轻质夹层复合吸声结构的水声性能实验研究

李 浩，梅志远，朱 锡

(海军工程大学 船舶与动力学院，湖北 武汉 430033)

复合材料与传统船体钢相比，有比强度和比模量高、阻尼特性好、耐腐蚀和抗海洋生物侵蚀强等优良性能，目前已逐渐成为提高潜艇综合性能的重要技术途径之一［1］。用透声性能好的高强度纤维增强复合材料作面层，用高分子吸声材料作为芯材，可以制得三明治夹层复合吸声结构，这种复合结构集承载与吸声功能于一体，具有振动阻尼性能好、降低磁信号、容易成型等优点，将成为未来水下目标声隐身研究的重要方向［2－5］。Folds［6］对此类结构进行了介绍，指出通过吸声芯料的选择和各层结构的设计，可以得到综合性能优良的夹层结构吸声材料，这种夹层吸声材料可部分替代钢结构而降低艇体的噪音水平，不同于在钢结构上覆盖吸声层的传统方式。海军工程大学［4，7－8］采用夹层复合材料结构代替钢质舵壳板，研究了一种夹层复合材料空心舵结构，取得了较好的声隐身效果。美国海军使用的玻璃纤维增强复合材料夹层薄板结构被认为是未来发展的一种趋势［9］。但以上研究的芯材相对密度都在1以上，增加了夹层结构复合材料的重量，使用性受限。为解决芯材密度较大的问题，本文采用高强耐压材料作为表层、多种空心玻璃微珠混合填充环氧树脂和聚氨酯改性环氧树脂合成的高分子吸声材料作为芯材，降低了芯材的相对密度，以期获得降低复合材料重量的同时，还能提供较好声隐身功能的结构型复合材料，扩大该结构的使用范围。

1 典型的夹层复合吸声结构模型

设计玻璃钢作为夹层结构复合材料的表层材料，这是因为平面声波在分界面上的反射和透射的大小仅决定于媒质的特性阻抗，而透声玻璃钢表层的特性阻抗与水介质接近，能够使声波全部入射进入吸声结构［4］;吸声芯层是夹层复合材料结构的主要吸声部分，要求具有较好的阻尼吸声性能，所以，设计高损耗因子的高分子材料作为夹层结构复合材料的吸声芯材，可以通过调整材料配方和添加填料等方法改善其力学性能并在较宽频段内获得较好的吸声效果。建立垂直入射下夹层复合材料声学模型如图1所示，图中上下表层材料采用透声玻璃钢材料，起支撑作用，主要承受弯曲时的拉压载荷作用，提供结构足够的强度、刚度和耐环境特性，满足承载和水动力学性能，并且玻璃钢透声性能较好，能使入射声波尽可能的进入吸声芯层而被吸收;夹芯层采用高分子吸声材料，它依靠高分子的链段运动将声能转变为热能而吸收。

图1 垂直入射下夹层复合吸声结构模型Fig.1 The model of sound absorption structure of sandwich composite in vertical incidence

2 实验部分

2.1 主要原料和试剂

乙烯基酯树脂(3201):上海光华树脂厂;环氧树脂6350(EP):上海争锐化工有限公司;聚氨酯改性环氧树脂(PUEP):湖北京山北化复合材料厂;高强玻璃纤维，南京玻璃纤维研究设计院;空心玻璃微珠:10 μm～600 μm，秦皇岛秦皇玻璃微珠有限公司;过氧化甲乙酮、环烷酸钴:A.R.试剂;上海光华化学试剂厂;硅烷偶联剂:KH－550，南京曙光化工厂;环氧固化剂593:武汉市江北化学试剂厂。在使用前，乙烯基酯树脂、环氧树脂6350、聚氨酯改性环氧树脂等进行真空除水处理备用;空心玻璃微珠用偶联剂KH－550进行表面处理后在真空烘箱中进行干燥除水。

2.2 材料的合成

2.2.1 表层材料的合成

利用南京玻纤院的S2高强玻璃纤维，以3201乙烯基树脂为基体，加入过氧化甲乙酮、环烷酸钴等稀释剂、固化剂和促进剂并采用真空吸附成型来合成玻璃钢，所合成玻璃钢的相对密度在1.6左右。

2.2.2 芯材的合成

本文采用粒径不同的多种空心玻璃微珠混合填充环氧树脂和聚氨酯改性环氧树脂与环氧树脂的混合物合成吸声芯材，并分别命名为环氧基微珠增强吸声体(简称EPM)和聚氨酯改性环氧基微珠增强吸声体(简称PUEPM)。具体的合成方法是:先将称量好的环氧树脂和聚氨酯改性环氧树脂适当加温并与KH550搅伴均匀，再加入593固化剂，最后按计量加入玻璃微珠以及自制的增韧剂、分散剂和消泡剂，采用适当的分散工艺使微珠在环氧树脂基体中充分分散，引发交联并进行抽真空处理，然后倒入模具中，采取先下层后上层的分层浇注方法(其中上层的填料含量是下层的1/3)，下层浇注半小时后进行上层浇注，然后在常温下固化24 h，脱模后放入一定温度的烘箱中进行后固化处理2 h得到芯材。实验中加入玻璃微珠粉后，要注意低速搅拌，避免将微珠打破，并且把芯材相对密度控制在0.8 ±0.05，上下层比例是:上层∶下层 =1∶3。

2.3 试件的制备

利用2.2中的合成工艺合成表层材料和芯材，制作成脉冲声管和消声水池测试试件，试件形状和尺寸为:① 脉冲声管测试试件:试件形状为圆柱形夹层结构，直径56.5 mm、芯材厚度25 mm、上下表面各贴4 mm厚玻璃钢;② 消声水池测试试件:为减小衍射的影响，设计了矩形平板状测试试件，该试件表面平整，厚度一致，尺寸为1200 mm×660 mm×33 mm，其中芯材厚度25 mm，上下表面各贴附4 mm厚玻璃钢。

2.4 水声性能测试

(1)脉冲声管测试:按标准GB/T 14369－93在七一五研究所国防水声测量一级站的脉冲声管中测量试样的声压反射系数 R和吸声系数 α，测试频段为2 kHz～25 kHz;

(2)消声水池测试:按标准 GB3233和 GB/T 14369－93在七一五研究所国防水声测量一级站的消声水池中测量试件的声压反射系数R和吸声系数α，测试频段为5 kHz～30 kHz。

测试前为更好地测量试件的声学参数，所有试件在水中浸泡24 h以上。

3 结果与讨论

3.1 表层玻璃钢材料厚度的选择

图2为垂直入射下迎声面表层玻璃钢厚度对夹层复合结构声学特性影响的理论分析结果，其中吸声芯材模量为140 MPa，泊松比为0.49，损耗因子为 0.15，厚度为25 mm;背声面玻璃钢厚度为4 mm。可见随着迎声面表层玻璃钢厚度的增大，大部分频段反射增加，透射降低，同时由于夹层结构中多层阻抗界面的存在，使声波在夹层结构内部多次反射形成谐振，表层玻璃钢越厚，反射系数谐振峰值增大，峰值频率往低频移动。

图3为垂直入射下迎声面表层玻璃钢厚度对夹层复合结构声学特性影响的试验结果，芯材为聚氨酯透声材料，厚度为25 mm，背声面玻璃钢厚度为4 mm，迎声面玻璃钢厚度分别为10 mm，13 mm，15.6 mm。从图中可以看出，在随着玻璃钢厚度的增加，声压反射系数增大，透射系数减小，而且频段越高，波长越小，相差也越大，这与理论分析结果一致。

图2 迎声面玻璃钢不同厚度下夹层复合结构的声学性能理论计算结果Fig.2 Theoretical calculation results of acoustic properties of sandwich structure with different thickness of incident plane GFRP

图3 迎声面玻璃钢不同厚度下夹层结构的声学性能试验结果Fig.3 Test results of acoustic properties of sandwich structure with different thickness of incident plane GFRP

由图2和图3的研究可知，玻璃钢的厚度对其透声性能有影响，玻璃钢越厚透声性能越差，所以玻璃钢的厚度要适中。经过试验测试，本文合成的4 mm厚玻璃钢的面内拉伸强度可达387 MPa、面内剪切强度可达103.7 MPa，具有优良的力学性能;而且此厚度的玻璃钢具有优良的透声性能，所以本文夹层复合吸声结构的表层材料厚度定为4 mm。

3.2 夹层复合吸声结构的水声性能

3.2.1 不同芯材下夹层复合吸声结构的水声性能

芯材对夹层复合吸声结构的声学性能影响较大，所以需要对芯材的配方进行研究。本文合成了EPM和PUEPM两种芯材，并用其制作了夹层结构声学测试试件，在脉冲声管中测试了其水声性能，其测量结果如图4所示。

从图4可以看出，EPM为芯材的夹层复合吸声结构中低频吸声系数高于PUEPM，但高频吸声系数则低于另外两种配方的芯材;对于反射系数而言，EPM为芯材的夹层复合吸声结构的低频和高频反射系数也要比PUEPM高很多;综合比较可以得出，PUEPM为芯材的夹层复合吸声结构的综合声学性能最好。另外从图4还可以看出该结构低频的吸声效果整体不是很好，这可能是因为吸声芯材厚度只有25 mm，影响了其吸声性能。

图4 不同芯材下夹层复合吸声结构的反射系数和吸声系数频谱Fig.4 Sound reflection coefficient and sound absorption coefficient spectra of sound absorption structure of sandwich composite with different core material

图5 消声水池中夹层复合吸声结构试样反射系数和吸声系数频谱Fig.5 Sound reflection coefficient and soundabsorption coefficient spectra of sound absorptionstructure of sandwich composite sample in anechoic tank

3.2.2 夹层复合吸声结构的消声水池测试结果

由3.2.1可知，PUEPM为芯材的夹层复合吸声结构综合声学性能最好，所以用PUEPM为芯材制作了夹层结构复合材料平板，在消声水池中测试了该平板的声压反射系数R和吸声系数α，其测试结果如图5所示。

从图5可以看出，对于反射系数而言，除7 kHz～10 kHz频段外，各频率点的反射系数在0.5～0.6之间，回声降低4 dB～6 dB;对于吸声系数而言，在吸声芯材相对密度在0.8±0.05和厚度只有25 mm的情况下，虽然在7 kHz～10 kHz频段内，吸声系数低于0.5，但13 kHz以上频段内，吸声系数都在0.6以上，在降低夹层复合吸声结构整体重量的同时也具有良好的水下声隐身性能。

3.2.3 PUEPM与消声瓦的水声性能比较

众所周知，消声瓦在国内外已得到广泛的应用，主要作为覆盖层贴附在潜艇表层，它的水声性能优良，平均吸声系数可以达到 0.85 以上［4，6］，但其厚度要在 50 mm以上，相对密度也在1.1左右，大大增加了艇体的重量，在一定程度上影响了潜艇的机动性。另外，消声瓦的合成工艺复杂，成本较高，也不太适合用作夹层结构的芯材。本文所设计的25 mm厚PUEPM在5 kHz～30 kHz频段内，平均吸声系数在0.6左右，具有较好的吸声性能，虽然其水声性能在一定程度上不及消声瓦，但其相对密度在0.8左右，可以大大降低艇体的重量，并且合成工艺简单，成本低。通过测试，PUEPM的压缩强度、拉伸强度和剪切强度分别为1.46 MPa、2.68 MPa和1.58 MPa，和表层玻璃钢粘合后也具有不错的力学性能，很适合作为夹层结构的芯材来使用。

3.3 夹层复合吸声结构的吸声机理

本文所设计的夹层复合声结构的吸声机理主要有以下几点:① 由于玻璃钢具有良好的透声性能，可以使入射声波尽可能的进入吸声芯层而被吸收;② 芯材采用上层和下层分层浇注固化成型结构，能够在两层的分界面上增加一次反射，提高了同等条件下的吸声系数;③ 芯材上层的阻抗与水的阻抗相近，使声波更有利于进入吸声材料而被吸收，从而达到降低反射系数和增大吸声系数的目的，使材料具有良好的水下声吸收效果;④ 空心玻璃微珠的加入使声波的衰减涉及到破坏分子间的非键作用力来增加内摩擦，并使微珠粒子也随粘弹性交联网格振动，增加了材料对声能的弛豫吸收效果;⑤ 利用空心玻璃微珠的散射改变入射纵波的传播方向，增加声波的传递路径，获得更好的吸声效果;⑥ 空心玻璃微珠的加入可以使入射纵波转化为易被粘弹性基体吸收的剪切波，并且玻璃微珠本身还存在空腔谐振吸声［10］，获得更好的吸声效果;⑦ 由于最大的声波速度梯度和温度梯度都发生在两媒质的接触面附近，空心玻璃微珠的加入增加了微珠与基体间的界面，增加了微相分离的程度［11］，从而导致粘滞吸收和热传导吸收作用的增强，使得材料整体表现出优异的吸声性能。

4 结论

为解决以往夹层复合吸声结构的吸声芯材密度过大的问题，本文设计了一种轻质夹层复合吸声结构，对其水声性能进行了实验研究，得出以下主要结论:

(1)夹层复合吸声结构的表层材料可以采用4 mm厚的玻璃钢;

(2)用空心玻璃微珠填充环氧树脂和聚氨酯改性环氧树脂可以合成相对密度在0.8±0.05并具有较好吸声性能的高分子吸声材料;

(3)聚氨酯改性环氧基微珠增强吸声体(PUEPM)具有较好的水下吸声性能，可以作为夹层复合吸声结构的芯材。

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