水声宽频复合结构声障板技术研究

杨洁 张德志 张振 徐江兵

（第七一五研究所，杭州，310023）

声障板是声呐基阵和水声传感器的重要组成部分，与声呐基阵和水声传感器配套使用，用于屏蔽自噪声、隔离散射声，提高水下声系统的抗干扰性和指向性，增大声呐设备的作用距离，其稳定性对声呐基阵和水声传感器的性能产生直接影响[1,2]。随着潜艇下潜深度增加和宽频声呐的发展需求，提高声障板的宽频、耐压性能引起了国内外水声工程研究者的高度重视。障板的声性能与结构材料的特性有关，通过障板材料选择或内部结构设计，使障板的特性声阻抗与海水的特性声阻抗差异增大，声波在两者界面间传播时失配，最少声能进入障板介质中，达到良好的声反射效果。

橡胶材料因具有一定的粘弹性和柔韧性，可以承受一定的压力，产生迟滞损耗和弹性形变。结合内部空气声腔通道设计，橡胶在声波作用下变形时其体积形变转化为剪切形变，降低橡胶障板的特性阻抗，使橡胶障板与水之间的特性阻抗失配。本文采用常见的圆柱通道结构设计，结合不同的橡胶障板材料，通过仿真与实际测算，对比了三种橡胶材料制备的声障板的声性能，研制了一种新型水声宽频复合结构声障板。

1 反射系数仿真计算

本文研制的声障板采用硫化橡胶为基体材料，障板内部均匀分布圆柱型空气声腔通道，因其对称性和均布性，可将其简化为外径为2R、内径为2r的管模型，其简化模型见图1（a）[3]。

在水-声障板（障板厚度无限大）界面处，声压反射系数R与两介质的特性声阻抗存在以下关系：

介质材料的特性声阻抗Z=cρ，与介质的密度和声速有关。

图1 仿真计算简化模型

对于有限厚度为l的声障板，其表面反射系数R与界面两端阻抗有关：

根据橡胶声障板传递矩阵及空气背衬边界条件：

单层空气声腔通道声障板输入端面输入声阻抗Zi为

两层空气声腔通道声障板输入端面输入声阻抗Zi为

该声障板内部空气声腔通道为均匀分布的圆柱，可看作等效均匀层，其等效密度ρe和等效声速ce[4-7]可表示为：

式中，ρr、ρ0分别为橡胶材料和空气的密度；cr、c0分别为橡胶材料和空气的声速，为障板的穿孔率。

对于双层圆柱空气声腔通道障板，将式（8）带入式（2），即可得到双层圆柱空气声腔通道障板的声压反射系数R，其与障板橡胶材料的密度ρr、声速cr（cr与材料的模量Kr和密度ρr有关）、障板的穿孔率ε、障板厚度l、波数k、衰减系数α有关。

本文研究的三种橡胶复合结构声障板内部声腔结构、层数(双层)和尺寸（l=50 mm）相同，制备声障板的橡胶材料不同。通过试验获得三种材料的密度、模量、声速、衰减系数的实测值（见表1），该实测值作为参数带入式（8）和（2），计算三种声障板的声压反射系数，频响曲线见图2。

表1 三种橡胶材料物理参数

图2 三种空气声腔通道橡胶声障板声压反射系数仿真结果

从仿真结果可以看出，随声波频率增加，声障板的声压反射系数先逐渐增大，后趋于平稳，一直保持在最大值。复合结构声障板与水的特性声阻抗差异增大，声压反射系数最大值逐渐增大，最大值初始出现频率点向低频移动。

2 复合结构声障板制备及性能表征

2.1 复合结构声障板制备

复合结构声障板由两层空气声腔均布的橡胶声基层组成。橡胶声基层按照相应的配方、硫化工艺及结构设计，分别单独制备，两层橡胶声基层之间采用胶粘剂粘合，并形成封闭的空气声腔结构。脉冲声管试样模型见图3。

图3 脉冲声管试样（Φ56 mm×50 mm）

2.2 复合结构声障板常压声性能

从图4可以看出，三种声障板的声压反射系数实测值趋势与模型预测趋势接近，由于未考虑橡胶材料的粘弹性以及泊松比等物理参数对障板声性能的影响，声障板实际测量值与理论计算值仍存在一定的差异。通过三种橡胶声障板性能对比，J1橡胶制备的声障板具有较好的反声性能。

采用J1橡胶制备了大面积试样（见图5），并在消声水池中进行了声性能测试，其频响曲线见图6。由图可知，在2～10 kHz频段内，J1声障板的声压反射系数均大于0.9，具有优异的宽频反声性能。

图4 空气背衬下脉冲声管试样声压反射系数曲线

图5 消声水池大面积试样（1.5 m×1.6 m）

图6 消声水池大面积试样声性能曲线

2.3 复合结构声障板高静水压力下的声性能

图7为J1声障板在常压～3 MPa静水压力下的声压反射系数频响曲线。随静水压力增加，J1声障板的声压反射系数逐渐降低。在3 MPa静水压力下，J1声障板的平均声压反射系数（2～10 kHz内）为0.65。在较高频段，J1声障板的声性能对压力更敏感。

图7 静水压力下复合结构声障板的反射系数

2.4 JI复合结构声障板橡胶的物理性能

对J1橡胶进行了静态/动态力学性能、热空气老化、耐海水、与金属粘接等性能表征，结果见表2和图8。J1橡胶在-30℃开始发生玻璃化转变，-20℃时，损耗因子tanδ达到峰值，30℃后进入粘流转变区，模量变化逐渐趋于平缓。

表2 JI橡胶的物理性能

图8 J1橡胶100 Hz下的动态力学性能（E'为弹性储能模量，E''为弹性损耗模量）

3 结论

（1）采用声障板反射系数仿真计算模型可预测一定结构参数声障板的反射系数，通过声障板结构与材料性能参数优化，指导设计声性能优异的宽频声障板。

（2）橡胶作为一种黏弹材料，其黏弹性物理参数未能纳入仿真计算模型中，需进一步探索材料的黏弹行为对声障板声性能的影响规律，优化声障板仿真计算模型。

（3）通过三种声障板性能对比，采用J1橡胶制备的复合结构声障板的反声性能最好，在较宽频带和静水压范围具有良好反声性能及环境适应性，可用于水下声设备。