水声工程用橡胶

就当今橡胶制品的发展状况而言，许多传统的制品开始转向功能化和高性能化，而功能性橡胶制品正是目前橡胶工业中最具时代特征的一类高新技术产品。其中，水声橡胶制品是这方面最具有代表性的例子之一。橡胶是一种重要的水声材料，常用作消声水池的衬里和水声设备(如声纳)的导流罩。近年来，随着弹道导弹核潜艇、大型军舰、超级油船和客货轮的数量越来越多，对水下声音系统及水下噪声控制的要求也越来越高。同时，导流罩、透声窗、障板、反射器、消声覆盖层和体积吸声器的种类也不断增多，促进了水声橡胶制品的发展。下面就水声橡胶制品的发展近况作一综述。

1） 橡胶的水声特性

橡胶有优异的物理、化学性能以及易硫化成型等特点。尤其可贵的是通过选取不同的胶料及配合剂的种类和比例，能够有效地控制其声学特性和其他性能。因此，橡胶在水声工程中是重要的声学材料。在声频及超声频段，橡胶的动态力学行为表现出粘弹性，所以其声速及衰减常数与温度和频率有关，而且受温度的影响较大。一般当温度升高时，声速下降，而衰减常数有升高的趋势；当频率升高时，声速和衰减常数都增加。另外，橡胶声速还随压力的升高而缓慢增加。不同种类的橡胶，其物理、化学性能是不同的。即使是同类橡胶， 也因品种或填充剂的种类、含量、硫化程度不同，其声学特性也有差异。因此， 在水声橡胶制品的设计加工中，要充分考虑这些问题。水声橡胶在水中对声波的传播起着重要作用，它可以消除声的反射，降低噪声，保持声波的传递不失真，避免水下各种噪声的干扰。根据水声橡胶制品的不同作用，可将其分为三类，即水声吸声橡胶制品、水声透声橡胶制品和水声反声橡胶制品。

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2）水声吸声橡胶制品

水声吸声橡胶制品一般指在水声工程中能吸收或耗散声能的橡胶制品。声能入射到制品上，首先要求与水介质的特性阻抗匹配，使声波能无反射地进入吸声系统；其次是制品所用材料要有大的衰减，使入射进来的声能绝大部分被吸收。在结构设计上，通常采用共振式吸声结构或渐变过渡层结构。前者是把带孔的橡胶薄层粘在钢板上，通过改变孔的大小和数量来调整橡胶的有效弹性模量和损耗；而后者则常把橡胶做成尖锥或尖劈状，以实现橡胶声学状态的逐步过渡，达到阻抗匹配的目的。为了提高橡胶的内损耗，一般在配方中加入含大量气泡的填料或填加金属微珠等。水声吸声橡胶在水声工程中的应用很广泛，特别是作为消声水池的吸声覆盖物，大都采用吸声橡胶尖劈结构。当频率较高时，一般采用小尖劈，窄频带用共振式吸声结构，而平行通道型尖壁结构则可满足宽频带要求。在声纳换能器基阵设计中，声学后挡、基阵与导流罩间的声场控制以及阵元之间的隔声去耦等方面，也经常利用吸声橡胶来改善阵的声学性能。此外，在船舶的声纳导流罩内壁、非发射面上需要覆盖一层吸声橡胶，以消除声反射和噪声；在螺旋桨上贴上或填充吸声橡胶，可降低噪声。吸声橡胶还可以用作防探测材料，如果把吸声橡胶覆盖在潜艇、水雷或水下目标的表面，可以对抗敌方声纳的探测。目前，先进的潜艇外面都装有橡胶制成的“消声瓦”，对提高潜艇的隐身性能发挥了重要的作用。多年来国内外对水声吸声橡胶做了许多开发研究。早期，西德 E.Meger 等人用聚异丁烯加上石墨、锯木屑等填料，做成了“发夫尼尔(Fafnir)” 吸声尖劈，以后又加以改进制成衬垫板式橡胶尖劈，利用一长一短中间打孔的尖劈构成平行通道系统。这种吸声结构的吸声效果不错，在 5-70kHz 频率范围内，吸声系数大于 99%。美国古德里奇(Goodrich)公司生产的“苏阿布(SOAB)” 吸声橡胶，是由丁基橡胶加铝粉等材料制成的，做成圆锥形或平行板形尖劈，在 10kHz 到数十 kHz 频率范围内，吸声性能也较好，并将这些材料装入消声水池。另外，日本的横滨橡胶公司也仿制生产 SOAB 吸声橡胶。国内也研究出了适合水面舰艇、潜艇的水声设备用的各种吸声橡胶制品，如 5cm 长的宽带水声吸收器，特别适合于声纳罩的小空间使用。它用至石粉做填料与橡胶混合，形成尖劈群。这种结构吸声性能好，同时也满足宽带特性要求。但是，随着水下深度的增加，性能很快恶化。目前，水声吸声橡胶制品的开发研究向两方面发展，即耐水压和低频。尤其在橡胶的耐水压方面作了不少工作。C. A. Sasin 曾制作了一种锯木-聚氨酯混合材料，密度为1.05×10^3kg/m^3 ，在5kHz 频率时，衰减常数为14dB/m 。当水压加至 14-28MPa 时，衰减为 5.5-9.4dB/m 。声速值约为 1600m/s 左右， 随压力的变化也不大。另外，SOAB 类吸声橡胶，在 70m 水深中就变成透声材料了。因此，迫切需要研究深海中用的耐高压吸声橡胶。美国和日本都进行了不同程度的研究，J. M. McCool和 S. F. Sullivan在潜艇壳体声纳基阵中， 设计了一种吸声复合物，这种复合材料是由许多低原子量的微金属片悬浮在橡胶中制成的，工作深度可达 150m，每个波长的声衰减为 40-80dB。为了提高吸声橡胶的耐压性能；利用刚性结构，填充普通吸声橡胶材料，这也是常用的一种方法。S. F. Sullivan和 J. Whitehouse用铝质蜂窝结构做芯材，蜂窝中填满含铅粉的聚氨酯或含铝粉的橡胶，粘到厚铝板上，表面蒙皮为 0.1mm的不锈钢箔。这种复合材料实质上是由含铝粉的橡胶在低压条件下起吸声作用的。这种结构可以在潜艇上采用，但工艺要求较高。另一方面，日本的奥岛基良等人曾试验将一定数量的钢珠(φ=3mm)放在天然橡胶中，在 1.0MPa压力的水中，测出 10kHz时衰减为 1.5dB/cm。R. W. Higgs和 J. Erikssou制作了铅棉一聚氨酯混合物，含 15%铅棉的聚氨酯，在 32-100kHz范围中，不加水压时，声速为 1000-1500m/s，衰减为 4-8dB/cm；加水压 7-14MPa后，100kHz时的衰减为 7-9dB/cm。

3）水声透声橡胶制品

在水声透声橡胶制品上，声波入射到材料上能够无反射、无损耗地通过， 也就是特性阻抗与水匹配，衰减常数相当小。在水声设备中，透声橡胶常用作水听器的包覆层，例如氯丁橡胶、丁基橡胶和近年来采用的浇注型聚氨酯橡胶。在水声工程中，声纳、鱼雷的导流罩或透窗都需要具有一定结构强度的透声橡胶材料。例如，利用钢丝增强透声橡胶制作大型球鼻艏导流罩；或用玻璃增强塑料及其复合结构制作各种潜艇声纳罩等。在利用这种材料制作导流罩、透声窗时，导流罩在流体作用下将发生弯曲振动，为了减少这种导流罩的自噪声， 选择透声窗材料时，必须兼顾强度要求、透声要求与材料的杨氏模量损耗或剪切损耗性能。一般来说，橡胶、塑料、玻璃钢材料的抗弯曲振动和抑制壳体声辐射的性能比金属好。另外，还有一类透声橡胶可用来制作声透镜。为了满足折射要求，除阻抗匹配衰减极小外，还要求橡胶的声速低于水的声速。例如， 某些含填料的硅橡胶已制作成水声橡胶。在水声透声橡胶制品方面，已做过不少研究。做水听器的包覆层，必须满足透声、水密、粘接性好等诸多条件。以往大多采用氯丁橡胶作为水听器的包覆材料，随着技术的进步与军事需要，高压防水透声橡胶的研究也随之深入发展。美国海军研究所水声标准室与海军应用科学研究所协作，采用丁基橡胶作透声材料。T. A. Henriquez采用丁基橡胶作包覆层制作了一个声频、次声频高压水听器，工作频率为 0.3-20kHz， 能在温度 5-35℃、水压 0-7MPa条件下使用。这种透声橡胶水密性好，比一般的氯丁橡胶基渗水率小 47倍。A. C. Tims和 I. D. Groves也用丁基橡胶做水听器的包覆层，实验表明在 1Hz-200kHz频率范围内，这种透声橡胶在温度5-35℃、水压 0-7MPa条件下，水密、气密性能良好，而且耐蓖麻油。经长期使用考验，透声性能没有什么变化。我国从上世纪六十年代就开始系统地开展透声橡胶的研究，特别是研究了透声橡胶在换能器中的应用。经多年的努力， 已研制出多种具有不同特点的透声橡胶，如天津橡胶工业研究所、中国船舶工业总公司715研究所和中国科学院声学研究所共同研制的T-801-T-808八种透声橡胶，可以满足各种换能器不同使用条件下的技术性能要求。当前，随着核动力潜艇深潜能力的加强和海洋开发的需要，研究的重点在深水(数千米) 换能器的透声材料上。据报道，美国海军曾试制过一种透声橡胶，用在鱼雷被动式声制导系统中，这种材料除具有透声性能外，还具有爆炸性，可以增强鱼雷的爆炸能力，因为橡胶中含有 15-85%高能量增塑剂，0-20%的惰性增塑剂， 10-50%的硝化纤维塑料溶合物。舰艇上的导流罩有用纤维增强透声橡胶的， 如美国海军的,AN/SQS-26声纳导流罩，长 16m，壁厚约 25mm，橡胶用钢丝加强，故重达 70吨。固体透声橡胶材料已为人们所熟知，近十多年来又发展了液体橡胶。譬如，若以丙三醇作固化剂与液体聚氨酯橡胶混合可制成液体醇固化聚氨酯橡胶，这种透声橡胶的工艺特点与声学性能，可以满足换能器对透声水密材料的要求，对换能器的灵敏度和方向性没有不利的影响。是一种良好的透声材料，可以用作换能器的灌注密封。XM-15液体聚硫橡胶和 RTV-560室温硫化硅橡胶都可用作换能器的透声、密封材料，国内已有人将其用于深水水听器。

4）水声反声橡胶制品

为了避免水下各种噪声(包括一切不需要的信号)的干扰，在水声设备上应采用反声橡胶。理想的反声橡胶应当使入射声波 100%地被反射回去。实际上， 首先应当使材料的特性阻抗与水的特性阻抗严重失配；其次要求橡胶的衰减常数小，使入射声波绝大部分被反射。这种橡胶在水声工程中多用作声纳反射罩以及换能器基阵的反声后挡等。在水面舰艇声纳中，常用泡沫橡胶作为反声材料。但是，由于要求在潜艇声纳或其他深水水声设备中的材料能够耐高静水压，故日本和德国都研究以硬质开孔聚氨酯泡沫塑料为芯材，在 120℃温度下浇注一层聚氨酯橡胶防护层做成的复合结构，这种结构可以耐很高的压力，国内也有类似的报道，将密度为 200kg/m^3的聚氨酯硬质泡沫，经过预压处理后， 再用浇注法聚氨酯弹性体整体包覆泡沫，形成防水橡胶层，即可制成“耐压” 和“反声”性能兼优的声障板，它在水深 300m以内、工作频率 2-4kHz下，声压反射系数 R>180%。将其装配在潜艇和声纳站等场所使用的大型声纳基阵外围，能有效地隔除噪音，提高信噪比。软木橡胶是人们尽知的水声去耦材料， 国外称柯普林(Corprene)，用于换能器装置已三十来年。由于此类材料的声阻抗较低，有时也可用作水声反声材料使用。它与不锈钢板结合在一起制作性能良好的水声反射罩。

5）结语

综上所述可知，水声橡胶制品是一类与普通橡胶制品不同的高技术产品。普通的橡胶制品大多只需一般的物理机械性能，而水声橡胶制品除了对物理机械性能的要求之外，还需考虑橡胶配方设计和声学结构，才能确保产品符合使用要求。此外，水声橡胶制品包括丰富的内容，除了吸声、透声和反声之外， 有时还涉及消声、去耦和隔声等概念。特别是由于核潜艇的不断发展及其他海洋开发的需求增大，水声工程用橡胶制品也将获得更大发展。

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