一种水下低频吸声尖劈的研制

张权 吴友亮

（第七一五研究所，杭州，310012）

吸声尖劈是一种良好的吸声结构，普遍应用于水声学中的消声水池、高频消声水槽、高压消声水罐和声纳导流罩内壁等。因此，作为一种有效的水下吸声材料，吸声尖劈必须满足两个条件：（1）特性声阻抗与传播介质的特性声阻抗匹配，使声波能够无反射地进入材料内部；（2）材料有大的声衰减性能，使入射声能绝大部分被吸收。通常，应用的是共振式吸声结构或渐变过度结构。共振式吸声结构是在材料中设置孔腔，通过改变孔腔的大小和数量来调整材料的有效弹性模量和损耗，同时，声波在孔腔内可以发生共振吸收，因此孔腔结构可以增强材料的吸声性能；渐变过度结构常把橡胶等材料制成尖锥或尖劈状，实现材料声学状态的逐步过渡，以达到阻抗匹配的目的。

目前，国内在用的水下吸声材料主要有几种结构形式：一是锯齿形吸声尖劈结构，主要应用在中高频消声水槽或船舶的声纳导流罩内，以消除声反射和噪音；二是吸声圆锥结构，主要应用在大型消声水池测量系统中，模拟自由场地声学环境；三是消声瓦结构，主要应用在潜艇壳体表面，既能吸收对方声纳探测声波的能量，又能减少自身艇噪声，提高潜艇的隐蔽性[1]。

本文介绍了一种水下低频吸声尖劈的研制过程和性能情况，该尖劈作为消声水池和导流罩内吸声使用。 在研制过程中，首次在尖劈结构设计上引入声学理论仿真计算方法，根据尖劈的声学性能设计要求，模拟出新型的内部共振空腔结构特征；在生产工艺上，根据尖劈的形状结构特征，采用新型的模具设计和注胶硫化方式，节约人力成本，保证模具长期使用的可靠性。

1 工作机理

1.1 基材

根据水下吸声材料的基本要求，一般采用内耗大、阻尼性能好的高分子材料作为基材，如丁基橡胶、丁苯橡胶、聚氨酯橡胶等，因为橡胶可以通过选取不同的胶料以及配合剂的种类和比例，有效地控制其声学特性和其它性能；橡胶的大分子链运动形式繁多，松弛时间谱很宽，能够吸收宽频带的水中声能；橡胶的特性声阻抗与水的特性声阻抗接近，二者容易实现匹配[2]。

为使材料有较大的声衰减性能，通常在橡胶中混入气泡性填料。根据奥岛基良[3]对气泡性吸声材料进行的理论探讨，可导出气泡性吸声材料的有效损耗因子η：

1.2 结构

常用的吸声材料结构不外乎渐变式吸声结构和共振式吸声结构。渐变式吸声结构常把橡胶等材料制成尖锥或尖劈状，以实现阻抗匹配。当声波入射到楔槽斜壁时，声波进入吸声材料，大多数被吸收，被反射的声波又入射到楔槽斜壁对面的吸声材料表面，进入部分大多数又被吸收，如此循环往复，声波逐渐衰减[2]。而共振式吸声机构内部设置空腔，当入射声波的频率与空腔的固有频率接近时，声波在空腔内就发生共振，使腔体材料产生较大的变形，使声能转换为热能。

2 低频吸声尖劈的结构设计

为达到设计指标要求，尖劈需满足 3～5 kHz的低频吸声要求，同时又能在6 kHz以上频段工作，在尖劈的外形设计上采用渐变式吸声结构。而针对低频声性能要求，尖劈内部设置空腔，空腔结构设计通过仿真理论计算，代入已知材料基材参数，模拟空腔结构，计算获得理论上可行的结构模式。吸声尖劈的低频声学性能仿真计算可以归结为渐变吸收层的反射问题。使用理论数值计算方法对线性尖劈（含空腔结构）的声学性能进行仿真。

在渐变声场中，声压和质点速度满足以下方程

其中，ρ是密度，P是声压，K是压缩模量，ω是角频率，ν是体积。密度和压缩模量是随坐标变量x变化的量，可以表示为：

其中，ρ0、ρ1分别表示渐变层两端的密度，K0、K1分别表示渐变层两端的压缩模量，n0=1-n1，n1表示为渐变层的过渡函数，定义为过渡部分之横截面积于底面积之比。上述对于渐变层密度和压缩模量的假设对于大多数橡胶材料均可满足。求解上述方程即可得到渐变层中声压和质点速度的计算公式，将其表示为声阻抗率的形式，从而得到渐变吸收层前后表面的声阻抗率转移计算方程，表示为如下形式：

含空腔结构的尖劈的计算，可以将空腔结构等效为对渐变层密度和压缩模量的影响因子，在渐变层内对其计算结果进行修正。同时，必须考察前后表面由于空腔结构产生的阻抗率突变，将适用于该突变的边界条件纳入上述声阻抗率的计算当中。最终，仍然应用公式(4)计算结构的整体吸声效果。

根据仿真计算得出，为使尖劈在频率3 kHz以上，吸声系数大于90%，空腔结构应设计成锥形空腔。利用此种空腔的共振吸收达到设计要求。结合中高频段的吸声要求，最终设计出的低频吸声尖劈的结构示意图见图1。尖劈尺寸为240 mm×240 mm×100 mm，单个锯齿宽度为30 mm，空腔高度为96 mm。

图1 低频吸声尖劈的结构示意图

3 配方设计

橡胶内耗的大小与橡胶的分子基本结构有密切关系。为了对各种橡胶的内耗进行比较，对常用的丁腈橡胶、丁基橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、天然橡胶的性能进行了测试，其结果如表1所示[4]。

表1 各种橡胶的基本性能

从表1可见，几种胶料的杨氏模量损耗因子η差别较大，其中以丁腈橡胶和丁基橡胶为最高，天然橡胶和丁苯橡胶为最低，氯丁橡胶介于其中。另一个表征粘弹性物质的物理量弹性恢复，其值越大，表示橡胶的弹性越好，内耗就越小，反之越大。由表 1可知，天然橡胶最高，丁基橡胶为最低。因此丁基橡胶是一种很好的阻尼材料。另外，丁基橡胶的耐老化和耐水性能优良，适宜于长期在水中使用。据上所述，选用丁基橡胶为吸声橡胶圆锥基体材料。

在气泡性填料的选择上，木屑、铝粉、蛭石粉均可作为气泡性填料，其中蛭石粉使用效果较好。当蛭石粉的用量从0增加到50份时，材料的声阻抗率下降为原来的1/3，而有效损耗因子则提高了6倍[5]。经过材料筛选和配方试验，确定低频吸声尖劈的最终配方为（质量份）：丁基橡胶 100、氧化锌 4～8、硬脂酸 1～2、增塑剂 13～20、硫磺2～3、促进剂 2～3、蛭石粉 82～86、碳黑 25～40、填料30～50。

4 生产工艺

4.1 模具设计

考虑到尖劈结构内部含有针状空腔结构，常规硫化填胶方式容易造成针结构的弯曲和损坏，因此在模具设计上采用了注胶结构。模具设计成三层结构，上模注料结构固定在硫化机上平板，下模固定在硫化机下平板上，中模通过硫化机顶出结构连接控制。

4.2 硫化工艺

根据尖劈配方原料混炼完成后，在开炼机以三角包方式打包4遍并下片。当模具温度到达设定温度时将剪切号的胶料放入注料仓，通过硫化机压力将胶料缓慢注入模腔。胶料注满后，合模保温。根据声学性能测试，确定尖劈的硫化条件为 150℃×45 min。生产工艺流程见图2。

图2 生产工艺流程图

5 物理性能和声学性能

5.1 物理性能

混炼胶在150℃×50 min下硫化，硫化橡胶拉伸性能和扯断伸长率按GB／T528-98方法进行，邵氏硬度按 GB／T531-99方法进行。密度按 GB／T533-91方法进行。测得的胶片物理性能情况见表2。

表2 吸声尖劈物理性能

5.2 声学性能

尖劈小样在Φ57 mm脉冲声管测量装置中测试，装置测量不确定度为 12%，测试依据 GB/T 14369-2011[6]。尖劈小样在整块尖劈上通过工装夹具取出，小样尺寸为Ф56.5 mm×100 mm。经检验各频段吸声吸声系数见表3。

表3 低频吸声尖劈小样吸声系数

尖劈大样在大面积水声材料声学性能测量装置（测量频率大于1 kHz）中测试，装置测量不确定度为21%，测试依据GB/T 14369-2011。大样制作采用20块尖劈粘接在1200 mm×1200 mm×10 mm不锈钢板上，胶粘剂使用801胶，以使尖劈与钢板之间尽可能无缝隙。大样测试结果见表4。

表4 低频吸声尖劈大样吸声系数

从尖劈小样和大样的测量结果看，吸声系数均能达到设计指标要求，在频率3 kHz以上的吸声系数大于90%。在个别频率点上，小样与大样的吸声系数有不同，这与测量装置的不确定度有一定关系，尖劈吸声系数曲线符合理论仿真计算结果。

6 结论

● 测量结果表明，根据吸声材料结构的理论设计和仿真计算得到的渐变式外形结构和内部空腔结构是一种有效的低频吸声结构。

● 结合材料配方开发出的低频吸声尖劈具有很好的低频吸声性能，频率3 kHz以上的吸声系数大于90%，性能可类比330 mm吸声圆锥。同尺寸常用吸声尖劈在3 kHz时吸声系数为70%，5 kHz以上大于90%，与其相比，本文研制的吸声尖劈在低频段性能更好。

● 在尖劈硫化过程中发现采用注胶方式填胶，可保证模具锥形针不弯曲，长久使用，但也造成填胶时间较长，当胶料流动性变差时，胶料需要很长时间才能注满，因此需要胶料使用前进行预热。在后续工作中将进一步改进胶料的流动性以及模具设计合理性。

[1] 缪旭弘, 王振全. 潜艇水下噪声控制技术现状及发展对策[C]. 第十届船舶水下噪声学术研讨会, 北京, 2005.

[2] 朱金华, 王源升, 文庆珍, 等. 水声吸声高分子材料的发展及应用[J]. 高分子材料科学与工程, 2005, 21(4).

[3] 奥岛基良. 气泡性水中吸声材料[C]. 超声波研究会,1964.

[4] 魏军光, 乔冬平, 张霞，等. 消声水池用低频吸声尖劈的研制[J]. 材料开发与应用, 2002, 17(4).

[5] 张殿荣, 马占兴, 杨清芝. 现代橡胶配方设计[M]. 2版.北京: 化学工业出版社, 2001.

[6] 李水, 罗马奇, 赵洪, 等. GB/T 14369-2011 声学 水声材料样品插入损失、回声降低和吸声系数的测量方法[S].北京: 中国标准出版社, 2012.