水聲寬頻復合結(jié)構(gòu)聲障板技術(shù)研究

　　摘要為提升聲障板的反聲性能，采用圓柱通道結(jié)構(gòu)設計，結(jié)合不同的橡膠障板材料，通過仿真計算與實際測量，對比了三種橡膠聲障板的聲性能，研制了一種新型水聲寬頻復合結(jié)構(gòu)聲障板，考察了該聲障板的聲性能及其對壓力的敏感性，并對該橡膠材料的靜態(tài)勵態(tài)力學性能及環(huán)境適應性進行了表征。

　　關鍵詞：復合結(jié)構(gòu);水聲;聲障板;聲壓反射系數(shù)

　　《電子商務》(月刊)創(chuàng)刊于1997年，由中國電子學會;中國信息產(chǎn)業(yè)商會主辦。

　　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，增大聲吶設備的作用距離，其穩(wěn)定性對聲吶基陣和水聲傳感器的性能產(chǎn)生直接影響。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，通過障板材料選擇或內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計，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失配，最少聲能進入障板介質(zhì)中，達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)部空氣聲腔通道設計，橡膠在聲波作用下變形時其體積形變轉(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)設計，結(jié)合不同的橡膠障板材料，通過仿真與實際測算，對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合結(jié)構(gòu)聲障板。

　　1反射系數(shù)仿真計算

　　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，因其對稱性和均布性，可將其簡化為外徑為2R、內(nèi)徑為2r的管模型，其簡化模型見圖l(a)。

　　在水-聲障板(障板厚度無限大)界面處，聲壓反射系數(shù)只與兩介質(zhì)的特性聲阻抗存在以下關系：介質(zhì)材料的特性聲阻抗Z=pc，與介質(zhì)的密度和聲速有關。

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

　　對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pr、聲速Cr(Cr與材料的模量Kr和密度pr有關)、障板的穿孔率ε、障板厚度l、波數(shù)k、衰減系數(shù)a有關。

　　本文研究的三種橡膠復合結(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。通過試驗獲得三種材料的密度、模量、聲速、衰減系數(shù)的實測值(見表1)，該實測值作為參數(shù)帶入式(8)和(2)，計算三種聲障板的聲壓反射系數(shù)，頻響曲線見圖2。

　　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)頻率點向低頻移動。

　　2復合結(jié)構(gòu)聲障板制備及性能表征

　　2.1復合結(jié)構(gòu)聲障板制備

　　復合結(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的配方、硫化工藝及結(jié)構(gòu)設計，分別單獨制備，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。

　　2.2復合結(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)實測值趨勢與模型預測趨勢接近，由于未考慮橡膠材料的粘彈性以及泊松比等物理參數(shù)對障板聲性能的影響，聲障板實際測量值與理論計算值仍存在一定的差異。通過三種橡膠聲障板性能對比，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)，并在消聲水池中進行了聲性能測試，其頻響曲線見圖6。由圖可知，在2-10kHz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。

　　2.3復合結(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聲障板的聲性能對壓力更敏感。

　　2.4 J1復合結(jié)構(gòu)聲障板橡膠的物理性能

　　對J1橡膠進行了靜態(tài)/動態(tài)力學性能、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，損耗因子tanδ達到峰值，30℃后進入粘流轉(zhuǎn)變區(qū)，模量變化逐漸趨于平緩。

　　3結(jié)論

　　(1)采用聲障板反射系數(shù)仿真計算模型可預測一定結(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，指導設計聲性能優(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)未能納入仿真計算模型中，需進一步探索材料的黏彈行為對聲障板聲性能的影響規(guī)律，優(yōu)化聲障板仿真計算模型。

　　(3)通過三種聲障板性能對比，采用J1橡膠制備的復合結(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)境適應性，可用于水下聲設備。