一種水下低頻吸聲尖劈的研制

張權(quán) 吳友亮

（第七一五研究所，杭州，310012）

吸聲尖劈是一種良好的吸聲結(jié)構(gòu)，普遍應(yīng)用于水聲學(xué)中的消聲水池、高頻消聲水槽、高壓消聲水罐和聲納導(dǎo)流罩內(nèi)壁等。因此，作為一種有效的水下吸聲材料，吸聲尖劈必須滿足兩個(gè)條件：（1）特性聲阻抗與傳播介質(zhì)的特性聲阻抗匹配，使聲波能夠無反射地進(jìn)入材料內(nèi)部；（2）材料有大的聲衰減性能，使入射聲能絕大部分被吸收。通常，應(yīng)用的是共振式吸聲結(jié)構(gòu)或漸變過度結(jié)構(gòu)。共振式吸聲結(jié)構(gòu)是在材料中設(shè)置孔腔，通過改變孔腔的大小和數(shù)量來調(diào)整材料的有效彈性模量和損耗，同時(shí)，聲波在孔腔內(nèi)可以發(fā)生共振吸收，因此孔腔結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)材料的吸聲性能；漸變過度結(jié)構(gòu)常把橡膠等材料制成尖錐或尖劈狀，實(shí)現(xiàn)材料聲學(xué)狀態(tài)的逐步過渡，以達(dá)到阻抗匹配的目的。

目前，國內(nèi)在用的水下吸聲材料主要有幾種結(jié)構(gòu)形式：一是鋸齒形吸聲尖劈結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用在中高頻消聲水槽或船舶的聲納導(dǎo)流罩內(nèi)，以消除聲反射和噪音；二是吸聲圓錐結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用在大型消聲水池測(cè)量系統(tǒng)中，模擬自由場(chǎng)地聲學(xué)環(huán)境；三是消聲瓦結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用在潛艇殼體表面，既能吸收對(duì)方聲納探測(cè)聲波的能量，又能減少自身艇噪聲，提高潛艇的隱蔽性[1]。

本文介紹了一種水下低頻吸聲尖劈的研制過程和性能情況，該尖劈作為消聲水池和導(dǎo)流罩內(nèi)吸聲使用。 在研制過程中，首次在尖劈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上引入聲學(xué)理論仿真計(jì)算方法，根據(jù)尖劈的聲學(xué)性能設(shè)計(jì)要求，模擬出新型的內(nèi)部共振空腔結(jié)構(gòu)特征；在生產(chǎn)工藝上，根據(jù)尖劈的形狀結(jié)構(gòu)特征，采用新型的模具設(shè)計(jì)和注膠硫化方式，節(jié)約人力成本，保證模具長期使用的可靠性。

1 工作機(jī)理

1.1 基材

根據(jù)水下吸聲材料的基本要求，一般采用內(nèi)耗大、阻尼性能好的高分子材料作為基材，如丁基橡膠、丁苯橡膠、聚氨酯橡膠等，因?yàn)橄鹉z可以通過選取不同的膠料以及配合劑的種類和比例，有效地控制其聲學(xué)特性和其它性能；橡膠的大分子鏈運(yùn)動(dòng)形式繁多，松弛時(shí)間譜很寬，能夠吸收寬頻帶的水中聲能；橡膠的特性聲阻抗與水的特性聲阻抗接近，二者容易實(shí)現(xiàn)匹配[2]。

為使材料有較大的聲衰減性能，通常在橡膠中混入氣泡性填料。根據(jù)奧島基良[3]對(duì)氣泡性吸聲材料進(jìn)行的理論探討，可導(dǎo)出氣泡性吸聲材料的有效損耗因子η：

1.2 結(jié)構(gòu)

常用的吸聲材料結(jié)構(gòu)不外乎漸變式吸聲結(jié)構(gòu)和共振式吸聲結(jié)構(gòu)。漸變式吸聲結(jié)構(gòu)常把橡膠等材料制成尖錐或尖劈狀，以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。當(dāng)聲波入射到楔槽斜壁時(shí)，聲波進(jìn)入吸聲材料，大多數(shù)被吸收，被反射的聲波又入射到楔槽斜壁對(duì)面的吸聲材料表面，進(jìn)入部分大多數(shù)又被吸收，如此循環(huán)往復(fù)，聲波逐漸衰減[2]。而共振式吸聲機(jī)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置空腔，當(dāng)入射聲波的頻率與空腔的固有頻率接近時(shí)，聲波在空腔內(nèi)就發(fā)生共振，使腔體材料產(chǎn)生較大的變形，使聲能轉(zhuǎn)換為熱能。

2 低頻吸聲尖劈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，尖劈需滿足 3～5 kHz的低頻吸聲要求，同時(shí)又能在6 kHz以上頻段工作，在尖劈的外形設(shè)計(jì)上采用漸變式吸聲結(jié)構(gòu)。而針對(duì)低頻聲性能要求，尖劈內(nèi)部設(shè)置空腔，空腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過仿真理論計(jì)算，代入已知材料基材參數(shù)，模擬空腔結(jié)構(gòu)，計(jì)算獲得理論上可行的結(jié)構(gòu)模式。吸聲尖劈的低頻聲學(xué)性能仿真計(jì)算可以歸結(jié)為漸變吸收層的反射問題。使用理論數(shù)值計(jì)算方法對(duì)線性尖劈（含空腔結(jié)構(gòu)）的聲學(xué)性能進(jìn)行仿真。

在漸變聲場(chǎng)中，聲壓和質(zhì)點(diǎn)速度滿足以下方程

其中，ρ是密度，P是聲壓，K是壓縮模量，ω是角頻率，ν是體積。密度和壓縮模量是隨坐標(biāo)變量x變化的量，可以表示為：

其中，ρ0、ρ1分別表示漸變層兩端的密度，K0、K1分別表示漸變層兩端的壓縮模量，n0=1-n1，n1表示為漸變層的過渡函數(shù)，定義為過渡部分之橫截面積于底面積之比。上述對(duì)于漸變層密度和壓縮模量的假設(shè)對(duì)于大多數(shù)橡膠材料均可滿足。求解上述方程即可得到漸變層中聲壓和質(zhì)點(diǎn)速度的計(jì)算公式，將其表示為聲阻抗率的形式，從而得到漸變吸收層前后表面的聲阻抗率轉(zhuǎn)移計(jì)算方程，表示為如下形式：

含空腔結(jié)構(gòu)的尖劈的計(jì)算，可以將空腔結(jié)構(gòu)等效為對(duì)漸變層密度和壓縮模量的影響因子，在漸變層內(nèi)對(duì)其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。同時(shí)，必須考察前后表面由于空腔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的阻抗率突變，將適用于該突變的邊界條件納入上述聲阻抗率的計(jì)算當(dāng)中。最終，仍然應(yīng)用公式(4)計(jì)算結(jié)構(gòu)的整體吸聲效果。

根據(jù)仿真計(jì)算得出，為使尖劈在頻率3 kHz以上，吸聲系數(shù)大于90%，空腔結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)成錐形空腔。利用此種空腔的共振吸收達(dá)到設(shè)計(jì)要求。結(jié)合中高頻段的吸聲要求，最終設(shè)計(jì)出的低頻吸聲尖劈的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。尖劈尺寸為240 mm×240 mm×100 mm，單個(gè)鋸齒寬度為30 mm，空腔高度為96 mm。

圖1 低頻吸聲尖劈的結(jié)構(gòu)示意圖

3 配方設(shè)計(jì)

橡膠內(nèi)耗的大小與橡膠的分子基本結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。為了對(duì)各種橡膠的內(nèi)耗進(jìn)行比較，對(duì)常用的丁腈橡膠、丁基橡膠、丁苯橡膠、氯丁橡膠、天然橡膠的性能進(jìn)行了測(cè)試，其結(jié)果如表1所示[4]。

表1 各種橡膠的基本性能

從表1可見，幾種膠料的楊氏模量損耗因子η差別較大，其中以丁腈橡膠和丁基橡膠為最高，天然橡膠和丁苯橡膠為最低，氯丁橡膠介于其中。另一個(gè)表征粘彈性物質(zhì)的物理量彈性恢復(fù)，其值越大，表示橡膠的彈性越好，內(nèi)耗就越小，反之越大。由表 1可知，天然橡膠最高，丁基橡膠為最低。因此丁基橡膠是一種很好的阻尼材料。另外，丁基橡膠的耐老化和耐水性能優(yōu)良，適宜于長期在水中使用。據(jù)上所述，選用丁基橡膠為吸聲橡膠圓錐基體材料。

在氣泡性填料的選擇上，木屑、鋁粉、蛭石粉均可作為氣泡性填料，其中蛭石粉使用效果較好。當(dāng)蛭石粉的用量從0增加到50份時(shí)，材料的聲阻抗率下降為原來的1/3，而有效損耗因子則提高了6倍[5]。經(jīng)過材料篩選和配方試驗(yàn)，確定低頻吸聲尖劈的最終配方為（質(zhì)量份）：丁基橡膠 100、氧化鋅 4～8、硬脂酸 1～2、增塑劑 13～20、硫磺2～3、促進(jìn)劑 2～3、蛭石粉 82～86、碳黑 25～40、填料30～50。

4 生產(chǎn)工藝

4.1 模具設(shè)計(jì)

考慮到尖劈結(jié)構(gòu)內(nèi)部含有針狀空腔結(jié)構(gòu)，常規(guī)硫化填膠方式容易造成針結(jié)構(gòu)的彎曲和損壞，因此在模具設(shè)計(jì)上采用了注膠結(jié)構(gòu)。模具設(shè)計(jì)成三層結(jié)構(gòu)，上模注料結(jié)構(gòu)固定在硫化機(jī)上平板，下模固定在硫化機(jī)下平板上，中模通過硫化機(jī)頂出結(jié)構(gòu)連接控制。

4.2 硫化工藝

根據(jù)尖劈配方原料混煉完成后，在開煉機(jī)以三角包方式打包4遍并下片。當(dāng)模具溫度到達(dá)設(shè)定溫度時(shí)將剪切號(hào)的膠料放入注料倉，通過硫化機(jī)壓力將膠料緩慢注入模腔。膠料注滿后，合模保溫。根據(jù)聲學(xué)性能測(cè)試，確定尖劈的硫化條件為 150℃×45 min。生產(chǎn)工藝流程見圖2。

圖2 生產(chǎn)工藝流程圖

5 物理性能和聲學(xué)性能

5.1 物理性能

混煉膠在150℃×50 min下硫化，硫化橡膠拉伸性能和扯斷伸長率按GB／T528-98方法進(jìn)行，邵氏硬度按 GB／T531-99方法進(jìn)行。密度按 GB／T533-91方法進(jìn)行。測(cè)得的膠片物理性能情況見表2。

表2 吸聲尖劈物理性能

5.2 聲學(xué)性能

尖劈小樣在Φ57 mm脈沖聲管測(cè)量裝置中測(cè)試，裝置測(cè)量不確定度為 12%，測(cè)試依據(jù) GB/T 14369-2011[6]。尖劈小樣在整塊尖劈上通過工裝夾具取出，小樣尺寸為Ф56.5 mm×100 mm。經(jīng)檢驗(yàn)各頻段吸聲吸聲系數(shù)見表3。

表3 低頻吸聲尖劈小樣吸聲系數(shù)

尖劈大樣在大面積水聲材料聲學(xué)性能測(cè)量裝置（測(cè)量頻率大于1 kHz）中測(cè)試，裝置測(cè)量不確定度為21%，測(cè)試依據(jù)GB/T 14369-2011。大樣制作采用20塊尖劈粘接在1200 mm×1200 mm×10 mm不銹鋼板上，膠粘劑使用801膠，以使尖劈與鋼板之間盡可能無縫隙。大樣測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 低頻吸聲尖劈大樣吸聲系數(shù)

從尖劈小樣和大樣的測(cè)量結(jié)果看，吸聲系數(shù)均能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，在頻率3 kHz以上的吸聲系數(shù)大于90%。在個(gè)別頻率點(diǎn)上，小樣與大樣的吸聲系數(shù)有不同，這與測(cè)量裝置的不確定度有一定關(guān)系，尖劈吸聲系數(shù)曲線符合理論仿真計(jì)算結(jié)果。

6 結(jié)論

● 測(cè)量結(jié)果表明，根據(jù)吸聲材料結(jié)構(gòu)的理論設(shè)計(jì)和仿真計(jì)算得到的漸變式外形結(jié)構(gòu)和內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)是一種有效的低頻吸聲結(jié)構(gòu)。

● 結(jié)合材料配方開發(fā)出的低頻吸聲尖劈具有很好的低頻吸聲性能，頻率3 kHz以上的吸聲系數(shù)大于90%，性能可類比330 mm吸聲圓錐。同尺寸常用吸聲尖劈在3 kHz時(shí)吸聲系數(shù)為70%，5 kHz以上大于90%，與其相比，本文研制的吸聲尖劈在低頻段性能更好。

● 在尖劈硫化過程中發(fā)現(xiàn)采用注膠方式填膠，可保證模具錐形針不彎曲，長久使用，但也造成填膠時(shí)間較長，當(dāng)膠料流動(dòng)性變差時(shí)，膠料需要很長時(shí)間才能注滿，因此需要膠料使用前進(jìn)行預(yù)熱。在后續(xù)工作中將進(jìn)一步改進(jìn)膠料的流動(dòng)性以及模具設(shè)計(jì)合理性。

[1] 繆旭弘, 王振全. 潛艇水下噪聲控制技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策[C]. 第十屆船舶水下噪聲學(xué)術(shù)研討會(huì), 北京, 2005.

[2] 朱金華, 王源升, 文慶珍, 等. 水聲吸聲高分子材料的發(fā)展及應(yīng)用[J]. 高分子材料科學(xué)與工程, 2005, 21(4).

[3] 奧島基良. 氣泡性水中吸聲材料[C]. 超聲波研究會(huì),1964.

[4] 魏軍光, 喬冬平, 張霞，等. 消聲水池用低頻吸聲尖劈的研制[J]. 材料開發(fā)與應(yīng)用, 2002, 17(4).

[5] 張殿榮, 馬占興, 楊清芝. 現(xiàn)代橡膠配方設(shè)計(jì)[M]. 2版.北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2001.

[6] 李水, 羅馬奇, 趙洪, 等. GB/T 14369-2011 聲學(xué) 水聲材料樣品插入損失、回聲降低和吸聲系數(shù)的測(cè)量方法[S].北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2012.