多尺度結(jié)構(gòu)功能材料在水下聲隱身中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、能夠以較小尺度實(shí)現(xiàn)寬頻強(qiáng)吸聲效應(yīng)且性能優(yōu)異的現(xiàn)代水下吸聲材料在規(guī)避聲納搜索的消聲覆蓋層、水下聲學(xué)傳輸系統(tǒng)等軍民兩用技術(shù)方面有著迫切的需要。在最近十年中，由于可以在晶格尺寸比相應(yīng)聲波波長小兩個(gè)數(shù)量級時(shí)獲得明顯的聲子帶隙，局域共振型聲子晶體引起了人們廣泛的關(guān)注。最近的理論計(jì)算表明，當(dāng)考慮其粘彈性形變時(shí)，在局域共振頻率將產(chǎn)生最大的粘彈性能量損耗。這意味著局域共振型聲子晶體可以被用于拓展水下吸聲材料的研究領(lǐng)域?？墒蔷钟蚬舱裥吐曌泳w只能在某一窄

2、頻范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)吸收，這與吸聲材料通常被設(shè)計(jì)成寬頻強(qiáng)吸收的目標(biāo)是不一致的，為了解決這一問題，需要在局域共振型聲子晶體中引入一些特殊的結(jié)構(gòu)。多尺度結(jié)構(gòu)材料由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)在潛在的廣泛應(yīng)用領(lǐng)域中有著非同尋常的意義。在本論文中，將多尺度結(jié)構(gòu)的概念引入到光子晶體木堆結(jié)構(gòu)和生物材料互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)里，然后同局域共振型聲子晶體單元相結(jié)合，分別得到了兩種現(xiàn)代水下吸聲材料。
　　 首先，為了滿足現(xiàn)代水下吸聲材料對寬頻吸聲頻譜可以被任意剪裁的需要

3、，我們制作了一種被稱作局域共振聲子木堆的水下吸聲材料，它可以拓寬和控制吸聲頻譜。這種材料的設(shè)計(jì)靈感來源于多尺度光子晶體木堆結(jié)構(gòu)和局域共振型聲子晶體。我們模擬這兩種結(jié)構(gòu)，利用包覆了軟聚氨酯彈性體的一維鋼桿進(jìn)行堆砌，然后埋入硬聚氨酯彈性體基體中制備局域共振聲子木堆，并利用標(biāo)準(zhǔn)聲管測量了其水下吸聲系數(shù)。在8kHz到30kHz的寬頻范圍內(nèi)，局域共振聲子木堆擁有超過0.8的高平均水下吸聲系數(shù)。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，局域共振聲子木堆能夠具有較好的聲吸

4、收性質(zhì)是局域共振單元結(jié)構(gòu)和多尺度木堆結(jié)構(gòu)相結(jié)合的結(jié)果。
　　 其次，結(jié)合局域共振型聲子晶體和多尺度互穿網(wǎng)絡(luò)玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)，我們制作了一種被稱作聲子玻璃的復(fù)合材料，它擁有高機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)異水下吸聲能力的雙重特性。聲子玻璃的靈感來源于天然生物材料，貝殼具有高的機(jī)械硬度和較好的韌性，其卓越的機(jī)械性質(zhì)來源于組織良好的層狀結(jié)構(gòu)。分析貝殼結(jié)構(gòu)和局域共振型聲子晶體結(jié)構(gòu)后，我們對其進(jìn)行仿制將軟聚氨酯層包覆在聲子玻璃的泡沫鋁骨架中，然后將硬聚氨酯填充進(jìn)

5、剩余空間中。在一定程度上，這種結(jié)構(gòu)可以看成是局域共振型聲子晶體的類似結(jié)構(gòu)，它將使強(qiáng)吸聲性能和高機(jī)械強(qiáng)度同時(shí)出現(xiàn)。水下吸聲系數(shù)的測量結(jié)果證明了聲子玻璃具有寬頻范圍的強(qiáng)吸聲性質(zhì)，準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)測試表現(xiàn)了這種材料還擁有對于水下應(yīng)用至關(guān)重要的機(jī)械強(qiáng)度。
　　 此外，為了從物理學(xué)的角度說明局域共振聲子木堆和聲子玻璃的作用機(jī)制，我們利用集中質(zhì)量法估算了這兩種材料可能出現(xiàn)的聲共振帶隙。完全彈性散射條件能夠簡化計(jì)算過程，利用該方法計(jì)算出的帶隙頻