涉水振动、噪声控制橡胶（下）

侯永振

涉水振动、噪声控制橡胶（下）

侯永振

主要论述涉水振动和噪声控制橡胶涉及的有关原理及相关技术，包括衰减共振、隔离高频振动、附加阻尼处理、噪声控制（相对于减、隔振和附加阻尼处理）与水中应用橡胶的关系和相关影响。

减振；隔振；阻尼；噪声；橡胶；动态力学性能；水声

2 涉水振动与噪声控制中的附加阻尼处理与橡胶

振动与噪声控制中的附加阻尼处理是相对于原有的基层材料（可为金属或复合材料等结构材料）的阻尼来说的，简单说就是在不具备阻尼或阻尼很有限的基材上粘贴敷设阻尼片（包括橡胶阻尼片），构成阻尼复合结构。是振动与噪声控制的另一种阻尼橡胶材料的应用方式。根本的一条，同样是必须考虑附加水中应用条件。

根据使用条件和使用要求的不同，附加阻尼处理一般有两种不同处理方式。即：自由层阻尼处理和约束型阻尼处理，如图11、图12。

图11 自由层阻尼处理

图12 约束型阻尼处理

自由层阻尼处理引起阻尼材料的拉伸和压缩而耗散能量。

约束型阻尼处理（CLD）能量通过材料的剪切形变而耗散，即:适合于弯曲振动。

自由层阻尼结构其复合结构的总损耗因子一般按下式计算。

式中:

根据式（13），复合结构总损耗因子与阻尼材料的阻尼和阻尼材料的弹性模量成正比，因此可以考虑将阻尼材料的弹性模量相对做高。

约束型阻尼处理后结构的阻尼性能可采用经典的RKU理论以及约束型阻尼处理的模态应变能法（MSE）计算和处理。

因为附加阻尼处理主要靠基底的金属或复合材料等结构材料承力，而橡胶阻尼材料层主要发挥其阻尼的衰减弯曲振动作用，所以附加阻尼处理主要利用的是橡胶材料处于玻璃化转变区的阻尼性能，其阻尼要显著高于自身的高弹态（橡胶态）区。

橡胶的动态力学性能在保持恒频率条件下是温度的函数，非晶态橡胶材料玻璃化转变前后的动态力学性能随温度的变化曲线（频率恒定）如图13所示。

图13 非晶态橡胶材料玻璃化转变前后的动态力学性能随温度变化曲线

图14 非晶态橡胶的动态力学性能随频率的变化及其主转变和次级转变的特征频率曲线图

典型的炭黑填充的高CN含量丁腈橡胶和丁基橡胶的宽频动态力学性能曲线如图15、图16[2]所示。

图15 填充炭黑的高CN含量丁腈橡胶动态力学性能曲线

图16 典型丁基橡胶的动态力学性能曲线

天然橡胶分子结构局部的球棍模型如图17所示，其交联模型示意如图18所示。

图17 天然橡胶分子结构的局部球棍模型

图18 天然橡胶交联分子结构的局部球棍模型示意图

几种橡胶分子链的原子堆积示意图如图19所示。从图可以直观地看出分子链段在相对运动时其基团的相对空间位阻效应。

图19 几种橡胶分子链的原子堆积示意图

橡胶分子链通过硫化交联后形成的分子网络概念示意图如图20所示。

图20 橡胶分子链通过硫化交联后形成的分子网络概念示意图

拉伸前、处于拉伸状态和拉伸后的生胶和硫化胶（交联橡胶）的网络变化示意图如图21所示。

图21 拉伸前、处于拉伸状态和拉伸后的生胶和硫化橡胶（交联橡胶）的网络变化概念示意图

从某种角度，可以认为一整块橡胶就是一个大分子网络，因此，它的链段在受到振动或声波激励时，发生相对运动而形成的摩擦就被称为内摩擦，整个一块橡胶的内摩擦具有累积效应。

减、隔振器以及这里的附加阻尼处理，对于材料来说，从能量守恒与转换的角度可以看作是一个能量输入和输出过程。

附加了涉水应用条件的橡胶，水会通过对不同微观结构橡胶分子运动的作用而影响到材料与制品的振动与声学性能。

水中应用橡胶，其分子链段运动及其内摩擦情况的研究是一个尚待投入研究的处女地，这需要投入大量的时间与精力去进行系统性的广泛而深入的应用基础研究和应用试验研究。目前主要是通过实测与理论对比找出其规律性的东西来进行具体材料的研制研究。

3 涉水噪声控制（吸声）与橡胶

橡胶应用于噪声控制方面的声学处理的根本，在于橡胶可以方便加工制作成各种各样的声学功能材料、部件及制品，以及橡胶材料的泊松比接近0.5，常称为不可压缩的材料，另外具备了基本的耐水解性能等。借助于配方设计，比较容易实现与水的阻抗匹配或失配调节。实际上这只是从相对宏观的角度来看的，而从涉水橡胶的声学角度看，或相对微观的角度看，橡胶当然是可以压缩的，其压缩量的大小也具有相对意义。

示意图如图22。

声能进入材料和被材料消耗的性质称为材料的吸声性。吸声材料也可以理解为一种声能向热能转换的材料，其转换是由声波激起橡胶分子链段的内摩擦运动来实现的。

表示方法: 吸声系数α：

吸声系数α值越大，材料的吸声性能越好。

声阻抗为声学材料或介质的密度与声速的乘积，水的声速在1450m/s左右，其阻抗为1450 Pa.S/m。

典型实体硫化橡胶材料的纵波声速见表2。

表2 典型实体硫化橡胶材料的纵波声速

橡胶的密度在1.0～1.5g/cm3可调。这样实体橡胶材料的声阻抗与水的声阻抗本身就接近或者容易调节到声阻抗相同或相近，声波就容易进入橡胶而不存在声学界面，对应用于涉水压力低的吸声橡胶材料与制品，可以不考虑水压的影响。

对于设计为内部嵌有声腔的某种涉水声学橡胶材料，可以理解为其上敷设的声学结构（内部镶嵌的声腔）与橡胶载体材料（这里指载声）有机融合的一种能量转换材料，其声学载体材料为橡胶，也包括在其内部附设的声学结构——声腔，因为声腔中包覆进去的空气也是一种声学载体或声学介质，因此必须考虑由于附设声腔带来的阻抗匹配影响。橡胶载体材料内部声腔中空气介质的吸声遵从空气声的吸声机理，但借助声腔的结构与形状则形成波形转换的机理，通过波形转换，结合橡胶的特殊的剪切波损耗因子效应，将压缩波转换成高吸收的切变波,从而吸收较多声能[3]。从另一个角度看，也是一种变频效应。在这里，声腔实际上是一种具有变频功能的几何体声学载体。相应地，则要考虑通过别的途径弥补因为变频而被弱化的相邻或相间的相关频带的吸收。

附设在内部的声腔有多种共振的几何体，以及复合过渡型几何体形状，可以在较宽的频率范围内产生谐振，并且还有阻抗渐变的作用，能够有效减少声波反射，可以在整个频段上改善材料的吸声效果。

声腔谐振使材料的压缩形变转换为剪切形变主要发生在腔体的周围，因而它的吸声频率与腔体的固有谐振频率有关，而腔体的谐振频率与它的几何参数有关。随着声腔所占空间容积比率的增加，谐振峰的位置向低频方向移动，同时，吸声频带带宽变窄。某种几何体声腔的纵向谐振频率大体上与剪切波的波速成比例，当载体橡胶材料的剪切弹性模量增大时，谐振峰位置移向高频。载体橡胶材料的剪切损耗因子不会改变谐振频率位置，但较大的损耗因子会改善谐振时的吸声性能[4]。

剪切波在传播过程中能量的衰减主要由载体橡胶材料剪切弹性模量损耗因子决定，在涉水声学橡胶材料中，往往掺入其它材料以形成各种声学界面，纵波碰到这些界面便会发生波形转换，使之转换成剪切波进而增大声能损耗。再者，声腔的几何体表面也可使声波在传播过程中不断进行反射或散射，不断改变传播方向，增大传播路径，这对较高频率的吸收十分有利。同时，渐变过渡型几何体声腔还能够满足阻抗的渐变，使得声波在水与橡胶材料界面上的反射减小，大部分能在材料内部被有效吸收[4]。

复合型声腔的声学性能呈现出不同于单种声腔的既相互融合又相互作用的复杂形态，其吸声系数峰值向低频移动，从而有效拓宽吸声工作频带[5]。

入水深度越大，水对声能的吸收越多，会使声能大大衰减，但相应地声腔被压缩，导致低频下的吸声性能大幅下降。

材料的性能则主要是阻抗与涉水的阻抗匹配或失配关系，以及分子运动情况。材料的损耗因子常被用作评价声吸收的品质因子[6]，分子运动的两个基本要素是运动速度和运动幅度[7]。材料内耗与分子结构的关系是：内耗的阻尼函数值由橡胶分子中各结构基团所决定，源于分子的基本运动，具有分子链特征[8]，属于动态力学性能的损耗峰处于音频范围，遵从量子力学定律[9]。这都与前述的分子链段运动和次级运动描述相一致或者相通，只不过描述的方式和角度以及所用术语有所差别。

近年，四川大学开展了阻尼材料二维动态力学谱分析的研究，据称，借助于该二维动态力学谱的分析，可以证实无定形聚合物（包括非结晶的橡胶材料）在Tg附近存在三种模式的分子运动，为研究无定型橡胶的松弛转变和离析不同模式的分子运动提供了一种新方法。

自由体积理论则可以看作是描述分子运动幅度的理论，自由体积可提供分子运动的空间，应力水平、静压力会影响橡胶材料的自由体积[10]。

涉水橡胶的分子链段运动是一种限制性的受激运动，其激励可以是外界传来的振动和声波，受限则是受静水压力作用下的分子链段赖以进行运动的自由体积孔洞的空间[11]。静水压力对橡胶材料弹性模量影响较大，弹性模量及损耗因子随静压升高分别呈增加、减小的特点[12]。一般情况下，随着静水压力的增大，橡胶的自由体积空间被压缩，声速会缓慢升高，低频吸声性能会显著下降。分子模拟计算结果表明，橡胶的自由体积分数随着体系压力的增大而逐渐变小，分子链的活动能力降低，进而影响材料的能量耗散。通过分子模拟研究，可以用来研究分子微观结构对涉水静压力的敏感性[13]。研究静水压力对橡胶材料自由体积的影响，对于研制涉水耐压橡胶材料具有重要意义[13]

在研究方法方面，一种基于声管测量粘弹性覆盖层反射系数，并采用解析法计算和识别粘弹性介质动态力学参数的方法[14]，一种以测量圆柱空腔覆盖层反射系数为基础、采用解析法反演黏弹性材料动态力学参数的方法[15]，以及一种基于有限元分析的黏弹性材料动态力学参数测量方法[16]，其特点是能够与声学性能测试同步进行，便于黏弹性声学覆盖层的性能预报和优化设计。此外，还研究了一种测量静压条件下阻尼材料黏弹性动态力学参数的数值－解析混合方法，该方法逻辑清晰、测量精度高，原则上对空腔形状并无严格限制，并且测试频率和压力与声学性能及机理研究的范围同步[17]。这些方法为从声学性能到水下材料动态力学性能的反演研究以及打通和建立它们之间的相互联系提供了途径。

4 小结

涉水振动与噪声控制方面有关橡胶的研究，涉及从振动与噪声控制原理出发，附加涉水条件对载体橡胶进行研究，和从橡胶微观结构和分子链段运动与材料的动态力学性能的关系原理出发，对原材料进行研制，附加涉水条件，结合声学结构设计（内部声腔几何结构设计）、有限元模拟、分子模拟等具体理论与技术，到最终性能的测试表征进行研究。是一个复杂的系统工程。本文仅就其中的相关方面进行了论述。

[1]高波.充气轮胎配方设计，第9讲，轮胎胶料的动态力学性质与轮胎的使用性能〔J〕.轮胎工业，1995,15（9）：560.

[2]Thompson CM.Development of nitrile rubber for dynamic damping:AD-A194060〔R〕.Washington:Naval Research Lab,1988.

[3]邵颖.含非均匀介质复合吸声层装结构的反射特性〔D〕.上海:上海交通大学.2007,11.

[4]王育人，缪旭弘，姜恒等.水下吸声机理与吸声材料〔J〕.力学进展，2017,47:92～121.

[5]姚熊亮，计方，李鹏.复合腔型声学覆盖层声学性能研究〔J〕.中国造船，2010,51（4）：84～91.

[6]Cramer W S,Silver I.Acoustical propertics of rubber as a founction of a chemical composion:PB-125050[R].White Oak:Naval Ordance Lab 1951.

[7]倪少儒，余赋生，沈联芳等.高聚物的分子运动幅度和自由体积〔J〕.高分子材料科学与工程，1987（6）：15～20.

[8]王兵，孙社营.分子结构对高分子材料动态力学性能影响的研究进展〔J〕.材料开发与应用，2005,20（3）：42～46.

[9]Chang M C O,Thomas D A,Sperling L H.Group contribution analysis of damping behavior of homopolymer,statistical copolymers,and interpene trating polymer networks based on acrylic,vinyl and styrenic mers〔J〕.Journal of Polymer Science Part B Polymer Physics,1988，26（8）:1627～1640.

[10]罗文波，杨挺青，王霞瑜.高聚物自由体积与温度和应力水平的相关性〔J〕.高分子材料科学与工程，2005,21（3）：11～15.

[11]侯永振，王兵.橡胶微观结构因素对声障板吸声性能的影响〔J〕.材料开发与应用，2017，32（4）：81～88.

[12]陶猛.静水压力下高分子材料黏弹性动力学参数测量〔J〕.振动与冲击，2016,35（6）：59～63.

[13]王兵，任伟伟，王雯菲.静压力下粘弹性阻尼材料自由体积分数的分子模拟研究〔J〕.材料开发与应用，2016，31（6）：1～5.

[14]陶猛,赵阳.基于声管测量的粘弹性介质动态力学参数辨识方法〔J〕.振动与冲击，2014,33（5）：97～101.

[15]陶猛,赵阳.基于反射系数测量的黏弹性材料动态力学参数反演方法〔J〕.振动与冲击，2014,33（17）：85～89.

[16]陶猛.基于有限元法的黏弹性材料动态力学参数测量方法〔J〕.机械工程学报，2015,51（2）：78～83

[17]陶猛，江坤.基于数值－解析法测量静压条件下阻尼材料动态力学参数〔J〕.振动与冲击，2016,35（7）：96～101.

侯永振，正高级工程师，主要从事阻尼与声学橡胶材料及制品、橡胶防腐蚀衬里、胶黏剂与密封腻子等研究。