系数降低。根据式(1)广义Snell定律，如图5所示，声波将在两种介质之间的表面产生相移：其中，θi为声波的入射角；θr为声波的反射角；表示非线性声波相位函数；y表示沿螺旋路径切线方向；λ0为工作波长；ni为入射介质的折射率；上述螺旋路径为三维螺旋结构，其界面具有径向和切线方向，非线性声波相位函数仅沿切线方向有非线性变化。这种非线性变化，使得声波不再遵循常规折/反射规律。通过调节螺旋的参数，可以使得螺旋结构满足完美吸声的两个条件：入口处无反射和出射口处无透射。如图1所示，将螺旋构件放置在长度为200mm，直本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种螺旋卷曲式水下吸声超表面结构，其特征在于，至少一个螺旋卷曲式水下吸声超表面结构(4)设置在圆柱形波导(5)的出射口处；该结构(4)包括：中空圆柱外壳(1)、螺旋构件(2)和中空圆柱体(3)；/n中空圆柱体(3)嵌套与中空圆柱外壳(1)内，形成圆环结构；螺旋构件(2)环绕在中空圆柱体(3)的外圆周壁上，且中空圆柱外壳(1)将该螺旋构件(2)包裹在其内圆周壁。/n

【技术特征摘要】
1.一种螺旋卷曲式水下吸声超表面结构，其特征在于，至少一个螺旋卷曲式水下吸声超表面结构(4)设置在圆柱形波导(5)的出射口处；该结构(4)包括：中空圆柱外壳(1)、螺旋构件(2)和中空圆柱体(3)；
中空圆柱体(3)嵌套与中空圆柱外壳(1)内，形成圆环结构；螺旋构件(2)环绕在中空圆柱体(3)的外圆周壁上，且中空圆柱外壳(1)将该螺旋构件(2)包裹在其内圆周壁。


2.根据权利要求1所述的螺旋卷曲式水下吸声超表面结构，其特征在于，所述螺旋构件(2)为方形螺旋结构或圆柱形螺旋结构。


3.根据权利要求2所述的螺旋卷曲式水下吸声超表面结构，其特征在于，所述圆柱形螺旋结构具有包括至少2阶螺旋的螺旋路径：...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晗，吴慧兰，杨军，程晓斌，
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