柔性包覆层与声子晶体集成的新型水下滑翔机翼设计与减振降噪研究

【编辑推荐】针对水下滑翔机传感器精度受流体噪声干扰的问题，研究人员创新性地将柔性包覆层与声子晶体（PnCs）结合设计新型机翼。通过优化柔性包覆层参数调控流场，结合PnCs的带隙（BGs）特性抑制低频振动，实现平均3.5 dB（0-200 Hz）的噪声降低，最高降噪达20.2 dB（21 Hz）。该研究为水下装备低噪声设计提供了新思路，成果发表于《Ocean Engineering》。

　　

随着海洋资源开发与环境监测需求增长，水下滑翔机因低功耗、长航程优势成为重要工具。然而，其搭载的高精度声学传感器易受机翼流体激励噪声干扰，尤其是流噪声（flow noise）和流激噪声（flow-excited noise）。传统降噪方法如椭圆前缘设计、锯齿尾缘结构虽有效，但难以兼顾柔性材料的振动抑制需求。声子晶体（Phononic Crystals, PnCs）作为周期性弹性结构材料，通过带隙（Bandgaps, BGs）特性阻断特定频段弹性波传播，为低频噪声控制提供了新途径。

为解决上述问题，中国某研究团队在《Ocean Engineering》发表论文，提出一种集成柔性包覆层与PnCs的新型机翼设计。研究通过正交试验优化包覆层厚度、密度与肖氏硬度参数，结合四臂阿基米德螺旋单元PnCs的带隙调控，实现了流场主动控制与振动抑制的双重目标。

关键技术包括：1）基于正交试验的柔性包覆层参数优化；2）Bloch理论有限元计算PnCs能带结构；3）Petrel-4000水下滑翔机水池实验验证。研究团队通过12组正交试验确定包覆层最佳参数组合，并推导螺旋单元PnCs的振动抑制频段（15-45 Hz）。

参数化柔性包覆层
通过边界速度剖面分析确定流动分离位置，优化包覆层使流噪声在111-168 Hz频段的增幅显著改善。正交试验表明，厚度4倍于基板的包覆层降噪效果最优。

PnCs降噪性能
设计的四臂阿基米德螺旋单元PnCs通过调节晶格常数、孔隙率与凹槽距离，在0-200 Hz范围内形成有效带隙。仿真显示该结构使机翼振动能量在21 Hz处降低20.2 dB。

实验验证
Petrel-4000搭载新型机翼的水池实验证实，实际应用中平均降噪达3.5 dB，验证了仿真准确性。非对称机体导致的噪声方向性差异通过多点声压测量校准。

结论与意义
该研究创新性地融合柔性包覆层流控能力与PnCs带隙特性，突破传统降噪技术低频限制。柔性包覆层通过阻尼湍流边界层脉动压力降低流噪声，PnCs则通过BGs抑制结构振动噪声。实验证明新型机翼可显著提升声学载荷测量精度，为水下装备低噪声设计提供理论依据与工程实践参考。研究获得山东省重点研发计划（2021CXGC010708）与国家自然科学基金（52305031）支持，相关技术有望拓展至海洋装备振动隔离领域。