水下聲學(xué)中的橡膠

水下聲學(xué)中的橡膠

該橡膠具有優(yōu)異的物理、化學(xué)性能和易鈣化形成的特點(diǎn)。尤其是可以通過選取不同的膠料及配合劑的種類和比例,能夠有效地控制其聲學(xué)特性。因此,橡膠是重要的聲學(xué)功能材料。通過聲波的傳遞、反射、透過和減弱,進(jìn)行水下探測,或以去除噪音為目的的橡膠制品統(tǒng)稱為水聲功能橡膠。橡膠材料具有高的黏彈性和阻尼特性,體積壓縮模量遠(yuǎn)大于剪切模量,楊氏模量約為剪切模量的3倍,泊松比近似為0.5,體積壓縮模量比剪切模量小很多,縱波速度比拉伸波速度大許多,這些特性在聲學(xué)工程設(shè)計(jì)中極為有用。水聲功能橡膠廣泛地用于水下聲學(xué)系統(tǒng)中,如艦船聲吶導(dǎo)流罩、反聲障板、水聽器、水聲換能器聲窗、水下艦艇及兵器的消聲涂覆層等。1橡膠的聲音特性1.1橡膠類高聚物模量的影響聲波在物質(zhì)中的傳播速度,因介質(zhì)的不同而有所差異,一般情況下,其速度的大小是:固體>液體>氣體。聲波在橡膠中的傳播速度(簡稱橡膠的聲速)與橡膠的彈性模量的平方根近似相等。而橡膠類高聚物的模量都比較小,所以聲波在橡膠中的傳播速度也比較小。因此,改變橡膠的彈性模量就可以改變橡膠的聲速。如在橡膠中增加軟化劑或增塑劑的用量,橡膠的聲速就會(huì)降低;增加炭黑類配合劑的用量,聲速就會(huì)提高。此外,聲波在橡膠中的傳播速度還與溫度和彈性伸長率有關(guān),橡膠的聲速隨著溫度的升高而降低,隨著彈性伸長率的增大而提高。1.2橡膠的聲速和特性阻抗物質(zhì)的聲學(xué)特性阻抗(T)是聲速(C)與密度(ρ)的乘積:T=ρC,它是聲波通過介質(zhì)的一種視阻抗。因?yàn)橄鹉z的聲速很低,所以橡膠的特性阻抗也比較小,其平均特性阻抗值為0.5×105(Pa·s)/m。橡膠的特性阻抗比金屬等材料低很多,因此在計(jì)算橡膠與金屬的夾層結(jié)構(gòu)的特性阻抗時(shí)必須注意。橡膠和空氣的聲速較小,隔音效果比較好,是因?yàn)槊芏群苄?。同一聲速的金屬與木材相比,因?yàn)槟静牡拿芏刃?所以特性阻抗也小。因此,密度在特性阻抗問題上具有很重要的意義。2橡膠的科學(xué)研究2.1吸收橡膠2.1.1古典吸收和超吸收18世紀(jì)由斯托克斯和克西科夫提出建立的粘滯吸收和熱傳導(dǎo)吸收被稱為古典吸收。在此基礎(chǔ)上于19世紀(jì)又提出了一種新的吸收理論-分子馳豫吸收,也被稱為超吸收。這3種聲吸收的理論基本上涵蓋了聲波在傳播的過程中能量的損耗現(xiàn)象。(1)聲能轉(zhuǎn)化為熱量聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度不同,產(chǎn)生了速度梯度,進(jìn)而使相鄰質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生了相互作用,使聲能不斷地轉(zhuǎn)化為熱能。這一過程是不可逆的,主要發(fā)生在兩種介質(zhì)接觸面。(2)介質(zhì)熱交換過程聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),由于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)疏密程度不同,因此介質(zhì)各處溫度有所差異,即存在溫度梯度,從而使相鄰質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生熱交換。此過程是不可逆的,隨著機(jī)械能的損耗,使聲能不斷地轉(zhuǎn)化為熱能。這一作用也發(fā)生在介質(zhì)接觸面。(3)動(dòng)與聲波的傳播周期聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),介質(zhì)的分子振動(dòng)與聲波的傳播周期不是同步進(jìn)行的,其相位落后了數(shù)個(gè)周期。這一現(xiàn)象也是不可逆的,它主要發(fā)生在介質(zhì)的內(nèi)部。2.1.2可壓縮性橡膠作為吸聲材料要滿足兩個(gè)條件:(1)材料的特性聲阻抗與介質(zhì)的特性聲阻抗要匹配,使聲波能無反射地進(jìn)入吸聲系統(tǒng);(2)材料要有很高的內(nèi)耗,使入射進(jìn)來的聲波在吸收系統(tǒng)中很快損耗而衰減。由于橡膠的體積壓縮模量很大,而剪切模量很小,聲壓作用在橡膠表面上,相當(dāng)于壓縮。所以制備常壓下的吸聲材料,常用添加多孔性填料或用機(jī)械打孔的辦法制成微孔性材料,以增大材料的可壓縮性。特別是可以設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目仔问共牧显谝欢l段出現(xiàn)明顯的共振吸收峰。泡沫橡膠也經(jīng)常被用作吸聲材料,當(dāng)聲波入射到泡沫橡膠中時(shí),會(huì)引起材料微孔中空氣的運(yùn)動(dòng),由于空氣的粘滯性和孔壁與空氣間的熱傳導(dǎo)作用,使聲能衰減。此外,氣泡壁的振動(dòng)還可將其周圍介質(zhì)的體積壓縮形變轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟行巫?增加材料的內(nèi)耗。2.1.3吸聲填料的吸聲機(jī)理吸聲件的吸聲性能除依賴于選用的橡膠外,還與所添加的吸聲填料密切相關(guān)?；趶椥岳碚摵蛡鬟f函數(shù)方法建立的分析模型計(jì)算,在高頻區(qū),填料填充的橡膠吸聲頻率范圍可以達(dá)到7MHz;在低頻區(qū),該范圍可以達(dá)到20MHz。因此,可以在橡膠中加入多種無機(jī)或有機(jī)的填料,如軟木粉、金屬粉、蛭石粉、蒙脫土等含氣泡性的填料,以形成均勻空腔,增大內(nèi)耗,提升吸聲效果。丁航采用硬脂酸、炭黑、DOP、蛭石粉和玻璃微珠分別填充丁基橡膠,研究發(fā)現(xiàn)配合劑對吸聲效果的影響不是十分顯著,影響較大的僅有硬脂酸、炭黑、軟化劑DOP等。而通過厚輥距、后加入蛭石粉等工藝上的控制,可以保證填料的特殊結(jié)構(gòu)不被破壞。當(dāng)15份玻璃微珠和50份蛭石粉并用時(shí),可以得到有較好空隙率的膠料,獲得優(yōu)異的吸聲性能。Mendelsohn等研制了膨脹聚苯乙烯微球/聚氨酯吸聲材料,聚苯乙烯微球的含量為1.5%～10%,無規(guī)分散于聚氨酯基體中,形成一種泡沫材料。該材料孔隙率高,密度低,由微球提供的壓縮剛性使材料在水壓下可以保持吸聲特性。周成飛等選用空心玻璃球、蛭石粉、粉末橡膠、有機(jī)蒙脫土和鉛粉作為功能性填料,分別與聚氨酯雜化復(fù)合,研制了復(fù)合體聲學(xué)材料,并對它們的吸隔聲性能進(jìn)行了分析表征。結(jié)果表明復(fù)合材料具有較好的吸隔聲性能,厚度為25mm的泡沫樣品,在0.125～4kHz范圍內(nèi)時(shí)的平均吸聲系數(shù)在0.12～0.19之間,平均隔聲量為12～13.9dB。Ander等研究發(fā)現(xiàn)在橡膠基體中加入鋁粉、鉛粉、中空玻璃微球后,在聲壓的作用下,填料的界面處會(huì)產(chǎn)生剪切形變,使入射的彈性縱波變換成彈性剪切波,增加了對入射聲能的衰減。Hinders等設(shè)計(jì)了一種添加微粉的消聲涂層用于衰減寬頻水聲信號(hào),該涂層的阻抗與流體相匹配,材料中的剛性微粒促使入射的彈性波發(fā)生多重散射,以衰減入射的水聲信號(hào)。Philip等在Rho-C橡膠內(nèi)填充了細(xì)度為3的碳纖維晶須,經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)碳纖維體積含量為0.25%的Rho-C橡膠在7～12kHz范圍內(nèi)可以把聲音降低17～24dB。2.1.4可吸聲性好的吸聲材料自20世紀(jì)70年代英國開展聚合物基泡沫吸聲橡膠材料的研究以來,以聚合物為基體的泡沫吸聲材料的研究與開發(fā)得到迅速發(fā)展。目前主要有聚乙烯泡沫、聚丙烯泡沫、聚氯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫和酚醛泡沫等品種的吸聲材料。以聚丙烯樹脂和乙丙橡膠共混可以得到具有良好吸聲的材料,材料具有很好的機(jī)械加工性能,可根據(jù)需要做成各種形狀的吸聲體。蘭曉霞等研制的乙丙橡膠改性聚丙烯基阻燃泡沫材料制成的吸聲體,在中低頻區(qū)域最大吸聲系數(shù)可達(dá)到0.99,在0.125～2kHz頻率范圍內(nèi)平均吸聲系數(shù)為0.72,對于拓寬最大吸聲系數(shù)頻帶和提高全頻率的平均吸聲系數(shù)等方面也取得了較好的效果。錢軍民等采用化學(xué)發(fā)泡方法制得了以乙丙橡膠、聚氯乙烯和巖棉為主要原料的泡沫吸聲材料。在0.125～4kHz范圍內(nèi)的吸聲性能最佳,其平均吸聲系數(shù)達(dá)0.5以上,且此材料的低頻吸聲性能優(yōu)于一般多孔型吸聲材料。田斌等用酚醛樹脂與丁苯橡膠共混作為吸聲材料,在提高橡膠的機(jī)械性能的同時(shí),其動(dòng)態(tài)力學(xué)損耗可達(dá)1.29,半峰寬溫度跨度由34℃提高到44℃,峰面積由43.79提高到49.02。吸收峰面積的擴(kuò)大說明橡膠的力學(xué)損耗提高,聲波被吸收后更多地轉(zhuǎn)化為其它能量,有效地提高了橡膠的吸聲性能。美國海軍方面研制的泡沫型吸隔聲材料,所含的成份有環(huán)氧樹脂、硅橡膠、聚氨酯泡沫體、塑料、硅基和羰基橡膠。測試結(jié)果表明,根據(jù)不同的應(yīng)用對象,該材料可以把隔聲能力提高1.5～10倍,0.6cm厚的這種材料的聲音阻隔效果與0.3m厚的混凝土相當(dāng)。該材料對各頻段的噪音都能起到阻隔作用,但在阻隔低頻方面效果尤為突出。2.1.5聲阻抗的研究通過改變橡膠吸聲構(gòu)件的長度、厚度及多孔分布的方法也可以提高橡膠的吸聲性能。在應(yīng)用方式上,通常采用的是:(1)共振式吸聲結(jié)構(gòu),在材料中設(shè)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(shí),聲波在孔腔內(nèi)可以發(fā)生共振吸收,因此孔腔結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)材料的吸聲性能。(2)漸變過渡結(jié)構(gòu),把橡膠等材料制成尖錐或尖劈狀,實(shí)現(xiàn)材料聲學(xué)狀態(tài)的逐步過渡,以達(dá)到阻抗匹配的目的。李海濤等研究了鋼板與橡膠共同組成的多層結(jié)構(gòu),在水、空氣多重介質(zhì)中斜入射時(shí)的聲學(xué)特性,用傳遞矩陣法推導(dǎo)了多層結(jié)構(gòu)的反射和透射系數(shù)的計(jì)算公式,并用數(shù)值方法進(jìn)行求解。計(jì)算結(jié)果表明,增加消聲橡膠層可以有效的降低多層結(jié)構(gòu)的聲反射能力,較好的達(dá)到降低目標(biāo)聲反射強(qiáng)度的目的。Di等結(jié)合有限元-邊界元法分析了多層橡膠吸聲障板的結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一種三層吸聲障板。第一層是鋁板骨架,第二層是高損耗的丁腈橡膠,第三層是聚氨酯泡沫。這種結(jié)構(gòu)的聲障板可以大大降低聲波的反射,吸收聲波。Vacher發(fā)明了一種用于船體外殼被動(dòng)天線的吸聲層,吸收外來主動(dòng)聲納的信號(hào),這種吸聲層由四層聚氨酯材料堆疊而成,并可以大面積敷設(shè),其優(yōu)點(diǎn)是最大程度地減少己方水聽器接收到的雜音,以達(dá)到最大程度吸收敵方主動(dòng)聲納信號(hào)的目的。Sevik研制了一種具有特殊結(jié)構(gòu)的水聲消聲、去耦材料,其基體材料是高內(nèi)耗橡膠類彈性體,其中無規(guī)分布著許多類似迷宮的通道,通道在與水接觸的表面設(shè)有開口,當(dāng)材料浸入水中時(shí),通道中充滿水?；w材料中有一部分材料具有不同的聲阻抗,這部分材料會(huì)產(chǎn)生阻抗失配以增強(qiáng)充滿水的迷宮通道周圍基體材料的剪切形變。入射到基體材料表面上的聲波在基體材料內(nèi)造成周期性形變,并把這種運(yùn)動(dòng)傳遞給迷宮通道中的水,將聲能轉(zhuǎn)換為熱能。2.2膠種的選擇透聲橡膠主要用于聲吶、魚雷的導(dǎo)流罩和換能器的透聲窗。性能要求是防水、透聲以及接受信號(hào)靈敏度高,即不失真。在聲學(xué)性能上要滿足兩點(diǎn)要求:(1)橡膠的特性聲阻抗值要與聲波的傳播介質(zhì)水的特性聲阻抗值相匹配;(2)聲波通過橡膠時(shí),橡膠對聲能的損耗要小。結(jié)構(gòu)上要求有一定的強(qiáng)度,可以滿足在水下壓力下工作。一般此類橡膠都配合增強(qiáng)結(jié)構(gòu)使用,例如利用鋼絲增強(qiáng)透聲橡膠,用以制作大型球鼻艏導(dǎo)流罩;或用纖維增強(qiáng)塑料及其復(fù)合結(jié)構(gòu),制作各種潛艇聲納罩。此外,用于制作聲透鏡的橡膠為了滿足折射要求,除阻抗匹配衰減極小外,還要求材料的聲速低于水速。透聲橡膠的選擇包括兩個(gè)部分:一是膠種的選擇;二是其他配合劑的選擇。其中最主要的膠種的選擇。聲波通過橡膠時(shí),如同力作用在橡膠上,使橡膠產(chǎn)生彈性形變和塑性形變,塑性形變使聲能衰減。因此,聲能的衰減隨膠料的彈性增加而減小,隨膠料的滯后損失增加而增大。常用橡膠的透聲性能遞減順序:天然橡膠>天然橡膠/氯丁橡膠并用膠>氯丁橡膠>聚醚型聚氨酯橡膠>氯化丁基橡膠>丁基橡膠。厚度為8mm的天然橡膠、硅橡膠、順丁橡膠和聚氨酯橡膠在5～45kHz范圍內(nèi),透聲系數(shù)均可達(dá)到90%以上。但是,實(shí)際應(yīng)用中不但要考慮橡膠的透聲性能,而且要考慮其透水性。橡膠的透水系數(shù)遞減順序:聚醚型聚氨酯橡膠>天然橡膠>氯丁橡膠>氯化丁基橡膠>丁基橡膠因此,在實(shí)際應(yīng)用中多采用透水性小的橡膠包覆透聲性能好的橡膠,形成復(fù)合型透聲橡膠材料。JA-2S聚醚型聚氨酯透聲橡膠是以一定分子量的二元共聚醚為基體,采用預(yù)聚體澆注法成型的透聲橡膠。該橡膠有良好的力學(xué)性能和電性能,可以用于水聲系統(tǒng)換能器的匹配包覆材料,可展寬接收頻帶,避免或降低因使用聲學(xué)材料而帶來的靈敏度損失。用它制作聲窗或?qū)Я髡挚梢院喕侣晫W(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),提高基陣的聲學(xué)性能,消除多層材料所引起的許多弊病,明顯提高整機(jī)總體指標(biāo)。侯國建采用澆注型聚氨酯液體橡膠作為水下聲納透聲窗,其特點(diǎn)是硫化過程不需加壓,硫化溫度低,適用于形狀復(fù)雜制品的制作,能滿足換能器無硫硫化的工藝要求,而且聚氨酯橡膠與水的密度和聲速基本接近。與其它橡膠相比,該聚氨酯橡膠拉伸強(qiáng)度高,耐腐蝕性、耐臭氧性、耐油性均比較突出。經(jīng)測試在15～30kHz的范圍內(nèi),該材料的聲衰減常數(shù)在0.8～0.12dB/cm范圍內(nèi)。大多數(shù)澆注聚醚型聚氨酯透聲橡膠是采用芳香胺硫化(簡稱胺硫化)。它有較好的工藝性能和力學(xué)性能。但胺硫化聚氨酯透聲膠硬度高,硫化周期長,澆注操作過程有毒等缺點(diǎn)。張立俠等采用多元醇硫化聚醚型聚氨酯透聲橡膠(簡稱醇硫化)。該橡膠克服了胺硫化橡膠的缺點(diǎn),而且分子鏈比較柔順,硬度低,聲衰減常數(shù)小,高頻透聲性能好。初步應(yīng)用和實(shí)際測試表明,醇硫化聚氨酯透聲橡膠適用于低中頻段的接受換能器和高頻段的發(fā)射及接受換能器等水聲設(shè)備。2.3聚氨酯橡膠防水層材料的篩選反聲橡膠是指聲波入射到橡膠表層上能無損耗或較少損耗地反射出去的橡膠材料。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是使橡膠的特性聲阻抗與介質(zhì)的特性聲阻抗嚴(yán)重失配;其次,要求材料的衰減常數(shù)小,使入射聲波絕大部分被反射。在水面艦艇聲納中,常用閉孔泡沫塑料或泡沫橡膠作為反聲材料。當(dāng)微孔中的空氣體積含量大于50%時(shí),材料剪切模量下降,同時(shí)聲波波速也隨之降低,從而在橡膠與介質(zhì)的界面上產(chǎn)生高反射。當(dāng)反射系數(shù)大于80%時(shí),可以有效消除材料和介質(zhì)本身發(fā)出的噪聲。在潛艇聲納反射罩、換能器基陣的反聲后障板或其它深水設(shè)備中,要求反聲材料能夠耐高靜水壓,所以除了用一定厚度的金屬做聲障板外,目前多用以開孔硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料做芯材,外面澆注一層聚氨酯橡膠防水層,做成復(fù)合材料。在深水中含空氣的海棉橡膠可以作為反聲材料,其反射系數(shù)可以達(dá)到80%以上。鐘東南等采用通用型聚合異氰酸酯(MDI),生產(chǎn)了孔徑在320～380μm,壓縮強(qiáng)度為318MPa的聚氨酯泡沫,采用11MPa的壓力對泡沫體進(jìn)行預(yù)壓縮處理。通過調(diào)整密度然后沿短軸方向制樣,得到了聲速為420～480m/s,其平均特性聲阻抗小于1.35×105(Pa·s)/m,聲壓反射系數(shù)大于0.88的反聲障板芯材。由于液體聚氨酯澆鑄工藝復(fù)雜,彈性體耐水性差,易龜裂硬化,并且成品率低、價(jià)格高,在滿足聲學(xué)性能技術(shù)指標(biāo)的前提下,任潤桃嘗試了用硫化丁基橡膠防水層代替聚氨酯彈性體防水層。其制品,FSB型寬帶耐壓反聲障板用橡膠防水層材料的透聲性能在3～16kHz的頻率范圍,材料透聲系數(shù)大于98%。陳磊等通過實(shí)驗(yàn)比較了天然橡膠、硅橡膠、氯丁橡膠和氯化丁基橡膠的性能,篩選出以氯丁橡膠為基體,配合其它配合劑使用的水聲聲學(xué)功能橡膠涂層。在2～20kHz的頻率范圍內(nèi),該材料的聲壓反射系數(shù)均在0.85以上,最大值為0.95,具有較好的