吸聲圓錐排布對聲性能的影響

陳國鋒 徐肖鋒 汲長遠 羅馬奇 吳友亮 陶玉春

（第七一五研究所，杭州，310023）

1 基材選擇

作為水聲吸聲材料必須滿足兩個條件：（1）材料的特性阻抗與傳播介質(zhì)水的特性聲阻抗要匹配，使聲波能夠無反射的進入材料內(nèi)部；（2）材料要有大的聲衰減性能，使入射進來的聲能絕大部分被吸收[1]。在應用方式上，通常采用的是共振式或漸變吸聲結(jié)構(gòu)。前者是在材料中設(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，同時聲波在材料孔腔內(nèi)發(fā)生共振吸收，因此孔腔結(jié)構(gòu)可以增加材料的吸聲性能。漸變過渡結(jié)構(gòu)常把橡膠等材料制成尖錐或尖劈狀，實現(xiàn)材料聲學狀態(tài)的逐步過渡，以達到阻抗匹配的目的。

在水聲工程中，高分子粘彈性材料經(jīng)常用作水聲吸聲材料。當聲波作用于高分子介質(zhì)時，會將能量傳給大分子鏈段，引起大分子鏈段的熱運動，從而將入射的水聲聲能吸收衰減。高分子材料的聲學特性與許多因素有關(guān)，如溫度、聲波頻率、基體高分子的化學結(jié)構(gòu)、化學交聯(lián)體系及填料等。通常，內(nèi)耗大、阻尼性能好的高分子材料適宜作水聲吸收材料，如丁基橡膠、聚氨酯橡膠等。丁基橡膠是一種很好的阻尼材料，耐老化和耐水性能優(yōu)良，適用于在水中長期使用，因此本次試驗選取丁基橡膠為基料。

吸聲體的吸聲性能除受膠料的影響外，吸聲體的行狀也是影響吸聲性能的重要因素之一。圓錐吸聲體就是利用他本身的錐度實現(xiàn)阻抗的逐漸過渡，使之與水介質(zhì)阻抗相匹配。通過研究發(fā)現(xiàn)，圓錐的長度增加，低頻吸聲性能相應提高，如果在圓錐中設(shè)有孔腔，亦能有效提高圓錐吸聲性能。吸聲圓錐大量應用于消聲水池模擬廣闊水域環(huán)境。通常要求水池四周以及上下水面都要貼附橡膠吸聲圓錐，達到六面消聲的效果。整個消聲水池的聲測試環(huán)境好壞，不僅決定于單根吸聲圓錐性能，同樣與吸聲圓錐排布密切相關(guān)。

2 吸聲圓錐的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)已研發(fā)并投入使用的吸聲圓錐有兩種Φ50×470（SA-Y470）和Φ37×333（SA-Y330），見圖 1、圖2。單根聲學性能如表1所示。從表中可以看出當測試頻率為2.0 kHz時，兩種吸聲圓錐的吸聲系數(shù)都在90%以上；3.0 kHz以上時，達到98%以上，能夠很好的滿足低頻吸聲的目的。但在實際的工程應用中，考慮到兩種型號的圓錐排布密度和硫化加工成本，通常根據(jù)水池等測試載體實際測試任務(wù)情況進行選擇[2]。

圖1 SA-Y470吸聲圓錐外形尺寸

圖2 SA-Y330吸聲圓錐外形尺寸

表1 SA-Y470與SA-Y330吸聲圓錐的聲學特性

3 吸聲圓錐的生產(chǎn)工藝

基橡膠是一種低不飽和度材料，其硫化比天然橡膠、丁苯橡膠困難的多。因此，為達到適宜的硫化程度，需要采用高溫硫化或者活性高的促進劑或者較長的硫化時間。丁基橡膠一般采用硫磺、樹脂和醌二肟等三種硫化體系?？紤]到環(huán)境污染和成本問題，我所選擇使用醌二肟硫化體系。為獲得可壓縮性膠料，在丁基橡膠中加入含有氣泡性填料，使其硫化后，形成均勻的空腔，增大損耗，本文將此類填料稱為吸聲填料。吸聲填料有很多種，如國外報道的石墨和鋁粉，但由于價格較高而無法大量使用，本次試驗最終選擇一種天然礦石燒制而成的片狀填料-蛭石粉[3]。然后對丁基橡膠生膠進行塑煉、加塑化劑及粉料混煉、薄通打包、放大輥距加入填料蛭石粉、再次混煉薄通、最后下片。將混煉膠擠出冷壓成型，最后模壓硫化得到成品。

4 吸聲圓錐排布試驗分析

4.1 SA-Y470吸聲圓錐排布試驗

對SA-Y470低頻吸聲圓錐進行排布試驗，將吸聲圓錐在Φ208 mm的圓面上作三種排列，見圖3。利用水聲材料駐波管測量系統(tǒng)，常壓下三種排布方式的試樣進行聲學性能測試，測試結(jié)果見圖4。

圖3 SA-Y470吸聲圓錐排列

圖4 SA-Y470不同排布的吸聲系數(shù)

常壓下，在0.2～1.0 kHz頻段，SA-Y470吸聲圓錐排布密度增加，吸聲系數(shù)隨之增加；均勻排布和等距排布吸聲系數(shù)無明顯差別。在1.0～4.0 kHz頻段，3種排布下的吸聲性能無明顯差別。

4.2 SA-Y330吸聲圓錐排布試驗

對SA-Y330低頻吸聲圓錐進行分布密度試驗，將吸聲圓錐在Φ208 mm的圓面作3種排列。單獨N=12等距排布無法實現(xiàn)，本文通過在N=14等距排布方式下空出對角線方向兩個角實現(xiàn)。

圖5 SA-Y330吸聲圓錐排列

圖6 SA-Y330不同分布密度的吸聲系數(shù)

在低于3.5 kHz頻段，隨吸聲圓錐SA-Y330數(shù)量增加，吸聲系數(shù)明顯提高；N=12均勻排布和等距排布無明顯差別。高于3.5 kHz時，吸聲系數(shù)均大于98%；三種排布方式下吸聲性能無明顯差別。

5 結(jié)論

通過本文的研究可知，對于吸聲圓錐組合試樣，在一定聲波頻段下，可通過提高吸聲圓錐的占空比提高吸聲性能。但聲波頻段高于某個頻率點，通過提高圓錐占空比來實現(xiàn)更為優(yōu)異的吸聲性能并不現(xiàn)實，反而會造成資源的浪費。本文研究結(jié)果可為正在和將來建設(shè)的消聲水池作參考，從而更為科學的進行水池聲環(huán)境治理。