水声管高压密封性能试验研究∗

付宜风 彭一明

（江苏大学汽车与交通工程学院 江苏镇江 212013）

水声材料是提高水下舰艇隐身性和生存能力的重要保障。由于水声材料长时间服役于海洋环境下，腐蚀、高压、海洋附着物等恶劣环境的耦合作用对水声材料提出了更高的要求，尤其深海化对水下声学测试方面提出了严峻的挑战。目前水声材料主要通过水声管、压力罐、消声水池或自由场法进行测试，其中水声管适用于小样品测量、操作方便、性价比高，得到了更广泛的运用［1］。水声材料目前常用的测量方法有基于水声管的传递函数法和声脉冲法，基本原理都是在一个刚性管内生成一维平面波，通过测试样品在垂直入射情况下的复数反射系数和透射系数来计算材料的吸声系数［2］。目前，绝大部分水声管的研究都只关注于常压下的水声材料测试、水声管设计和新的测试方法，而关于高压水声管的研究较少［3－4］。空气声管也是成熟的测试设备，但也几乎不关注高压测试［5］。

事实上，随着舰艇在海洋中深度的增加，水压不断增大。潜艇通常的工作深度会达到300 m 以上，对应的水压为3 MPa［6］。水声管要模拟深海的测试环境，必须进行高压密封设计。水声管的密封连接主要存在于水听器的安装部位和上下端法兰接口，尤其是水听器的安装部位。在测试过程中水听器需要经常拆装，因此需要兼顾密封的牢固和长久性，以及拆装的便捷性。O 形环是一种普遍使用的密封装置［7］，然而传统水声管中的水听器采用O 形环进行密封，在高压下很难保证密封性，会出现漏水和泄压的情况［8］。关于上下端法兰的密封，部分声管设备中的压力封头采用了伍德式封头和密封胶圈。然而这种设计在长时间挤压后很容易导致密封性下降，甚至出现漏水的现象［9］。

目前关于水声管设计和新测试方法的文献很多，但很少提及高压密封问题。因此，有必要针对高压水声管的高压密封进行了设计，并进行密封性能检测试验研究［10］。本文作者针对管壁水听器的安装密封采用了套管密封设计，针对水声管顶端样品安装段和底端水下换能器段法兰的密封采用了O 形环的设计方法，并通过试验验证了在3.15 MPa 压力作用下水声管体的密封性，以及在1.5 MPa 下的水声测试性能。

1 试验装置设计

为了实现水下声学测试和高压环境模拟，水声管包括管体系统、加压系统、水下声源系统、测试系统和辅助系统，其中管体系统包含高压密封设计。水声管设计原理如图1 所示［11］。

1.1 管体设计

阻抗管通常为不锈钢管，应为直的且截面均匀（直径或交叉尺寸在±0.2%以内），并具有刚性、光滑、无孔的壁，在测试段无孔或缝（水听器位置除外）；壁厚应足够大，使其不受声音信号激励振动，在工作频率范围内无振动共振。对于含有空气的金属壁，对于圆形管［2］，建议厚度约为直径的5%；对于含水的金属壁，需要增加厚度。根据相关文献［12］和GB／T 14369—2011［1］的建议，厚度与内半径之比不小于1。对于文中的设计，内径为120 mm，所以厚度不小于60 mm，故外径选为250 mm。由此可以确定声管测试的上截止频率fu：

式中：cw是水中的声速；a是内部半径。

计算可得上截止频率约为7 000 Hz。

管体的长度由下截止频率fl决定。对于传递函数法，fl受到信号处理设备精度的限制，并避免非平面波传播的发生，使声源与样品之间形成平面波，并且水听器测量点应在平面波场中。对于脉冲法，声管必须足够长，以容纳测量所需的驻波的那一部分，即它的长度必须包含至少1 个和2 个更可取的声压最小值。为保证管内至少能观察到2 个极小值，其长度应满足式（2）。

式中：l是管的长度；d是管的内部直径。

文中研究参照文献［6，13－14］，下截止频率选为1 000 Hz，计算得出管的长度为1.2 m。

1.2 高压密封设计

管体上需要安装2 个水听器作为传感器，上端需要安装一个试样夹具，下端需要安装一个水下换能器作为声源，结构如图2 所示。设计的试验压力范围为0～2 MPa，保压时间为1 h，因此这些安装部件需要进行高压密封设计。

水听器的安装密封设计如图3 所示，水听器的安装和密封由封固管和套管组成。水听器的外圈本身包括了一个密封环，通过与封固管的配合可以保证这两者间的密封；然后通过套管与封固管之间的配合，将水听器安装到水声管管壁上；套管有锁紧设置，通过上紧螺纹可以将封固管和套管之间的缝隙完全消除。与简单的O 形环密封相比，该设计方案不存在泄压和漏水的隐患，并且具有安装和拆卸方便快捷的优点。

图3 水听器管壁安装及套管密封示意Fig.3 Sketch of hydrophone mounting and tube sealing

水声管底部和顶部的法兰有大面积的接触，可以通过O 形环进行密封。为满足设计压力的要求，根据标准选定O 形圈内径为133.35 mm，外径为146.05 mm。对应的密封槽压盖深度为5.74 mm，槽宽为9.65 mm。现场试验带O 形环的法兰如图4 所示。

图4 底部法兰的O 形环密封Fig.4 O－ring sealing of bottom flange

1.3 其他子系统设计

静水压可使用电动泵或手动泵产生，为便于控制，文中测试平台使用了手动试压泵。连接管路要能平衡样品上、下静水压，否则会变动样品位置状态，妨碍测试结果。为便于控制必须配以若干截止阀。

文中研制的水声管要求有宽的频率范围，为达到设计要求，需要选取合适的水下声源系统。为了产生声源信号，需要信号发生器、水下换能器及功率放大器。文中利用MATLAB 编程以实现信号的输入。

声管内的声压是测试平台要测量的物理量，所使用的传感器为水听器。将水听器接收到的声压信号转化成电信号，通过电缆输入采集系统，经计算机采集并分析处理。测量系统包括计算机、数据采集卡、水听器、放大器、信号源、供电源。

为了实现水声管的所有功能，还需要其他的辅助系统，比如操作台架、供水和排水设施等。声管内使用的水为净化后的超纯水，以减少水中微气泡对测试结果的影响，同时减少由于使用自来水引起的水垢沉淀物，并减少由于经常换水引起的气泡。

2 试验装置的应用

2.1 试验方案

搭建的试验装置如图5 所示。为了验证其高压密封性能，设计了静水压力测试和高压水声测试。静水压力测试选取3 种压力，分别为3.15、2.1、1.5 MPa。其中2.1 MPa 是设计的最大工作压力；3.15 MPa 是1.5 倍的最大工作压力，作为测试的最大压力；1.5 MPa 是水下换能器可以承受的最大压力，即为水声管的实际最大工作压力。首先通过手动加压泵将水声管内部注满超净水，等待24 h 消除注水过程中混入的气泡后，开始静水压力试验。样品背衬为空气软背衬，高压下水压缩量很小几乎可以忽略，不影响背衬条件。将水声管的内部压力增大到3.15 MPa，每隔10 min 记录一次压力值，试验时间为1 h。因为水下吸声材料的测试操作基本可以在1 h 之内完成，所以选取1 h 的静水压力测试完全可以满足真实的测试需求。试验过程中观察水声管的整体状况，尤其关注各个密封接缝处是否存在漏水的情况。此后，进行静水压力为2.1、1.5 MPa 的测试，按照同样的操作步骤，并记录下测试结果。

图5 水声管现场试验装置Fig.5 Testing device of water－filled impedance tube

高压水声测试对象为实验室自制的纳米复合材料样品，直径为120 mm。该材料在常压下具有良好的吸声性能，因此文中测试了该样品在0、1.5 MPa 下的吸声性能变化，测试频率范围为1 500～7 000 Hz。测试的方法为传递函数法，在声管中选取2 个点，获取对应位置处声压，就可以计算得到传递函数和反射系数r。样品的吸声系数α为

2.2 试验结果及分析

静水压力测试结果如图6 所示，3 次不同静水压力的测试中水声管压力均保持稳定，没有出现明显的压力下降。当测试压力为1.5 MPa 时，只在试验时间20 min 处出现了一次0.01 MPa 的压力下降；当测试静水压力为3.15 MPa 时，在试验时间10、30 min 处分别出现了0.01 MPa 的压力下降，其他时间压力都保持不变；当测试压力为2.1 MPa 时，在试验时间10、40 min 处出现在了0.01 MPa 的压力下降。也就是说在高压力下更容易出现压降，但整个压力测试过程中，各个接口缝隙没有出现漏水的情况。根据相关文献，达到试验压力后稳压15 min，压力下降不超过0.03 MPa 时，压力降试验合格［15］，由此可得文中水声管满足高压水声测试的要求。造成静水压力稍微下降的原因可能是部分溶解未析出的微气泡在高压下析出，以及管内部分缝隙在高压下渗入了少量的水。水听器和顶端的法兰在反复拆装后，仍能保持同样良好的密封效果。

图6 不同测试水压下的静水压力变化Fig.6 Variation of hydrostatic pressure at different test pressures

自制和水下吸声材料测试结果如图7 所示。该材料在高压下有着良好的吸声性能，只在1 500～1 800 Hz 低频段的吸声系数低于0.8，在4 500～7 000 Hz 高频段的吸声系数都高于0.9，整体的平均吸声系数也接近0.9。当处于1.5 MPa 的静水压力下时，该水声管可以测得稳定准确的水下吸声系数，证明高压下该水声管内压力平稳，内部的声场也很稳定，完全满足水下声学的测试要求。与常压下的水下吸声系数相比，高压下样品的吸声性能出现了明显的下降，最低吸声系数降为0.40，显著低于常压下的最低吸声系数0.76；甚至最高吸声系数也仅为0.68，低于常压下的最低吸声系数。高压下的平均吸声系数降为0.53，与常压下的平均吸声系数0.9 相比差距明显。该测试结果也从侧面证明了高压对水下吸声材料有着明显的影响［16］。因此，水下吸声材料的设计必须考虑高压的影响，也必须进行高压水下吸声性能的测试。

3 结论

研制一种高压水声管的密封装置，其中水听器通过封固管和套管的配合实现密封的功能，上下端法兰通过O 形环进行密封，通过试验证明了设计的密封装置的可行性。静水高压试验表明，水声管在3.15 MPa 下可保持良好的密封性能，没有漏水的情况，压力也可以长时间保持稳定。高压水声测试表明，水下吸声材料的平均吸声系数由常压下的0.9 下降到1.5 MPa 下的0.53，符合实验规律，进一步表明水声管可以满足高压水下吸声材料的测试。该装置为高压水声管的密封设计与改良提供了试验依据，并为评价水声管的密封性能提供了试验手段。