水下吸聲材料研究進(jìn)展*

劉曉東，崔向紅，李天智，王 洋

（1.黑龍江省科學(xué)院 高技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱 150020；2.四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 瀘州 646300）

隨著聲吶探測技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步,新一代聲吶具有更先進(jìn)的探測性能和更遠(yuǎn)的探測距離，對(duì)水聲吸聲材料性能有更高的需求。目前，無論是主動(dòng)聲吶還是被動(dòng)聲吶，工作頻率都向低頻方向發(fā)展，大多數(shù)主動(dòng)聲吶系統(tǒng)都工作在1kHz以下，安靜型潛艇低頻聲吶工作頻率可低至100Hz以下，與此同時(shí)，潛艇還需防御寬頻帶的聲制導(dǎo)魚雷的攻擊，因此，聲隱身結(jié)構(gòu)要求低頻（0.5～5kHz）;寬頻段；耐水壓（3～5MPa）[1]。第一代吸聲橡膠材料主要包括丁基橡膠、氯丁橡膠、聚硫橡膠、丁苯橡膠等，這類橡膠主要依靠復(fù)合空腔結(jié)構(gòu)使水聲信號(hào)衰減，吸聲系數(shù)往往小，尤其是在低頻條件下，已不能有效地使?jié)撏щ[身[2]。以聚氨酯為主要應(yīng)用研究方向的第二代吸聲材料具有可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，耐低溫、耐腐蝕性好，與水介質(zhì)阻抗匹配性良好，自身阻尼性能較好，對(duì)水聲衰減信號(hào)有較大貢獻(xiàn)，不僅可以有效地吸收聲能，且自身的阻尼作用能夠降低船體機(jī)械振動(dòng)噪聲的傳播，同時(shí)起到消聲與減振作用，以對(duì)抗主動(dòng)聲吶和被動(dòng)聲吶的探測。目前，對(duì)吸聲材料的研究主要從吸聲機(jī)理，吸聲材料基體及吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了廣泛深入的研究。

1 吸聲機(jī)理

聲波在傳播過程中必須依靠一定的介質(zhì)傳播，依據(jù)介質(zhì)特點(diǎn)表現(xiàn)出不同的聲速及能量損耗，其聲能耗損本質(zhì)是能量的轉(zhuǎn)換及耗散，主要為黏滯內(nèi)摩擦吸聲、熱傳導(dǎo)損耗吸聲及彈性材料馳豫過程吸聲[3]。隨著吸聲材料不斷發(fā)展，根據(jù)吸聲材料結(jié)構(gòu)逐漸衍生出波形轉(zhuǎn)換吸聲、低頻諧振吸聲、共振吸聲、壓電吸聲[4]及自由體積吸聲機(jī)理等。王清華[5]研究發(fā)現(xiàn)，PU8-G吸聲材料在3～30kHz頻段內(nèi)，水壓增加到3.0MPa，樣品的本征吸聲性能隨水壓增加而增強(qiáng)，這種特性與大部分高分子吸聲材料吸聲性能隨水壓下降的現(xiàn)象呈現(xiàn)反差。通過對(duì)高分子材料PSO-G和PU8-G在高水壓的吸聲行為及吸聲性能的對(duì)比研究，提出了“自由體積吸聲機(jī)理”，主要內(nèi)容為：（1）高分子中自由體積的運(yùn)動(dòng)是導(dǎo)致材料吸聲的關(guān)鍵，自由體積的運(yùn)動(dòng)越容易，吸聲越好；（2）自由體積運(yùn)動(dòng)與高分子的鏈結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，鏈的柔性越大和分子間作用力越小，則自由體積運(yùn)動(dòng)越容易，吸聲性能越好。

2 水下吸聲材料復(fù)合基體

目前，被廣泛使用的高吸聲阻尼基體材料以橡膠和聚氨酯材料為主，近些年來，聚氨酯材料以出色的阻尼性、與水特性阻抗匹配性良好、耐腐蝕性、分子結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，如可調(diào)解的軟硬段比例、分子鏈段結(jié)構(gòu)及其互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，可增強(qiáng)材料的阻尼性能，提高材料吸聲性，在水聲材料應(yīng)用中受到重視。在提高材料吸聲性能上，除了對(duì)基體材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，往往還通過添加聲學(xué)填料、發(fā)泡技術(shù)、壓電微粒等復(fù)合改進(jìn)材料的吸聲性能。

李浩等[6]將云母、空心玻璃微珠QH700加入到聚氨酯彈性體中，均表現(xiàn)出良好的低頻吸聲性能，同時(shí)進(jìn)行了混合填料的改性研究，結(jié)論是提高吸聲性能的同時(shí)，聲反射系數(shù)有所降低。王清華[5]通過實(shí)驗(yàn)研究α-Al2O3、石墨粉、ZrO2和TiO2聲學(xué)填料與聚合物的匹配性，球形α-Al2O3與石墨粉對(duì)材料吸聲性能有較大貢獻(xiàn)，填料的粒徑越小吸聲性能越好；填料的導(dǎo)熱系數(shù)越高，吸聲材料的吸聲性能越好。郭創(chuàng)奇[7]采用納米ZnO和T-ZnOw復(fù)合聚氨酯制備水聲吸聲材料，結(jié)論為填料形態(tài)對(duì)吸聲性能影響不大，由填料自身性質(zhì)決定，納米ZnO相比于碳納米管、空心玻璃微珠及其他納米粒子對(duì)材料的吸聲性能有明顯提高。宋新月[8]研究了聚氨酯發(fā)泡材料，通過控制發(fā)泡孔結(jié)構(gòu)改變材料的吸聲性能，同時(shí)選用聚丙烯纖維與空心玻璃微珠對(duì)發(fā)泡材料改性，綜合材料的力學(xué)性能與吸聲性能，空心玻璃微珠具有一定改性優(yōu)勢。壓電復(fù)合材料基體在聚合物彈性體中加入壓電微粒,形成微觀局部的交流電壓,將外部聲能及振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能、熱能的形式耗散掉,達(dá)到吸聲和減振的效果[9]。

3 聲學(xué)結(jié)構(gòu)

3.1 共振腔吸聲結(jié)構(gòu)

水下消聲覆蓋層的最初研究在結(jié)構(gòu)上以球腔、圓柱腔吸聲結(jié)構(gòu)為主，逐漸發(fā)展到以圓錐腔、復(fù)合過渡型空腔結(jié)構(gòu)，也稱逐漸過渡型聲學(xué)結(jié)構(gòu)，見圖1。對(duì)于帶有空腔的聲學(xué)結(jié)構(gòu)的吸聲材料從聲學(xué)的角度考慮，通過對(duì)空腔的數(shù)量與大小調(diào)整，使材料結(jié)構(gòu)與聲波產(chǎn)生共振，通常認(rèn)為有波形變換、諧振吸收和聲波散射等吸聲機(jī)理[10]。

圖1 聲學(xué)空腔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of acoustic cavity

3.2 聲阻抗?jié)u變結(jié)構(gòu)

聲阻抗?jié)u變結(jié)構(gòu)主要有聲阻抗梯度變化介質(zhì)和聲阻抗?jié)u變空腔結(jié)構(gòu)。由于單一均質(zhì)材料受“質(zhì)量密度定律”限制，即聲阻抗吸聲與質(zhì)量密度成正比，不能滿足材料輕量化發(fā)展需求。隨著研究的深入發(fā)現(xiàn)，當(dāng)介質(zhì)的阻抗或結(jié)構(gòu)呈梯度變化時(shí)能夠不受“質(zhì)量定律”限制。研究者通過改變介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，如介質(zhì)的梯度分布、物化學(xué)特性等方法聲學(xué)介質(zhì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行其吸聲性能研究。楊雪[11]等人以聚氨酯/無機(jī)填料為基體材料分層澆注制備梯度聚氨酯水聲吸聲材料，研究了溫度、壓力對(duì)聚氨酯吸聲性能影響，結(jié)果表明：（1）溫度變化對(duì)梯度聚氨酯吸聲性能的影響主要與高分子材料本身特性隨溫度的變化有關(guān)；（2）梯度聚氨酯吸聲性能對(duì)壓力變化不敏感。孫玉[12]設(shè)計(jì)了阻抗連續(xù)梯度變化介質(zhì)，建立介質(zhì)中聲傳播模型，確定了介質(zhì)阻抗梯度變化率先小后大的設(shè)計(jì)原則，從而改善介質(zhì)的聲學(xué)性能；提出了基于阻抗梯度變化介質(zhì)的周期性復(fù)合介質(zhì)，通過對(duì)介質(zhì)組成單元的厚度及阻抗合理設(shè)計(jì)，獲得了更好的低頻隔聲性能。

聲阻抗?jié)u變空腔是圓柱型空腔結(jié)構(gòu)的延伸，一般是在聲波入射面空腔半徑較小，隨著材料厚度的增加空腔半徑逐步增大，形成“倒錐”結(jié)構(gòu)。張權(quán)[13]等通過仿真計(jì)算設(shè)計(jì)出一種采用漸變式低頻吸聲尖劈結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 低頻吸聲尖劈結(jié)構(gòu)示意圖[13]Fig.2 Structure diagram of low-frequency acoustic wedge

尖劈尺寸為240mm×240mm×100mm，單個(gè)鋸齒寬度為30mm，空腔高度為96mm。頻率3kHz以上的吸聲系數(shù)大于90%，具有很好的低頻吸聲性能，性能可類比330mm吸聲圓錐。

3.3 新型水下吸聲結(jié)構(gòu)

劉正猷[14]等人基于聲子晶體材料的研究，在2000年采用黏彈性材料包覆后的鉛球結(jié)構(gòu)植入環(huán)氧樹脂中，組成簡單三維立方結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)局域共振帶隙頻率所對(duì)應(yīng)的波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于晶格尺寸，打破了布拉格散射型聲子晶體對(duì)晶格尺寸的要求，從而提出了“局域共振帶隙機(jī)理”，即局域共振聲子晶體。此后，隨著廣泛深入研究衍生出的新的吸聲材料結(jié)構(gòu),如聲子玻璃、局域共振聲子木堆、聲學(xué)超材料等水下吸聲材料結(jié)構(gòu)。

聲子玻璃是以金屬骨架為支撐復(fù)合聚合物材料，金屬骨架起到抗壓作用，為高分子鏈提供自由體積空間，保障在靜水壓下的吸聲性能，同時(shí)吸聲機(jī)制也存在多種，如分子鏈的內(nèi)摩擦、局域共振吸聲、界面耗能機(jī)制等共同作用。姜恒[15]以軟聚氨酯滲入到泡沫鋁骨架中，與硬聚氨酯基體結(jié)合，形成硬-軟-硬局域共振聲子玻璃結(jié)構(gòu)，通過對(duì)比測試得出具有12～30kHz寬頻吸聲效果，并具有較好的抗壓性。同時(shí)，又利用軟聚氨酯彈性體包覆不同尺度鋼桿進(jìn)行堆砌，然后埋入硬聚氨酯彈性體基體中，得到局域共振聲子木堆結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示，在寬頻帶有強(qiáng)吸聲性，同時(shí)可對(duì)吸聲頻率進(jìn)行有效調(diào)整。

聲學(xué)超材料是在亞波長尺寸進(jìn)行微結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)特殊的物理效應(yīng)，如具有負(fù)的等效質(zhì)量密度、負(fù)的等效彈性模量、負(fù)折射率、“雙負(fù)”特性及低頻吸聲效應(yīng)等。負(fù)質(zhì)量密度解釋為在聲波的作用下，超材料內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)會(huì)發(fā)生振動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)質(zhì)點(diǎn)的本征頻率時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)不再受外界聲波的影響，這時(shí)質(zhì)點(diǎn)加速度方向和聲波作用力相反，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)負(fù)等效質(zhì)量密度。Yang等[16]設(shè)計(jì)了一種多重共振薄膜系統(tǒng)，具有負(fù)等效質(zhì)量密度，實(shí)現(xiàn)50～1000Hz寬頻帶吸收。He等[17]設(shè)計(jì)了一種非局域共振型的周期性排列鋼條結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值仿真模擬該結(jié)構(gòu)在水介質(zhì)中可以實(shí)現(xiàn)“雙負(fù)”效應(yīng)，即負(fù)等效質(zhì)量密度和負(fù)的折射率。

4 結(jié)語

水聲吸聲材料的應(yīng)用，目前仍主要以高分子聚合物與共振空腔結(jié)合設(shè)計(jì)，這些技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)發(fā)展成熟，隨著局域共振理論的發(fā)展，聲學(xué)超材料等新型材料的提出，打破了傳統(tǒng)水聲材料的設(shè)計(jì)理念，為未來水聲吸聲材料的發(fā)展提供了更廣闊的發(fā)展空間及研究方向，但在實(shí)際應(yīng)用中還有更遠(yuǎn)更長的道路要走，還需更多更深入的研究。