学术前沿 | 混合蜂窝结构增强宽带水下吸声

本文提出了一种新型的宽带水下吸声混合蜂窝结构（HHS）。HHS采用六角形蜂窝结构，嵌入不同尺寸的金属环，并填充粘弹性橡胶。HHS的嵌入环的数量可以分为若干等效层。应用橡胶的复粘度弹性模型和等效混合定律，可以得到各层的等效密度和体积模量。利用传递矩阵法建立了该系统吸声的理论模型。为了验证理论模型，还建立了一个有限元模型，完全基于实际材料和结构的模型。结果表明，两者吻合较好，证实了理论模型的准确性。

嵌入式金属环的创新设计将橡胶振动集中在环边缘附近和环孔形成的锥形区域内，并将橡胶中的纵波转化为横波。这些振动增加了橡胶内部在橡胶-金属界面的摩擦，显著地减少了橡胶-金属界面的摩擦损失，从而增加了声能的耗散。与均匀的橡胶层和橡胶填充的蜂窝壁结构相比，能量耗散折痕的平均值分别为238 %和181 %。HHS的能量耗散分布结果证实，能量耗散主要集中在锥形区域，并具有显著的能量耗散增强效应。

这些环的结构参数可以通过设计来调整圆锥形区域的形状，从而实现对能量耗散增强效果的调节。橡胶的低弹性模量和高损耗因子增加了橡胶的能量耗散。在理论模型的基础上，采用粒子群优化算法对混合蜂窝结构的关键结构和材料参数进行了优化。优化后的HHS从1088 Hz开始的吸声系数大于0.9,1~10 kHz之间平均为0.96，低频在755 Hz时达到0.8，显示宽带低频吸收。本文提出了一种新的设计概念，为水下吸声结构的发展提供了有价值的指导。