水聲寬頻復合結構聲障板技術研究

　　摘要為提升聲障板的反聲性能，采用圓柱通道結構設計，結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構聲障板，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勵態力學性能及環境適應性進行了表征。

　　關鍵詞：復合結構;水聲;聲障板;聲壓反射系數

　　《電子商務》(月刊)創刊于1997年，由中國電子學會;中國信息產業商會主辦。

　　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，提高水下聲系統的抗干擾性和指向性，增大聲吶設備的作用距離，其穩定性對聲吶基陣和水聲傳感器的性能產生直接影響。隨著潛艇下潛深度增加和寬頻聲吶的發展需求，提高聲障板的寬頻、耐壓性能引起了國內外水聲工程研究者的高度重視。障板的聲性能與結構材料的特性有關，通過障板材料選擇或內部結構設計，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，產生遲滯損耗和彈性形變。結合內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構設計，結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構聲障板。

　　1反射系數仿真計算

　　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，聲壓反射系數只與兩介質的特性聲阻抗存在以下關系：介質材料的特性聲阻抗Z=pc，與介質的密度和聲速有關。

　　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k、衰減系數a有關。

　　本文研究的三種橡膠復合結構聲障板內部聲腔結構、層數(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、衰減系數的實測值(見表1)，該實測值作為參數帶入式(8)和(2)，計算三種聲障板的聲壓反射系數，頻響曲線見圖2。

　　從仿真結果可以看出，隨聲波頻率增加，聲障板的聲壓反射系數先逐漸增大，后趨于平穩，一直保持在最大值。復合結構聲障板與水的特性聲阻抗差異增大，聲壓反射系數最大值逐漸增大，最大值初始出現頻率點向低頻移動。

　　2復合結構聲障板制備及性能表征

　　2.1復合結構聲障板制備

　　復合結構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、硫化工藝及結構設計，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構。脈沖聲管試樣模型見圖3。

　　2.2復合結構聲障板常壓聲性能

　　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，J1聲障板的聲壓反射系數均大于0.9，具有優異的寬頻反聲性能。

　　2.3復合結構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頻響曲線。隨靜水壓力增加，J1聲障板的聲壓反射系數逐漸降低。在3 MPa靜水壓力下，J1聲障板的平均聲壓反射系數(2-10 kHz內)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復合結構聲障板橡膠的物理性能

　　對J1橡膠進行了靜態/動態力學性能、熱空氣老化、耐海水、與金屬粘接等性能表征，結果見表2和圖8。J1橡膠在-30℃開始發生玻璃化轉變，-20℃時，損耗因子tanδ達到峰值，30℃后進入粘流轉變區，模量變化逐漸趨于平緩。

　　3結論

　　(1)采用聲障板反射系數仿真計算模型可預測一定結構參數聲障板的反射系數，通過聲障板結構與材料性能參數優化，指導設計聲性能優異的寬頻聲障板。

　　(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律，優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橡膠制備的復合結構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境適應性，可用于水下聲設備。