魚雷導(dǎo)流罩用聚氨酯橡膠的透聲性能研究

李衛(wèi)民

（海軍駐昆明地區(qū)軍事代表室，昆明，650236）

自導(dǎo)魚雷能在水中自動(dòng)搜索、跟蹤和攻擊目標(biāo)。為提高作戰(zhàn)性能，適應(yīng)復(fù)雜的海洋環(huán)境，現(xiàn)代魚雷大多采用寬帶自導(dǎo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要組成部分是安裝在魚雷頭部的聲吶基陣，它是發(fā)射和接收聲信號(hào)的裝置。針對(duì)聲吶基陣的寬帶需求，采用匹配層換能器是比較理想的選擇，在縱振換能器的輻射面上灌注阻抗匹配層之后，其發(fā)射、接收性能及工作帶寬都有較大幅度的提高[1]。同時(shí)聲吶基陣的外表面覆有一層透聲導(dǎo)流罩，起到減小運(yùn)動(dòng)阻力、降低流噪聲和水密的作用。為確保聲吶基陣的聲學(xué)性能，導(dǎo)流罩材料需具備良好的透聲性能。澆注型聚氨酯橡膠材料具有優(yōu)良的透聲和力學(xué)性能，同時(shí)成型工藝簡(jiǎn)單，不僅能夠讓聲信號(hào)幾乎沒(méi)有反射和損耗地通過(guò)，而且能降低流體湍流邊界層的壓力脈動(dòng)所產(chǎn)生的流噪聲，是較理想的魚雷導(dǎo)流罩材料[2]。

1 理論分析

聲波入射到材料層上能夠無(wú)反射、無(wú)損耗地通過(guò)，即特性阻抗與水匹配、衰減常數(shù)相當(dāng)小的材料稱之為透聲材料[3]。因此，透聲橡膠材料的一項(xiàng)重要考察指標(biāo)是其特性阻抗ρc值（ρ指材料的密度，c代表材料的聲速）是否與其兩側(cè)聲波的傳播介質(zhì)水的特性阻抗ρ水c水值匹配，同時(shí)其聲衰減常數(shù)應(yīng)盡可能低。在實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)流罩外側(cè)是水，內(nèi)側(cè)是聲吶基陣的換能器匹配層，我們對(duì)該分層結(jié)構(gòu)中的聲傳播、導(dǎo)流罩材料的聲學(xué)性能對(duì)透聲效果的影響需作進(jìn)一步的探討研究。

研究聲波通過(guò)各分界面的能量傳遞，可以了解導(dǎo)流罩橡膠層對(duì)聲吶基陣聲性能的影響。設(shè)水（介質(zhì)Ⅰ）特性阻抗R1=ρ1c1、導(dǎo)流罩材料（介質(zhì)Ⅱ）特性阻抗R2=ρ2c2、換能器匹配層（介質(zhì)Ⅲ）特性阻抗R3=ρ3c3，見(jiàn)圖1。一列聲壓為的平面波從水一側(cè)垂直入射到分界面（x=0）上，由于分界面兩邊的特性阻抗不一樣，有一部分聲波p1r反射回去，另一部分聲波p1t透射入導(dǎo)流罩橡膠層中，同樣，在x=d（d為導(dǎo)流罩橡膠層的厚度）處分界面上也存在反射波和透射波（假設(shè)透入換能器匹配層的透射聲波被完全吸收）。

圖1 聲波在導(dǎo)流罩界面上的傳播示意圖

不考慮聲波通過(guò)介質(zhì)時(shí)的聲損耗，則在兩種介質(zhì)的各區(qū)域內(nèi)聲壓分別如（1）～（3）式所示。

相應(yīng)的，在各區(qū)域兩種介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)速度分別如（4）～（6）式所示：

根據(jù)聲學(xué)邊界條件，經(jīng)簡(jiǎn)單推導(dǎo)可得到（7）式，為聲波經(jīng)過(guò)導(dǎo)流罩橡膠層時(shí)的聲強(qiáng)透射系數(shù)tI[4]。

從（7）式可以看出，聲波通過(guò)導(dǎo)流罩橡膠層時(shí)透射波的大小不僅與三種介質(zhì)的特性阻抗R1、R2、R3有關(guān)，還同導(dǎo)流罩橡膠層的厚度與其中傳播的波長(zhǎng)之比d/λ2（k2d=2πd/λ2）有關(guān)。若無(wú)導(dǎo)流罩橡膠層，即d=0時(shí)，聲波直接從水中傳入換能器匹配層，則（7）式可簡(jiǎn)化為：

另外，水中聲波是通過(guò)縱波的形式傳播，當(dāng)聲波以一定角度入射到橡膠材料中時(shí)將產(chǎn)生縱波和橫波。若只考慮垂直入射，則聲波在材料中將以縱波形式傳播，其聲速cL與材料的體積縱波模量S存在對(duì)應(yīng)關(guān)系：

該模量為動(dòng)態(tài)模量，為橡膠材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。同時(shí)，體積縱波模量S與楊氏模量E之間可按（10）式進(jìn)行相互換算。

式中，σ為材料的泊松比。

2 透聲量計(jì)算及分析

設(shè)換能器匹配層的特性阻抗R3為3.9×106kg/（m2·s）且在一定頻段內(nèi)不隨頻率變化，水的特性阻抗R1取1.5×106kg/（m2·s），聚氨酯橡膠材料密度ρ2按1 050 kg/m3計(jì)。當(dāng)聲波直接從水中傳入換能器匹配層時(shí)，匹配層材料中的聲強(qiáng)透射系數(shù)tI如圖2所示。在導(dǎo)流罩厚度確定時(shí)（d=10 mm），聚氨酯橡膠材料的聲速取不同值，則聲強(qiáng)透射系數(shù)tI隨頻率的變化情況如圖3所示。當(dāng)聚氨酯橡膠材料的聲速確定時(shí)（c2=1 550 m/s），取不同厚度的導(dǎo)流罩膠層，聲強(qiáng)透射系數(shù)tI隨頻率變化情況如圖4所示。從圖2～4可以看出，由于水和換能器匹配層的聲阻抗不完全匹配，當(dāng)聲波由水直接進(jìn)入換能器匹配層時(shí)，在界面處總有一部分聲能量反射回水中，而當(dāng)加入的聚氨酯橡膠材料的特性阻抗值處于水和換能器匹配層的特性阻抗值之間時(shí)，可以提高聲波的透射量。同時(shí)，透聲量隨聲波頻率以及橡膠材料的特性阻抗、厚度的不同取值成規(guī)律的變化。

圖3 不同聲速聚氨酯橡膠材料，聲強(qiáng)透射系數(shù)tI隨頻率的變化

圖4 不同厚度的導(dǎo)流罩膠層，聲強(qiáng)透射系數(shù)tI隨頻率變化

因此，若只考慮匹配則聚氨酯橡膠材料特性阻抗取 1.5×106～3.9×106kg/(m2·s)之間是合適的。但實(shí)際上聚氨酯橡膠材料的特性阻抗對(duì)于聲學(xué)基陣的電導(dǎo)響應(yīng)帶寬是有影響的，如圖5所示[5]，增加橡膠層后，匹配層換能器為拉寬頻帶而產(chǎn)生的雙峰又變成了單峰，主要是改變了匹配層換能器輻射面上的輻射阻抗[5]。通過(guò)對(duì)匹配層換能器阻抗分析，考慮輻射阻抗的影響并進(jìn)行修正才能獲得較好的寬帶響應(yīng)[6]。同時(shí)，受換能器匹配層限制，聚氨酯橡膠材料的特性阻抗不能太高，應(yīng)與水的特性阻抗接近，橡膠層的厚度也應(yīng)結(jié)合導(dǎo)流罩的流線形統(tǒng)籌考慮。

圖5 加橡膠層前后匹配層換能器的電導(dǎo)頻響曲線

3 材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響因素

聚氨酯橡膠是由聚合物多元醇、二異氰酸酯和擴(kuò)鏈劑反應(yīng)生成，種類很多，可根據(jù)不同的使用環(huán)境和要求進(jìn)行選擇，在水下一般都是采用耐水性能良好的聚醚類聚氨酯。聚醚多元醇構(gòu)成軟段，二異氰酸酯和擴(kuò)鏈劑構(gòu)成硬段，通常二者不相容，并且硬段容易聚集一起形成許多微區(qū)分布于軟段相中。有研究表明，聚醚類聚氨酯使用較多的軟段聚四亞甲基醚二醇（PTMG）和聚丙二醇醚（PPG），橡膠態(tài)模量PTMG比PPG高，同時(shí)增加軟段相對(duì)分子量，彈性模量降低；結(jié)構(gòu)對(duì)稱的二異氰酸酯容易形成硬段結(jié)晶，導(dǎo)致橡膠模量提高，同時(shí)增加硬段質(zhì)量分?jǐn)?shù)，也將使彈性模量提高[7]。因此，聚氨酯橡膠的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能（動(dòng)態(tài)彈性模量）不僅與其化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與微區(qū)分離的程度有關(guān)。動(dòng)態(tài)力學(xué)分析（Dynamic mechanical analysis，DMA）是研究材料在交變應(yīng)力下響應(yīng)的一種試驗(yàn)分析方法，既能描述材料的模量又能描述力學(xué)內(nèi)耗：儲(chǔ)能模量E'表示材料在形變過(guò)程中由于彈性形變而儲(chǔ)存的能量，也叫彈性模量；損耗模量E''表示過(guò)程中以熱量損耗的能量；力學(xué)內(nèi)耗（損耗角正切tanδ）為損耗能量與儲(chǔ)存能量的比值[8]。圖6為聚氨酯試樣通過(guò)DMA測(cè)試分析，并根據(jù)時(shí)溫等效（Time temperature superposition，，TTS）原理獲得的動(dòng)態(tài)力學(xué)譜（楊氏模量）。再通過(guò)式（9）、（10）可以獲得該聚氨酯試樣的聲速值，為聚氨酯材料的合理選擇提供支撐。由于材料的泊松比難以測(cè)量，可以再通過(guò)測(cè)量材料的剪切模量來(lái)?yè)Q算得到[3]。也可以按照脈沖管法[9]測(cè)量聚氨酯試樣的縱波聲速和聲衰減常數(shù)，表1為透聲聚氨酯橡膠材料的測(cè)試結(jié)果。

圖6 聚氨酯橡膠的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

表1 聚氨酯橡膠的縱波聲速和聲衰減常數(shù)

4 結(jié)論

一定厚度的導(dǎo)流罩，其透聲量受聚氨酯橡膠的特性阻抗（ρc）的影響較大，當(dāng)材料的特性阻抗略高于水時(shí)，可以提高聲波透射量的同時(shí)不影響換能器的性能。聚氨酯橡膠的縱波聲速可通過(guò)其動(dòng)態(tài)彈性模量計(jì)算得到，而材料的動(dòng)態(tài)彈性模量不僅與其化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與微區(qū)分離的程度有關(guān)，在材料研制過(guò)程中應(yīng)給予關(guān)注。