水聲寬頻復(fù)合結(jié)構(gòu)聲障板技術(shù)研究

楊潔 張德志 張振 徐江兵

（第七一五研究所，杭州，310023）

聲障板是聲吶基陣和水聲傳感器的重要組成部分，與聲吶基陣和水聲傳感器配套使用，用于屏蔽自噪聲、隔離散射聲，提高水下聲系統(tǒng)的抗干擾性和指向性，增大聲吶設(shè)備的作用距離，其穩(wěn)定性對(duì)聲吶基陣和水聲傳感器的性能產(chǎn)生直接影響[1,2]。隨著潛艇下潛深度增加和寬頻聲吶的發(fā)展需求，提高聲障板的寬頻、耐壓性能引起了國(guó)內(nèi)外水聲工程研究者的高度重視。障板的聲性能與結(jié)構(gòu)材料的特性有關(guān)，通過障板材料選擇或內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使障板的特性聲阻抗與海水的特性聲阻抗差異增大，聲波在兩者界面間傳播時(shí)失配，最少聲能進(jìn)入障板介質(zhì)中，達(dá)到良好的聲反射效果。

橡膠材料因具有一定的粘彈性和柔韌性，可以承受一定的壓力，產(chǎn)生遲滯損耗和彈性形變。結(jié)合內(nèi)部空氣聲腔通道設(shè)計(jì)，橡膠在聲波作用下變形時(shí)其體積形變轉(zhuǎn)化為剪切形變，降低橡膠障板的特性阻抗，使橡膠障板與水之間的特性阻抗失配。本文采用常見的圓柱通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合不同的橡膠障板材料，通過仿真與實(shí)際測(cè)算，對(duì)比了三種橡膠材料制備的聲障板的聲性能，研制了一種新型水聲寬頻復(fù)合結(jié)構(gòu)聲障板。

1 反射系數(shù)仿真計(jì)算

本文研制的聲障板采用硫化橡膠為基體材料，障板內(nèi)部均勻分布圓柱型空氣聲腔通道，因其對(duì)稱性和均布性，可將其簡(jiǎn)化為外徑為2R、內(nèi)徑為2r的管模型，其簡(jiǎn)化模型見圖1（a）[3]。

在水-聲障板（障板厚度無限大）界面處，聲壓反射系數(shù)R與兩介質(zhì)的特性聲阻抗存在以下關(guān)系：

介質(zhì)材料的特性聲阻抗Z=cρ，與介質(zhì)的密度和聲速有關(guān)。

圖1 仿真計(jì)算簡(jiǎn)化模型

對(duì)于有限厚度為l的聲障板，其表面反射系數(shù)R與界面兩端阻抗有關(guān)：

根據(jù)橡膠聲障板傳遞矩陣及空氣背襯邊界條件：

單層空氣聲腔通道聲障板輸入端面輸入聲阻抗Zi為

兩層空氣聲腔通道聲障板輸入端面輸入聲阻抗Zi為

該聲障板內(nèi)部空氣聲腔通道為均勻分布的圓柱，可看作等效均勻?qū)?，其等效密度ρe和等效聲速ce[4-7]可表示為：

式中，ρr、ρ0分別為橡膠材料和空氣的密度；cr、c0分別為橡膠材料和空氣的聲速，為障板的穿孔率。

對(duì)于雙層圓柱空氣聲腔通道障板，將式（8）帶入式（2），即可得到雙層圓柱空氣聲腔通道障板的聲壓反射系數(shù)R，其與障板橡膠材料的密度ρr、聲速cr（cr與材料的模量Kr和密度ρr有關(guān)）、障板的穿孔率ε、障板厚度l、波數(shù)k、衰減系數(shù)α有關(guān)。

本文研究的三種橡膠復(fù)合結(jié)構(gòu)聲障板內(nèi)部聲腔結(jié)構(gòu)、層數(shù)(雙層)和尺寸（l=50 mm）相同，制備聲障板的橡膠材料不同。通過試驗(yàn)獲得三種材料的密度、模量、聲速、衰減系數(shù)的實(shí)測(cè)值（見表1），該實(shí)測(cè)值作為參數(shù)帶入式（8）和（2），計(jì)算三種聲障板的聲壓反射系數(shù)，頻響曲線見圖2。

表1 三種橡膠材料物理參數(shù)

圖2 三種空氣聲腔通道橡膠聲障板聲壓反射系數(shù)仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，隨聲波頻率增加，聲障板的聲壓反射系數(shù)先逐漸增大，后趨于平穩(wěn)，一直保持在最大值。復(fù)合結(jié)構(gòu)聲障板與水的特性聲阻抗差異增大，聲壓反射系數(shù)最大值逐漸增大，最大值初始出現(xiàn)頻率點(diǎn)向低頻移動(dòng)。

2 復(fù)合結(jié)構(gòu)聲障板制備及性能表征

2.1 復(fù)合結(jié)構(gòu)聲障板制備

復(fù)合結(jié)構(gòu)聲障板由兩層空氣聲腔均布的橡膠聲基層組成。橡膠聲基層按照相應(yīng)的配方、硫化工藝及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別單獨(dú)制備，兩層橡膠聲基層之間采用膠粘劑粘合，并形成封閉的空氣聲腔結(jié)構(gòu)。脈沖聲管試樣模型見圖3。

圖3 脈沖聲管試樣（Φ56 mm×50 mm）

2.2 復(fù)合結(jié)構(gòu)聲障板常壓聲性能

從圖4可以看出，三種聲障板的聲壓反射系數(shù)實(shí)測(cè)值趨勢(shì)與模型預(yù)測(cè)趨勢(shì)接近，由于未考慮橡膠材料的粘彈性以及泊松比等物理參數(shù)對(duì)障板聲性能的影響，聲障板實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算值仍存在一定的差異。通過三種橡膠聲障板性能對(duì)比，J1橡膠制備的聲障板具有較好的反聲性能。

采用J1橡膠制備了大面積試樣（見圖5），并在消聲水池中進(jìn)行了聲性能測(cè)試，其頻響曲線見圖6。由圖可知，在2～10 kHz頻段內(nèi)，J1聲障板的聲壓反射系數(shù)均大于0.9，具有優(yōu)異的寬頻反聲性能。

圖4 空氣背襯下脈沖聲管試樣聲壓反射系數(shù)曲線

圖5 消聲水池大面積試樣（1.5 m×1.6 m）

圖6 消聲水池大面積試樣聲性能曲線

2.3 復(fù)合結(jié)構(gòu)聲障板高靜水壓力下的聲性能

圖7為J1聲障板在常壓～3 MPa靜水壓力下的聲壓反射系數(shù)頻響曲線。隨靜水壓力增加，J1聲障板的聲壓反射系數(shù)逐漸降低。在3 MPa靜水壓力下，J1聲障板的平均聲壓反射系數(shù)（2～10 kHz內(nèi)）為0.65。在較高頻段，J1聲障板的聲性能對(duì)壓力更敏感。

圖7 靜水壓力下復(fù)合結(jié)構(gòu)聲障板的反射系數(shù)

2.4 JI復(fù)合結(jié)構(gòu)聲障板橡膠的物理性能

對(duì)J1橡膠進(jìn)行了靜態(tài)/動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、熱空氣老化、耐海水、與金屬粘接等性能表征，結(jié)果見表2和圖8。J1橡膠在-30℃開始發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，-20℃時(shí)，損耗因子tanδ達(dá)到峰值，30℃后進(jìn)入粘流轉(zhuǎn)變區(qū)，模量變化逐漸趨于平緩。

表2 JI橡膠的物理性能

圖8 J1橡膠100 Hz下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能（E'為彈性儲(chǔ)能模量，E''為彈性損耗模量）

3 結(jié)論

（1）采用聲障板反射系數(shù)仿真計(jì)算模型可預(yù)測(cè)一定結(jié)構(gòu)參數(shù)聲障板的反射系數(shù)，通過聲障板結(jié)構(gòu)與材料性能參數(shù)優(yōu)化，指導(dǎo)設(shè)計(jì)聲性能優(yōu)異的寬頻聲障板。

（2）橡膠作為一種黏彈材料，其黏彈性物理參數(shù)未能納入仿真計(jì)算模型中，需進(jìn)一步探索材料的黏彈行為對(duì)聲障板聲性能的影響規(guī)律，優(yōu)化聲障板仿真計(jì)算模型。

（3）通過三種聲障板性能對(duì)比，采用J1橡膠制備的復(fù)合結(jié)構(gòu)聲障板的反聲性能最好，在較寬頻帶和靜水壓范圍具有良好反聲性能及環(huán)境適應(yīng)性，可用于水下聲設(shè)備。