張權 吳友亮

（第七一五研究所，杭州，310012）

吸聲尖劈是一種良好的吸聲結構，普遍應用于水聲學中的消聲水池、高頻消聲水槽、高壓消聲水罐和聲納導流罩內(nèi)壁等。因此，作為一種有效的水下吸聲材料，吸聲尖劈必須滿足兩個條件：（1）特性聲阻抗與傳播介質(zhì)的特性聲阻抗匹配，使聲波能夠無反射地進入材料內(nèi)部；（2）材料有大的聲衰減性能，使入射聲能絕大部分被吸收。通常，應用的是共振式吸聲結構或漸變過度結構。共振式吸聲結構是在材料中設置孔腔，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，聲波在孔腔內(nèi)可以發(fā)生共振吸收，因此孔腔結構可以增強材料的吸聲性能；漸變過度結構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。

目前，國內(nèi)在用的水下吸聲材料主要有幾種結構形式：一是鋸齒形吸聲尖劈結構，主要應用在中高頻消聲水槽或船舶的聲納導流罩內(nèi)，以消除聲反射和噪音；二是吸聲圓錐結構，主要應用在大型消聲水池測量系統(tǒng)中，模擬自由場地聲學環(huán)境；三是消聲瓦結構，主要應用在潛艇殼體表面，既能吸收對方聲納探測聲波的能量，又能減少自身艇噪聲，提高潛艇的隱蔽性[1]。

本文介紹了一種水下低頻吸聲尖劈的研制過程和性能情況，該尖劈作為消聲水池和導流罩內(nèi)吸聲使用。 在研制過程中，首次在尖劈結構設計上引入聲學理論仿真計算方法，根據(jù)尖劈的聲學性能設計要求，模擬出新型的內(nèi)部共振空腔結構特征；在生產(chǎn)工藝上，根據(jù)尖劈的形狀結構特征，采用新型的模具設計和注膠硫化方式，節(jié)約人力成本，保證模具長期使用的可靠性。

1 工作機理

1.1 基材

根據(jù)水下吸聲材料的基本要求，一般采用內(nèi)耗大、阻尼性能好的高分子材料作為基材，如丁基橡膠、丁苯橡膠、聚氨酯橡膠等，因為橡膠可以通過選取不同的膠料以及配合劑的種類和比例，有效地控制其聲學特性和其它性能；橡膠的大分子鏈運動形式繁多，松弛時間譜很寬，能夠吸收寬頻帶的水中聲能；橡膠的特性聲阻抗與水的特性聲阻抗接近，二者容易實現(xiàn)匹配[2]。

為使材料有較大的聲衰減性能，通常在橡膠中混入氣泡性填料。根據(jù)奧島基良[3]對氣泡性吸聲材料進行的理論探討，可導出氣泡性吸聲材料的有效損耗因子η：

1.2 結構

常用的吸聲材料結構不外乎漸變式吸聲結構和共振式吸聲結構。漸變式吸聲結構常把橡膠等材料制成尖錐或尖劈狀，以實現(xiàn)阻抗匹配。當聲波入射到楔槽斜壁時，聲波進入吸聲材料，大多數(shù)被吸收，被反射的聲波又入射到楔槽斜壁對面的吸聲材料表面，進入部分大多數(shù)又被吸收，如此循環(huán)往復，聲波逐漸衰減[2]。而共振式吸聲機構內(nèi)部設置空腔，當入射聲波的頻率與空腔的固有頻率接近時，聲波在空腔內(nèi)就發(fā)生共振，使腔體材料產(chǎn)生較大的變形，使聲能轉(zhuǎn)換為熱能。

2 低頻吸聲尖劈的結構設計

為達到設計指標要求，尖劈需滿足 3～5 kHz的低頻吸聲要求，同時又能在6 kHz以上頻段工作，在尖劈的外形設計上采用漸變式吸聲結構。而針對低頻聲性能要求，尖劈內(nèi)部設置空腔，空腔結構設計通過仿真理論計算，代入已知材料基材參數(shù)，模擬空腔結構，計算獲得理論上可行的結構模式。吸聲尖劈的低頻聲學性能仿真計算可以歸結為漸變吸收層的反射問題。使用理論數(shù)值計算方法對線性尖劈（含空腔結構）的聲學性能進行仿真。

在漸變聲場中，聲壓和質(zhì)點速度滿足以下方程

其中，ρ是密度，P是聲壓，K是壓縮模量，ω是角頻率，ν是體積。密度和壓縮模量是隨坐標變量x變化的量，可以表示為：

其中，ρ0、ρ1分別表示漸變層兩端的密度，K0、K1分別表示漸變層兩端的壓縮模量，n0=1-n1，n1表示為漸變層的過渡函數(shù)，定義為過渡部分之橫截面積于底面積之比。上述對于漸變層密度和壓縮模量的假設對于大多數(shù)橡膠材料均可滿足。求解上述方程即可得到漸變層中聲壓和質(zhì)點速度的計算公式，將其表示為聲阻抗率的形式，從而得到漸變吸收層前后表面的聲阻抗率轉(zhuǎn)移計算方程，表示為如下形式：

含空腔結構的尖劈的計算，可以將空腔結構等效為對漸變層密度和壓縮模量的影響因子，在漸變層內(nèi)對其計算結果進行修正。同時，必須考察前后表面由于空腔結構產(chǎn)生的阻抗率突變，將適用于該突變的邊界條件納入上述聲阻抗率的計算當中。最終，仍然應用公式(4)計算結構的整體吸聲效果。

根據(jù)仿真計算得出，為使尖劈在頻率3 kHz以上，吸聲系數(shù)大于90%，空腔結構應設計成錐形空腔。利用此種空腔的共振吸收達到設計要求。結合中高頻段的吸聲要求，最終設計出的低頻吸聲尖劈的結構示意圖見圖1。尖劈尺寸為240 mm×240 mm×100 mm，單個鋸齒寬度為30 mm，空腔高度為96 mm。

圖1 低頻吸聲尖劈的結構示意圖

3 配方設計

橡膠內(nèi)耗的大小與橡膠的分子基本結構有密切關系。為了對各種橡膠的內(nèi)耗進行比較，對常用的丁腈橡膠、丁基橡膠、丁苯橡膠、氯丁橡膠、天然橡膠的性能進行了測試，其結果如表1所示[4]。

表1 各種橡膠的基本性能

從表1可見，幾種膠料的楊氏模量損耗因子η差別較大，其中以丁腈橡膠和丁基橡膠為最高，天然橡膠和丁苯橡膠為最低，氯丁橡膠介于其中。另一個表征粘彈性物質(zhì)的物理量彈性恢復，其值越大，表示橡膠的彈性越好，內(nèi)耗就越小，反之越大。由表 1可知，天然橡膠最高，丁基橡膠為最低。因此丁基橡膠是一種很好的阻尼材料。另外，丁基橡膠的耐老化和耐水性能優(yōu)良，適宜于長期在水中使用。據(jù)上所述，選用丁基橡膠為吸聲橡膠圓錐基體材料。

在氣泡性填料的選擇上，木屑、鋁粉、蛭石粉均可作為氣泡性填料，其中蛭石粉使用效果較好。當蛭石粉的用量從0增加到50份時，材料的聲阻抗率下降為原來的1/3，而有效損耗因子則提高了6倍[5]。經(jīng)過材料篩選和配方試驗，確定低頻吸聲尖劈的最終配方為（質(zhì)量份）：丁基橡膠 100、氧化鋅 4～8、硬脂酸 1～2、增塑劑 13～20、硫磺2～3、促進劑 2～3、蛭石粉 82～86、碳黑 25～40、填料30～50。

4 生產(chǎn)工藝

4.1 模具設計

考慮到尖劈結構內(nèi)部含有針狀空腔結構，常規(guī)硫化填膠方式容易造成針結構的彎曲和損壞，因此在模具設計上采用了注膠結構。模具設計成三層結構，上模注料結構固定在硫化機上平板，下模固定在硫化機下平板上，中模通過硫化機頂出結構連接控制。

4.2 硫化工藝

根據(jù)尖劈配方原料混煉完成后，在開煉機以三角包方式打包4遍并下片。當模具溫度到達設定溫度時將剪切號的膠料放入注料倉，通過硫化機壓力將膠料緩慢注入模腔。膠料注滿后，合模保溫。根據(jù)聲學性能測試，確定尖劈的硫化條件為 150℃×45 min。生產(chǎn)工藝流程見圖2。

圖2 生產(chǎn)工藝流程圖

5 物理性能和聲學性能

5.1 物理性能

混煉膠在150℃×50 min下硫化，硫化橡膠拉伸性能和扯斷伸長率按GB／T528-98方法進行，邵氏硬度按 GB／T531-99方法進行。密度按 GB／T533-91方法進行。測得的膠片物理性能情況見表2。

表2 吸聲尖劈物理性能

5.2 聲學性能

尖劈小樣在Φ57 mm脈沖聲管測量裝置中測試，裝置測量不確定度為 12%，測試依據(jù) GB/T 14369-2011[6]。尖劈小樣在整塊尖劈上通過工裝夾具取出，小樣尺寸為Ф56.5 mm×100 mm。經(jīng)檢驗各頻段吸聲吸聲系數(shù)見表3。

表3 低頻吸聲尖劈小樣吸聲系數(shù)

尖劈大樣在大面積水聲材料聲學性能測量裝置（測量頻率大于1 kHz）中測試，裝置測量不確定度為21%，測試依據(jù)GB/T 14369-2011。大樣制作采用20塊尖劈粘接在1200 mm×1200 mm×10 mm不銹鋼板上，膠粘劑使用801膠，以使尖劈與鋼板之間盡可能無縫隙。大樣測試結果見表4。

表4 低頻吸聲尖劈大樣吸聲系數(shù)

從尖劈小樣和大樣的測量結果看，吸聲系數(shù)均能達到設計指標要求，在頻率3 kHz以上的吸聲系數(shù)大于90%。在個別頻率點上，小樣與大樣的吸聲系數(shù)有不同，這與測量裝置的不確定度有一定關系，尖劈吸聲系數(shù)曲線符合理論仿真計算結果。

6 結論

● 測量結果表明，根據(jù)吸聲材料結構的理論設計和仿真計算得到的漸變式外形結構和內(nèi)部空腔結構是一種有效的低頻吸聲結構。

● 結合材料配方開發(fā)出的低頻吸聲尖劈具有很好的低頻吸聲性能，頻率3 kHz以上的吸聲系數(shù)大于90%，性能可類比330 mm吸聲圓錐。同尺寸常用吸聲尖劈在3 kHz時吸聲系數(shù)為70%，5 kHz以上大于90%，與其相比，本文研制的吸聲尖劈在低頻段性能更好。

● 在尖劈硫化過程中發(fā)現(xiàn)采用注膠方式填膠，可保證模具錐形針不彎曲，長久使用，但也造成填膠時間較長，當膠料流動性變差時，膠料需要很長時間才能注滿，因此需要膠料使用前進行預熱。在后續(xù)工作中將進一步改進膠料的流動性以及模具設計合理性。

[1] 繆旭弘, 王振全. 潛艇水下噪聲控制技術現(xiàn)狀及發(fā)展對策[C]. 第十屆船舶水下噪聲學術研討會, 北京, 2005.

[2] 朱金華, 王源升, 文慶珍, 等. 水聲吸聲高分子材料的發(fā)展及應用[J]. 高分子材料科學與工程, 2005, 21(4).

[3] 奧島基良. 氣泡性水中吸聲材料[C]. 超聲波研究會,1964.

[4] 魏軍光, 喬冬平, 張霞，等. 消聲水池用低頻吸聲尖劈的研制[J]. 材料開發(fā)與應用, 2002, 17(4).

[5] 張殿榮, 馬占興, 楊清芝. 現(xiàn)代橡膠配方設計[M]. 2版.北京: 化學工業(yè)出版社, 2001.

[6] 李水, 羅馬奇, 趙洪, 等. GB/T 14369-2011 聲學 水聲材料樣品插入損失、回聲降低和吸聲系數(shù)的測量方法[S].北京: 中國標準出版社, 2012.