带圆柱通道橡胶复合结构的隔声性能研究

罗马奇 汲长远 赵双 吴友亮 姜长征 陈国锋

（第七一五研究所，杭州，310023）

为有效屏蔽背向散射/反射声场，降低艇壳振动向外传递的辐射噪声，可通过在接收基阵阵元背面安装隔声障板，在耐压壳体外表面、非耐压壳体内表面敷设隔声材料，借助阻抗失配阻断噪声的传播。具有一定抗压能力的隔声材料主要有两大类，一类含空气腔金属构件[1,2]，另一类是经预压缩的发泡材料或含空气腔的橡胶复合材料[1,3,4]。本文研究含有多层带圆柱通道的橡胶复合结构的隔声性能，对不同橡胶复合结构的隔声量进行了估算，并通过试验进行了验证。

1 隔声性能估算方法

多层带圆柱通道的橡胶复合结构的隔声性能可通过隔声量TL来表征：

式中，t为声压透射系数。

声波垂直入射复合结构时的声压透射系数，可以通过多层介质中声波传递特性进行推导。如图1所示，当声波pi从水中垂直入射到多层介质（设有n层无限大均匀介质层）时，由于水与介质以及相邻介质之间特性阻抗ρc不一样，会在分界面上产生反射波pr和透射波pt，经多次的反射和透射后，有一部分声波pt(n+1)透过多层介质进入其背面水中。则声波透过多层介质的声压透射系数t可表示为

图1 多层介质中声传播示意图

通过声学边界条件（在各分界面处声压连续及法向质点速度连续）可推导出声波透过任意多层介质的声压透射系数[5]。首先需获得复合结构各层介质的特性阻抗ρc，其中金属板的密度和声速可以直接查水声材料手册得到[6]。而对于带通道的橡胶层，为了简化问题，我们用圆柱代替棱柱，如图2所示。此时，圆柱横截面面积认为等于初始六面棱柱的横截面面积，其等效密度ρe为

图2 带圆柱通道的橡胶层结构示意图

式中，ρ0为实体橡胶的密度，ε2=a2b2为穿孔系数。

采用静态近似分析方法[6]可求得橡胶层等效弹性模量Ee为

式中，μ为实体橡胶的剪切模量。则带圆柱通道的橡胶层等效声速ce为

在高静水压下，带圆柱通道的橡胶层会产生形变，根据复合结构的不同，会产生不同的形变。一种是多层橡胶层之间采用软质的弹性体，被压缩时，橡胶层的圆柱通道形状不变，如图3所示，沿z轴的相对形变δ在管的所有截面上沿高度方向都是一样。

图3 软质材料封端橡胶通道形变示意图

图4 硬质材料封端橡胶通道形变示意图

采用硬质材料封端，橡胶硬度60（邵氏A），厚度h=12 mm，不同穿孔系数ε的圆柱通道橡胶层在高静水压力P下相对形变δ的变化曲线如图5所示。从图中可以看出，在相同静水压力下，穿孔系数ε越大形变也越大。若穿孔系数ε保持不变（ε= 0.35），不同厚度h的橡胶层在高静水压力P下相对形变δ的变化曲线如图6所示。

图5 不同穿孔系数ε橡胶层（h=12 mm）相对形变δ随静水压力P的变化

图6 不同厚度h橡胶层（ε=0.35）相对形变δ随静水压力P的变化

2 隔声性能的估算及分析

对多层圆柱通道橡胶层复合结构进行隔声性能估算时，复合结构的两个端面、以及橡胶层之间都使用钢板，橡胶硬度60（邵氏A）、密度ρ=1250 kg/m3、剪切模量μ=6.0×106（1+j0.4）Pa。

2.1 橡胶层穿孔系数对隔声性能的影响

采用厚度h=12 mm、不同穿孔系数ε的圆柱通道橡胶层，2层橡胶复合结构在常压和1 MPa静水压力下隔声性能的估算结果如图7和图8所示。从图中可以看出，橡胶层穿孔系数ε大的复合结构的隔声性能相对较好，整个频段内都随穿孔系数ε的增大而递增。

图7 常压下的隔声性能

图8 1 MPa静水压力下的隔声性能

2.2 橡胶层厚度对隔声性能的影响

采用穿孔系数ε=0.35、厚度h分别取6 mm和12 mm的圆柱通道橡胶层，当复合材料的总高度保持一致时（h=6 mm的橡胶层4层，h=12 mm的橡胶层2层），两种复合结构在常压和1 MPa静水压力下隔声性能的估算结果如图9和图10所示。从图中可以看出，单层橡胶厚度大的复合结构的隔声性能相对较好。

图9 常压下的隔声性能

图10 1 MPa静水压力下的隔声性能

2.3 复合结构隔声性能随静水压力的变化

采用穿孔系数ε=0.3、厚度h=12 mm的圆柱通道橡胶层，6层橡胶复合结构的隔声性能随静水压力变化的估算结果如图11所示。从图中可以看出，该复合结构的隔声性能对静水压力较为敏感，随着静水压力升高隔声量下降明显，但还是具备一定的抗压性。结合图7～11所示，为使工作水深内保持一定的隔声量，可通过调节单层橡胶的穿孔系数和厚度以及复合结构橡胶层的层数来实现。

图11 隔声性能随静水压力的变化

3 试验及分析

在上述理论估算的基础上，实际制作了试样进行隔声性能测试，如图12所示。该试样含6层带圆柱通道的橡胶层（穿孔系数ε=0.3，厚度h=12 mm），橡胶层之间及试样的两个端面采用金属板与之硫化粘接成一体。

图12 6层通道橡胶复合结构试样

为测量试样在不同静水压力下低频的隔声性能，采用了行波管测量方法和装置[8]，行波管如图13所示，被测试样置于行波管的中间。行波管密封后加压至设定的静水压力，通过一维消声算法，不断地调节主次发射器发射信号的幅度比和相位差，直到声管上半部分形成行波场，即样品透射声波单向传播。应用双水听器的传递函数测得样品的声压透射系数t，再由公式（1）算得样品的隔声量TL。

图13 行波管示意图

100 Hz～4 kHz频率范围内，试样在不同静水压力下隔声性能的测量结果如图14所示（点为测量值，实线为理论值）。从图中可以看出，试样在较低静水压力下具有良好隔声性能，不同静水压力下的测量值与理论估算值吻合的较好。测量值在某些频率点处有较大的跳跃，可能是试样支架、试样和管壁的缝隙等在一定程度上给试样测量带来较大的不确定性[8]，常压下测量结果的跳跃还可能与试样周围存在气泡有关。

图14 试样隔声性能测量值和理论估算曲线（点为测量值，实线为理论值）

4 结论

通过隔声性能的理论估算和分析，并与实测值进行比较，我们可以得出以下结论：

（1）隔声性能的估算结果与实测值吻合较好，在采用该类复合结构作为隔声材料构件时，可事先通过静态近似分析方法来估算是否能够满足使用要求，这将有助于节省研制成本。

（2）为提高复合结构的隔声量，可通过调节单层橡胶的穿孔系数和厚度、以及增加复合结构橡胶层的层数来实现。

另外，本文在估算复合结构的隔声性能时，并未考虑橡胶材料本身的密度、弹性模量（包括损耗系数）的变化所带来的影响，在实际研制和运用过程中应给予考虑和重视。