涉水振動、噪聲控制橡膠（下）

侯永振

涉水振動、噪聲控制橡膠（下）

侯永振

主要論述涉水振動和噪聲控制橡膠涉及的有關(guān)原理及相關(guān)技術(shù)，包括衰減共振、隔離高頻振動、附加阻尼處理、噪聲控制（相對于減、隔振和附加阻尼處理）與水中應(yīng)用橡膠的關(guān)系和相關(guān)影響。

減振；隔振；阻尼；噪聲；橡膠；動態(tài)力學(xué)性能；水聲

2 涉水振動與噪聲控制中的附加阻尼處理與橡膠

振動與噪聲控制中的附加阻尼處理是相對于原有的基層材料（可為金屬或復(fù)合材料等結(jié)構(gòu)材料）的阻尼來說的，簡單說就是在不具備阻尼或阻尼很有限的基材上粘貼敷設(shè)阻尼片（包括橡膠阻尼片），構(gòu)成阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)。是振動與噪聲控制的另一種阻尼橡膠材料的應(yīng)用方式。根本的一條，同樣是必須考慮附加水中應(yīng)用條件。

根據(jù)使用條件和使用要求的不同，附加阻尼處理一般有兩種不同處理方式。即：自由層阻尼處理和約束型阻尼處理，如圖11、圖12。

圖11 自由層阻尼處理

圖12 約束型阻尼處理

自由層阻尼處理引起阻尼材料的拉伸和壓縮而耗散能量。

約束型阻尼處理（CLD）能量通過材料的剪切形變而耗散，即:適合于彎曲振動。

自由層阻尼結(jié)構(gòu)其復(fù)合結(jié)構(gòu)的總損耗因子一般按下式計算。

式中:

根據(jù)式（13），復(fù)合結(jié)構(gòu)總損耗因子與阻尼材料的阻尼和阻尼材料的彈性模量成正比，因此可以考慮將阻尼材料的彈性模量相對做高。

約束型阻尼處理后結(jié)構(gòu)的阻尼性能可采用經(jīng)典的RKU理論以及約束型阻尼處理的模態(tài)應(yīng)變能法（MSE）計算和處理。

因為附加阻尼處理主要靠基底的金屬或復(fù)合材料等結(jié)構(gòu)材料承力，而橡膠阻尼材料層主要發(fā)揮其阻尼的衰減彎曲振動作用，所以附加阻尼處理主要利用的是橡膠材料處于玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)的阻尼性能，其阻尼要顯著高于自身的高彈態(tài)（橡膠態(tài)）區(qū)。

橡膠的動態(tài)力學(xué)性能在保持恒頻率條件下是溫度的函數(shù)，非晶態(tài)橡膠材料玻璃化轉(zhuǎn)變前后的動態(tài)力學(xué)性能隨溫度的變化曲線（頻率恒定）如圖13所示。

圖13 非晶態(tài)橡膠材料玻璃化轉(zhuǎn)變前后的動態(tài)力學(xué)性能隨溫度變化曲線

圖14 非晶態(tài)橡膠的動態(tài)力學(xué)性能隨頻率的變化及其主轉(zhuǎn)變和次級轉(zhuǎn)變的特征頻率曲線圖

典型的炭黑填充的高CN含量丁腈橡膠和丁基橡膠的寬頻動態(tài)力學(xué)性能曲線如圖15、圖16[2]所示。

圖15 填充炭黑的高CN含量丁腈橡膠動態(tài)力學(xué)性能曲線

圖16 典型丁基橡膠的動態(tài)力學(xué)性能曲線

天然橡膠分子結(jié)構(gòu)局部的球棍模型如圖17所示，其交聯(lián)模型示意如圖18所示。

圖17 天然橡膠分子結(jié)構(gòu)的局部球棍模型

圖18 天然橡膠交聯(lián)分子結(jié)構(gòu)的局部球棍模型示意圖

幾種橡膠分子鏈的原子堆積示意圖如圖19所示。從圖可以直觀地看出分子鏈段在相對運動時其基團的相對空間位阻效應(yīng)。

圖19 幾種橡膠分子鏈的原子堆積示意圖

橡膠分子鏈通過硫化交聯(lián)后形成的分子網(wǎng)絡(luò)概念示意圖如圖20所示。

圖20 橡膠分子鏈通過硫化交聯(lián)后形成的分子網(wǎng)絡(luò)概念示意圖

拉伸前、處于拉伸狀態(tài)和拉伸后的生膠和硫化膠（交聯(lián)橡膠）的網(wǎng)絡(luò)變化示意圖如圖21所示。

圖21 拉伸前、處于拉伸狀態(tài)和拉伸后的生膠和硫化橡膠（交聯(lián)橡膠）的網(wǎng)絡(luò)變化概念示意圖

從某種角度，可以認為一整塊橡膠就是一個大分子網(wǎng)絡(luò)，因此，它的鏈段在受到振動或聲波激勵時，發(fā)生相對運動而形成的摩擦就被稱為內(nèi)摩擦，整個一塊橡膠的內(nèi)摩擦具有累積效應(yīng)。

減、隔振器以及這里的附加阻尼處理，對于材料來說，從能量守恒與轉(zhuǎn)換的角度可以看作是一個能量輸入和輸出過程。

附加了涉水應(yīng)用條件的橡膠，水會通過對不同微觀結(jié)構(gòu)橡膠分子運動的作用而影響到材料與制品的振動與聲學(xué)性能。

水中應(yīng)用橡膠，其分子鏈段運動及其內(nèi)摩擦情況的研究是一個尚待投入研究的處女地，這需要投入大量的時間與精力去進行系統(tǒng)性的廣泛而深入的應(yīng)用基礎(chǔ)研究和應(yīng)用試驗研究。目前主要是通過實測與理論對比找出其規(guī)律性的東西來進行具體材料的研制研究。

3 涉水噪聲控制（吸聲）與橡膠

橡膠應(yīng)用于噪聲控制方面的聲學(xué)處理的根本，在于橡膠可以方便加工制作成各種各樣的聲學(xué)功能材料、部件及制品，以及橡膠材料的泊松比接近0.5，常稱為不可壓縮的材料，另外具備了基本的耐水解性能等。借助于配方設(shè)計，比較容易實現(xiàn)與水的阻抗匹配或失配調(diào)節(jié)。實際上這只是從相對宏觀的角度來看的，而從涉水橡膠的聲學(xué)角度看，或相對微觀的角度看，橡膠當然是可以壓縮的，其壓縮量的大小也具有相對意義。

示意圖如圖22。

聲能進入材料和被材料消耗的性質(zhì)稱為材料的吸聲性。吸聲材料也可以理解為一種聲能向熱能轉(zhuǎn)換的材料，其轉(zhuǎn)換是由聲波激起橡膠分子鏈段的內(nèi)摩擦運動來實現(xiàn)的。

表示方法: 吸聲系數(shù)α：

吸聲系數(shù)α值越大，材料的吸聲性能越好。

聲阻抗為聲學(xué)材料或介質(zhì)的密度與聲速的乘積，水的聲速在1450m/s左右，其阻抗為1450 Pa.S/m。

典型實體硫化橡膠材料的縱波聲速見表2。

表2 典型實體硫化橡膠材料的縱波聲速

橡膠的密度在1.0～1.5g/cm3可調(diào)。這樣實體橡膠材料的聲阻抗與水的聲阻抗本身就接近或者容易調(diào)節(jié)到聲阻抗相同或相近，聲波就容易進入橡膠而不存在聲學(xué)界面，對應(yīng)用于涉水壓力低的吸聲橡膠材料與制品，可以不考慮水壓的影響。

對于設(shè)計為內(nèi)部嵌有聲腔的某種涉水聲學(xué)橡膠材料，可以理解為其上敷設(shè)的聲學(xué)結(jié)構(gòu)（內(nèi)部鑲嵌的聲腔）與橡膠載體材料（這里指載聲）有機融合的一種能量轉(zhuǎn)換材料，其聲學(xué)載體材料為橡膠，也包括在其內(nèi)部附設(shè)的聲學(xué)結(jié)構(gòu)——聲腔，因為聲腔中包覆進去的空氣也是一種聲學(xué)載體或聲學(xué)介質(zhì)，因此必須考慮由于附設(shè)聲腔帶來的阻抗匹配影響。橡膠載體材料內(nèi)部聲腔中空氣介質(zhì)的吸聲遵從空氣聲的吸聲機理，但借助聲腔的結(jié)構(gòu)與形狀則形成波形轉(zhuǎn)換的機理，通過波形轉(zhuǎn)換，結(jié)合橡膠的特殊的剪切波損耗因子效應(yīng)，將壓縮波轉(zhuǎn)換成高吸收的切變波,從而吸收較多聲能[3]。從另一個角度看，也是一種變頻效應(yīng)。在這里，聲腔實際上是一種具有變頻功能的幾何體聲學(xué)載體。相應(yīng)地，則要考慮通過別的途徑彌補因為變頻而被弱化的相鄰或相間的相關(guān)頻帶的吸收。

附設(shè)在內(nèi)部的聲腔有多種共振的幾何體，以及復(fù)合過渡型幾何體形狀，可以在較寬的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生諧振，并且還有阻抗?jié)u變的作用，能夠有效減少聲波反射，可以在整個頻段上改善材料的吸聲效果。

聲腔諧振使材料的壓縮形變轉(zhuǎn)換為剪切形變主要發(fā)生在腔體的周圍，因而它的吸聲頻率與腔體的固有諧振頻率有關(guān)，而腔體的諧振頻率與它的幾何參數(shù)有關(guān)。隨著聲腔所占空間容積比率的增加，諧振峰的位置向低頻方向移動，同時，吸聲頻帶帶寬變窄。某種幾何體聲腔的縱向諧振頻率大體上與剪切波的波速成比例，當載體橡膠材料的剪切彈性模量增大時，諧振峰位置移向高頻。載體橡膠材料的剪切損耗因子不會改變諧振頻率位置，但較大的損耗因子會改善諧振時的吸聲性能[4]。

剪切波在傳播過程中能量的衰減主要由載體橡膠材料剪切彈性模量損耗因子決定，在涉水聲學(xué)橡膠材料中，往往摻入其它材料以形成各種聲學(xué)界面，縱波碰到這些界面便會發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，使之轉(zhuǎn)換成剪切波進而增大聲能損耗。再者，聲腔的幾何體表面也可使聲波在傳播過程中不斷進行反射或散射，不斷改變傳播方向，增大傳播路徑，這對較高頻率的吸收十分有利。同時，漸變過渡型幾何體聲腔還能夠滿足阻抗的漸變，使得聲波在水與橡膠材料界面上的反射減小，大部分能在材料內(nèi)部被有效吸收[4]。

復(fù)合型聲腔的聲學(xué)性能呈現(xiàn)出不同于單種聲腔的既相互融合又相互作用的復(fù)雜形態(tài)，其吸聲系數(shù)峰值向低頻移動，從而有效拓寬吸聲工作頻帶[5]。

入水深度越大，水對聲能的吸收越多，會使聲能大大衰減，但相應(yīng)地聲腔被壓縮，導(dǎo)致低頻下的吸聲性能大幅下降。

材料的性能則主要是阻抗與涉水的阻抗匹配或失配關(guān)系，以及分子運動情況。材料的損耗因子常被用作評價聲吸收的品質(zhì)因子[6]，分子運動的兩個基本要素是運動速度和運動幅度[7]。材料內(nèi)耗與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系是：內(nèi)耗的阻尼函數(shù)值由橡膠分子中各結(jié)構(gòu)基團所決定，源于分子的基本運動，具有分子鏈特征[8]，屬于動態(tài)力學(xué)性能的損耗峰處于音頻范圍，遵從量子力學(xué)定律[9]。這都與前述的分子鏈段運動和次級運動描述相一致或者相通，只不過描述的方式和角度以及所用術(shù)語有所差別。

近年，四川大學(xué)開展了阻尼材料二維動態(tài)力學(xué)譜分析的研究，據(jù)稱，借助于該二維動態(tài)力學(xué)譜的分析，可以證實無定形聚合物（包括非結(jié)晶的橡膠材料）在Tg附近存在三種模式的分子運動，為研究無定型橡膠的松弛轉(zhuǎn)變和離析不同模式的分子運動提供了一種新方法。

自由體積理論則可以看作是描述分子運動幅度的理論，自由體積可提供分子運動的空間，應(yīng)力水平、靜壓力會影響橡膠材料的自由體積[10]。

涉水橡膠的分子鏈段運動是一種限制性的受激運動，其激勵可以是外界傳來的振動和聲波，受限則是受靜水壓力作用下的分子鏈段賴以進行運動的自由體積孔洞的空間[11]。靜水壓力對橡膠材料彈性模量影響較大，彈性模量及損耗因子隨靜壓升高分別呈增加、減小的特點[12]。一般情況下，隨著靜水壓力的增大，橡膠的自由體積空間被壓縮，聲速會緩慢升高，低頻吸聲性能會顯著下降。分子模擬計算結(jié)果表明，橡膠的自由體積分數(shù)隨著體系壓力的增大而逐漸變小，分子鏈的活動能力降低，進而影響材料的能量耗散。通過分子模擬研究，可以用來研究分子微觀結(jié)構(gòu)對涉水靜壓力的敏感性[13]。研究靜水壓力對橡膠材料自由體積的影響，對于研制涉水耐壓橡膠材料具有重要意義[13]

在研究方法方面，一種基于聲管測量粘彈性覆蓋層反射系數(shù)，并采用解析法計算和識別粘彈性介質(zhì)動態(tài)力學(xué)參數(shù)的方法[14]，一種以測量圓柱空腔覆蓋層反射系數(shù)為基礎(chǔ)、采用解析法反演黏彈性材料動態(tài)力學(xué)參數(shù)的方法[15]，以及一種基于有限元分析的黏彈性材料動態(tài)力學(xué)參數(shù)測量方法[16]，其特點是能夠與聲學(xué)性能測試同步進行，便于黏彈性聲學(xué)覆蓋層的性能預(yù)報和優(yōu)化設(shè)計。此外，還研究了一種測量靜壓條件下阻尼材料黏彈性動態(tài)力學(xué)參數(shù)的數(shù)值－解析混合方法，該方法邏輯清晰、測量精度高，原則上對空腔形狀并無嚴格限制，并且測試頻率和壓力與聲學(xué)性能及機理研究的范圍同步[17]。這些方法為從聲學(xué)性能到水下材料動態(tài)力學(xué)性能的反演研究以及打通和建立它們之間的相互聯(lián)系提供了途徑。

4 小結(jié)

涉水振動與噪聲控制方面有關(guān)橡膠的研究，涉及從振動與噪聲控制原理出發(fā)，附加涉水條件對載體橡膠進行研究，和從橡膠微觀結(jié)構(gòu)和分子鏈段運動與材料的動態(tài)力學(xué)性能的關(guān)系原理出發(fā)，對原材料進行研制，附加涉水條件，結(jié)合聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計（內(nèi)部聲腔幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計）、有限元模擬、分子模擬等具體理論與技術(shù)，到最終性能的測試表征進行研究。是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。本文僅就其中的相關(guān)方面進行了論述。

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侯永振，正高級工程師，主要從事阻尼與聲學(xué)橡膠材料及制品、橡膠防腐蝕襯里、膠黏劑與密封膩子等研究。