水下吸声覆盖层结构及吸声机理研究进展
橡胶水下吸声材料的研究进展
吸声 材 料 是一 种 结 构功 能 一体 化 材料 ，在 噪 声 问题 Ｅｔ益严 重 的当今 社会 ，吸声 材 料 已经 逐 渐 成 为 一 个 新 的研 究 热 点 …。 与 其 他 类 型 吸 声 材 料 相 比，橡 胶 材 料对 声 波 的吸 收 和损 耗 均 比较 出 色 。水 下 吸声材 料是 军事 领域水 下 目标 隐身技 术 发展 的基础 ，工 作环 境较 为特殊 ，高分 子材料 是 制 备水 下 吸声 材 料 的较好 选 择 。 目前 使 用 的水 下 吸声 材 料 以橡 胶 和 聚氨 酯 类 吸声 材料 为 主 ，其 中 橡胶 吸声 材料在各 种潜艇 中均有广泛应用 。
传 播周 期 不 是 同步 进 行 的 ，其 相位 落 后 了数 个 周
期 ，造 成声能 在介质 中的损耗 。
以气体 分子为例 ，分子 弛豫吸收公 式为
０９
‘
（Ｃ —Ｃ ）∞ｒ
，、
丽 ５）
表 １ 常 用 橡胶 的声 学 性能
（３）分 子弛豫 吸收 。声 波在介 质 中传 播 时 ，分 子 动 能 增 大 ，分子 问相 互碰 撞 达 到新 的热 平衡 。 分子 运 动主要 有分 子平 动 、转动 和振 动 ，分 子平 动 和 转 动 均可 瞬 间调 整 ，而分 子 振动 调 整则 需 要 一 定 的时 间 和能 量 ，因 此介 质 的分子 振 动 与声 波 的
≈
（１）
ｙ＝ ＋
（２）
式 中， 是 介质 粘 滞 吸收 系数 ； 是 声 波频 率 ；Ｃｏ
水声吸声高分子材料的研究进展
水声吸声材料 underwater acoustic absorption material
定义：特性声阻抗与水的特性声阻抗相匹配，在 水中能使入射的声波极少反射，而将声能大部分 转变成其他形式能量的材料。
高分子材料的吸声机理
声能的损耗主要是由粘滞性内摩擦，弛豫作用和 热传导造成的。 高分子粘弹性材料同时具备弹性固体和粘性流体 的特性，声波在其中传播时，由于粘滞性作用产 生内摩擦力使部分声能转变为热能而损耗，即高 分子介质的粘滞性吸收，这是均匀介质中声波衰 减的主要原因之一。
吸声材料的要求
• 材料的特性声阻抗与水的特性声阻抗要匹配（使 声波能无反射地进入材料内部） • 有大的声衰减性能（使入射进来的声能绝大部分 被吸收） • 透水性、耐候性、与金属的粘结强度等
一般内耗大、阻尼性能好的粘弹性高分子材料适宜 作水声吸声材料。
常用的吸声材料
橡胶类 • 特性阻抗和水接近。满足阻抗匹配的要求， 可以改变填料和组分进行调节； • 具有较大内耗，能有效吸收声能; • 具有优异的物理化学性能，适于在海水环境下长 期使用; • 且具有良好的加工特性，容易硫化成型。 均匀橡胶材料的低频吸声效果不尽理想，需要引 入声学结构进行谐振吸声处理。
• 弹性体泡沫和凹状空腔的蜂窝结构均可产生负泊 松比，具有负泊松比(NPR)的材料具有非同寻常 的声学性能。
水声吸声材料的应用
1. 在船舶的声纳导流罩内壁的非反射面上需要涂 覆一层吸声材料以消除声反射和噪音 2.在军事领域，水声吸声材料被用作声隐身材料， 将水声吸声材料材料涂覆与水下航行体表面可降 低其目标特性，对抗敌方的声纳探测。
பைடு நூலகம் 压电复合材料 压电复合材料是由压电颗粒(如：锫钛酸铅PZT、锆 钛酸镧铅PLDZT等)、导电颗粒(如：碳黑、金属粉末 等)和聚合物基体一起混合得到的复合材料，通常具 备减振吸声的功能。
水下覆盖层结构的声学特性分析
１０ ０ ） ５ ０ １
要 ：根据波 动理论应用分层分 析的方法得到 了不 同人射角度 、 同背衬情况 时声 波在水下覆盖层 结构 中 不
的吸声 、 反射系数以及透射损失等 ， 并数值计 算了不同人射角度 下三种 背衬条件 下的透射 损失 ， 分析表 明 ： 波垂 声
直 入 射 时透 射 损 失 性 能 最 差 ； 背 衬 时 水 下 覆 盖 层 结 构 的透 射 损 失 低 频 时 很 小 ， 高 频 时 急 剧 增 加 ； 壳 背 衬 低 频 水 中 单
水下覆 盖层 结构 的声 学特 性分 析
பைடு நூலகம்
文章编号 ：０ ６１５ （０ ０ ０ － ０ －５ １０ —３ ５ ２ １ ）４０ １０ ０
水 下 覆 盖 层 结 构 的 声 学 特 性 分 析
姚 熊亮 ，王 献 忠 ，庞 福 振 ，孙 龙 泉
（ 尔滨工程 大 学 船舶 工 程 学院 ， 尔滨 哈 哈
中图分类号 ： ６４７ ｕ ７ ．６
文献标识码：Ａ
Ｄ Ｉ 码 ：０ ３ ６ ／．ｓｎ １０ Ｏ编 １ ． ９ ９ ｊｉ ．０ ６—１５ ．０ ０ ０ ．０ ｓ ３ ５ ２ １ ．４ ０ １
Ｓ ｕ ｙ ｏ ｏ ｔｃ Ｃｈａ ａ ｔｒｓｉｓｏ ｔ ｄ ｎ Ａｃ ｕｓｉ ｒ ｃｅ ｉｔｃ ｆＵｎｄ ｒ ｔ ｒ Ｃｏ ｔｎ ｔ ｕ ｔ ｒ ｅ ｗａ ｅ ａ ｉ ｇ Ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ
Ｙ Ａ０ ｏ ｇ— ｉ ｎ Ｘｉｎ Ｌ ａ ｇ， ＷＡＮＧ Ｘｉ ｎ ｚ ｏ ｇ， ＰＡＮＧ —ｈ ｎ， ＳＵＮ ａ －ｈ ｎ Ｆｕ ｚ ｅ
・ｕ ｎ ｑａ
（ ａｂｎＥ ｇｎｅ ｎ ｎｖｒｉ ， ａｂｎ１ ０ ０ ，Ｃ ｉａ Ｈ ｒｉ ｎ ｉｅｒ ｇＵ ｉ ｓｙ ｒｉ ５ ０ １ ｈｎ ） ｉ ｅ ｔ Ｈ
高分子水声吸声材料的研究进展
质点运动速度不同 ， 由相对运 动而产 生 内摩擦 ， 可 以使相 这
当一 部 分 声 能 转 化 为 热 能 而 引 起 声 波 衰 减 ；２ 材 料 的 弹 性 （） 弛 豫 过 程 吸 声 ， 波 进 入 材 料 后 使 材 料 中 的分 子 由球 形 变 为 声 椭 圆形 ， 分 子 链 本 身 并 无 变 化 ， 种 变 形 有 明显 的 弹 性 滞 而 这
潜艇 的最 大 特 点 就 在 于 它 具 有 良好 的 隐 蔽 性 和 突 发 攻 击 能 力 ， 低 潜 艇 的 声 目标 特 性 可 以缩 短 敌 方 发 现 我 舰 的 距 降
腔或添加气泡性填料 等方式来 提高其 吸声性 能。常用 的复
合 吸 声 结 构 有 以下 ５种 。
２ １ 共 振 式 吸 声 结构 ．
究 现 状 ， 对 未 来 的发 展 趋 势 进 行 了展 望 。 并 １ 高 分 子 水 声 吸 声 材 料 的吸 声 机 理
波的频率与空腔的 固有频率接近时 ， 波在 空腔内就会 发生 声
共 振 ， 腔体 材料 产 生 较 大 的变 形 ， 声 能 转 换 为 热 能 。 使 使 Ｓ Ｉａｓｏ 认 为 有 孔 腔 的薄 橡 胶 层 可 以改 变 普 通 入 射 ．ｖｎｓｎ
导 出 了微 穿 孔 板 吸 声 材 料 的 吸声 方 程 。结 果 表 明 ， 的 共 振 板
能 。与其它吸声材 料相 比， 高分子 材料 更容易 通过 发泡 、 模 压和挤出等方法加工成型。而且高分子材料密度较小 ， 其特
性 声 阻 抗 和 海 水 的 特 性 声 阻 抗 比较 接 近 ， 者 容 易 实 现 匹 二 配 。因 此 高 分 子 材 料 经 常 用 作 水 声 吸 声 材 料 。 水 声 吸 声 材 料 的 吸 声 机 理 有 ３种 Ｊ（ ） 料 的粘 性 内 ：１ 材 摩 擦 吸 声 ， 称 为阻 尼 损 耗 ， 指 声 波 进 入 材 料 后 引 起 相 邻 也 是
中科院力学所科技成果——先进水下吸声阻尼材料-声子玻璃复合材料
中科院力学所科技成果——先进水下吸声阻尼材料-声子玻璃复合材料技术介绍及特点水下吸声阻尼材料是具有吸收声波、降低目标声特征信号、使水下潜器难以被发现和识别的功能材料。
随着声科学与技术的发展和各学科的相互融合，水下吸声阻尼材料器件的应用也越来越广泛，在军用技术中有着极其重要的地位和迫切的需要。
由于高机动性和隐蔽性，水下航行器成为当代军事技术中最具威慑力的水下武器装备之一。
隐蔽能力是水下航行器的最重要性能，它对水下航行器的战技性能有着直接的、重要的影响。
电磁场、声场、地磁场、水压力场等特征信号通常都可能使水下航行器暴露，但由于各种因素的限制，使声场成为最主要的目标特征。
因此，水下航行器的隐蔽性主要归结为声隐身能力，它是提高水下航行器生存能力和战斗力的最有效手段。
研究表明，水下航行器的声辐射每降低6dB-10dB，敌方声呐作用距离将会降低50%，己方声呐的作用距离可以提高一倍。
水下吸声阻尼材料不仅能够降低水下航行器目标强度，又可以抑制其辐射噪声，还可以用于降低声呐平台自噪声的综合技术，在水下航行器声隐身中有着广泛的应用。
一方面它可以在宽频范围内对声波进行有效吸收，降低声呐回波和声目标特性，从而缩短敌方主动声呐的探测距离；另一方面利用材料自身的阻尼和隔声作用，减少自噪声向外辐射，实现水下航行器安静化。
开发性能优异的新型水下吸声阻尼材料对我国海军装备发展和国防军工建设有着重要的现实意义。
相比较于传统的橡胶一类高分子材料，声子玻璃复合材料不仅具备优异的水下吸声性能，同时也具备了良好的力学特性，其综合性能先进性具体如下：轻质：声子玻璃复合材料是由开孔泡沫铝材料与聚氨酯复合而成的，材料整体密度约为1.4g/cm3，当设计为水下吸声阻尼元器件时，其密度可优化至1.1g/cm3，该密度远低于现有水声阻尼材料。
宽频强吸声性能：声子玻璃复合材料在常压下500Hz-10kHz内吸声系数大于0.8，远宽于传统的水下吸声材料的吸声频带，可以覆盖现有声呐的吸声频段，实现无泄漏吸声。
水下吸声材料的研究进展[1]
![水下吸声材料的研究进展[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/493c08630b1c59eef8c7b417.png)
水下吸声材料的研究进展／石云霞等·４９·水下吸声材料的研究进展。
石云霞１’２，奚正平２，汤慧萍２，朱纪磊２，王建永２，敖庆波２（１西安建筑科技大学材料科学与工程学院，西安７１００５５；２西北有色金属研究院金属多孔材料国家重点实验室，西安７１００１６）摘要概述了水下吸声机理，综述了常用的吸声材料和吸声结构以及国内外水下吸声材料的研究和应用现状。
归纳出水下吸声材料的３个发展方向，即理论计算指导材料设计、提高材料低频吸声性能和增加频宽及提高材料耐水压和耐蚀性。
指出具有高强度、高耐热性、高耐蚀性和良好吸声效果的金属多孔材料，特别是夹心复合吸声结构具有良好的发展前景。
关键词水声材料消声瓦吸声机理橡胶ＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＳｏｕｎｄ—ａｂｓｏｒｂｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓＳＨＩＹｕｎｘｉａｌ～，ＸＩＺｈｅｎｇｐｉｎｇｚ，ＴＡＮＧＨｕｉｐｉｎｇｚ，ＺＨＵＪｉｌｅｉ２，ＷＡＮＧＪｉａｎｙｏｎ９２，ＡＯＱｉｎｇｂｏｚ（１ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｌｌ７１００５５；２ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰｏｒｏｕｓＭｅｔａｌｓＭａｔｅｒｉａｌｓ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＩｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏｒＮｏｎ－ｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈ，Ｘｉ’ａｎ７１００１６）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅａｃｏｕｓｔｉｃａｂｓｏｒｂｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｓｏｕｎｄａｂｓｏｒｂｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆ１．ｉｎ—ｄｅｒｗａｔｅｒｓｏｕｎｄａｂｓｏｒｂｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓａｉｍｓａｔｔｈｒｅｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ：ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｇｕｉｄｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓｄｅｓｉｇｎ，ｈｉｇｈｅｒｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｏｕｎｄａｂｓｏｒｂｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｗｉｄｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｂａｎｄ，ｈｉｇｈｅｒｗａｔｅｒ－ｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．Ｐｏｒｏｕｓｍｅｔａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｓａｎｄｗｉｃｈｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｈｅａｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓ－ｔａｎｃｅｗｅｌｌｎｉｃｅｓｏｕｎｄａｂｓｏｒｂｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗｉｌｌｈａｖｅｅｘｔｅｎｓｉｖｅｐｒｏｓｐｅｃｔ，Ｋｅｙｗｏｎｋｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｓｏｕｎｄａｂｓｏｒｂｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｓｉｌｅｎｔｔｉｌｅ，ａｃｏｕｓｔｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｒｕｂｂｅｒ０引言１水下吸声材料的吸声机理随着声纳探测技术的不断发展和探测能力的不断提高，作为海军常规战略武器装备的潜艇，其隐蔽性受到严重的挑战。
水声声管测试中背衬对吸声结构性能的影响
水声声管测试中背衬对吸声结构性能的影响水声声管是一种主要用于海洋声学领域中的声纳接收器。
在水下接收声波信号时，声管需要具有良好的吸声效果，以消除水下环境中的噪声干扰，并提高信噪比。
而吸声结构则是提高水声声管吸声效果的主要手段之一。
本文旨在探究背衬对吸声结构性能的影响。
背衬是指吸声结构的网格支撑材料，可以是聚酯纤维、玻璃纤维、泡沫塑料等材料。
背衬的选择会直接影响吸声结构的吸声效果和结构稳定性。
一般来说，随着背衬厚度的增加，吸声效果会提高，但不同材料的吸声效果和稳定性也有所不同。
为了探究背衬对吸声效果的影响，本文进行了一系列实验测试。
首先，选择了常用的两种吸声结构材料——聚酯纤维吸音棉和泡沫塑料作为样品，分别使用不同厚度的背衬材料进行对比测试。
测试中使用了标准的回声室测试方法，将吸声结构样品放置在回声室中进行测试，记录各个频率点的吸声系数。
实验结果显示，随着背衬厚度的增加，各个频率点的吸声系数均有所提高，但增长速度不同。
聚酯纤维吸音棉的吸声效果提升明显，而泡沫塑料的吸声效果提升较小。
此外，在选择背衬材料时，需要注意背衬本身的吸声效果，一些背衬材料本身具有较好的吸声性能，可以进一步提高吸声结构的整体性能。
除了吸声效果外，背衬还对吸声结构的稳定性有着重要的影响。
在实验测试中，我们对不同厚度的背衬进行了长时间的放置测试，观察背衬是否会对吸声结构产生损伤或者变形。
实验结果显示，聚酯纤维吸音棉的背衬较为稳定，不易产生变形或损伤；而泡沫塑料的背衬易受外界压力和温度变化的影响，可能会产生变形或损伤，从而影响吸声效果。
综上所述，背衬对吸声结构的吸声效果和稳定性都有着重要的影响。
在选择背衬时，需要充分考虑材料的吸声性能和稳定性，并根据实际需求选择合适的厚度。
同时，我们也需要进一步研究和优化吸声结构，探究更加优化的背衬材料和结构，提高水声声管的吸声效果和性能。
聚氨酯涂层的水下吸声性能研究
１ 引 言
聚 氨酯 橡胶 材料 由于其分 子 结构 具有 非极 性 的软 链段与 极性硬链段…，有较高 的阻尼损耗 因子 ，特 性阻 抗与水相近 【，是一种 很有潜力 的水声材料基 体。通 过 ２ 】 添加填料和 发泡等手段 ， 以得到 阻抗 与海水匹配 的高 可 性能吸 声涂层 。
以 Ｋ Ｙ２ ０ 扫描 电子显微镜 为测试 仪器， 样 ＹＫ ８ ０ 测试 品剖 面结构 Ｓ Ｍ 图，分析样 品的内部结构 。 Ｅ
３ 结 果 与 讨 论
３１ 石 墨 用 量对 涂 层 吸 声 性 能 的 影 晌 ．
以聚氨 酯为基 体 ，加入 一定量 发泡剂后 ，研究石
墨对 涂层 的吸声性能 的影响 。 ２所示 的是样 品的剖面 图
Ｆｅｕ ｎｙｋ ｒ ｑ ｅ ｃ ／ Ｈｚ
图 １ 涂 层 中石 墨百分含 量对吸 声系数的影响
Ｆ ｇ Ｉ ｆｕ ｎ ｅ ｏ ｒ ｐ ｉｅ ｍ ａ ｓ ｃ ｎ ｅ ｔｏ ｂ ｏ ｐ ｉ ｎ ｉ １ ｎ ｅ ｃ ｆ ｇ ａ ｈ ｔ ｌ ｓ ｏ ｔ ｎ ｎ ａ ｓ ｒ ｔｏ ｃ ｆｉｉｎ ｏｅｆｃｅ ｔ
对涂层 吸声性 能的影响 。 实验 结果表 明石 墨 改变涂层 密 度 ，提 高涂层 的吸 声 系数。合成 了高性 能的吸 声涂层 ，
该涂层 随 着水压 增加 ，涂层 的吸声 系数 增加 。 水压在 ３ ａ ，平均吸 声 系数 达 ８ ．％。 ＭＰ 时 ７ ６ 关键 词： 吸声涂层 ；聚氨酯；石墨 ；水下吸声性 能
气末 端 。
填料 是调节材料与 声波 相互作用特 性的重要物质 。
Ｃ ｓｍａ ［ １ ｕｈ ｎ３ 等研究指 出， ， ４ 将填料 与聚合物 混合可 以降低 声、振动和 冲击源所产 生的噪声 ， 得材料 具有优异 的 所 本体吸声性 能 。Ｏ ｕ ａ ａ ｌ ｋ ｄ ｒ ｔ等所 设计 的粉末层和 多孔吸 ｉＳ 声材料 （ 聚氨酯 泡沫 板 ）构成 的多层结构 ，在低 频范 围 内获得高的吸 收峰。以上研 究表明 ，设计合理 的复合材 料 结构 形式 ，使吸声机制得 到合理 匹配 ，能够显 著提高 涂层 的吸声性能 ，拓 宽吸声频带 。 由 Ｏ Ｎ （ 国国立橡树 岭实验所 ）生产的碳。 Ｒ Ｌ 美 石 墨泡沫 ［，其特殊 的结构 使得这种材料 比玻璃纤 维的热 ６ 】 传导效应 高，在 ｌＨ ｋ ｚ以上具有优 良的吸声性 能。 通过聚氨 酯材料 内界面 的增加 、 弹 内阻尼 以及 填 粘 料阻抗 的合理 匹配 ， 有望 合成结构 性水下吸声涂层 。 本 研 究中合成 了 以聚氨酯为基体 ，石 墨为填料 ，带微孔 的 聚氨酯基涂层 。涂层 的吸声性能测试表 明，该涂层具有 优越 的吸声性 能， 随着 水压增加 ， 涂层 的吸 声系 数增加 ， 水压 为 ３ ａ ，平均 吸声系数达 ８ ．％。由于该涂层 ＭＰ 时 ７６ 吸声性能优 良，在 室温 下固化 ，并可任意厚涂 ，在水声 隐身 方面有 非常好的应用潜 力。
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第31卷第8期2009年8月舰 船 科 学 技 术SH I P SC I E NCE AND TECHNOLOGY Vol .31,No .8Aug .,2009水下吸声覆盖层结构及吸声机理研究进展罗 忠1,朱 锡1,林志驼2,王卫忠2(1.海军工程大学船舶与动力学院,湖北武汉430033;2.海军92143部队,海南三亚572021)摘 要: 经过50多年的发展,尤其是近20年中,在水下目标声隐身背景需求的促进和推动下,以吸声覆盖层为主要研究对象的声隐身结构研究,已经建立了完整的理论框架。
本文将目前国内外主要的吸声覆盖层结构分为粘弹性复合吸声结构、周期散射复合吸声结构、孔腔谐振吸声结构等,比较了各种吸声覆盖层的结构形式对吸声性能的影响,并从吸声机理出发,分析了各种吸声覆盖层结构的主要研究方法,最后展望了我国水下吸声覆盖层结构及吸声机理研究的趋势。
关键词: 声隐身;吸声覆盖层;粘弹性;散射;谐振中图分类号: T N91117 文献标识码: A文章编号: 1672-7649(2009)08-0023-08 DO I:1013404/j 1issn 11672-7649120091081002A rev i ew of underwa ter anecho i c coa ti n g structure and absorpti on theor i esLUO Zhong 1,ZHU Xi 1,L IN Zhi 2tuo 2,WANG W ei 2zhong2(1.College of Naval A rchitecture and Power,Naval University of Engineering,W uhan 430033,China;2.Unit 92143,P LA,Sanya 572021,China )Abstract: The require ments of under water acoustic stealth technique had p r omoted the research on under water anechoic coating structure for recent 50years .Accordingly,a comp rehensive theoreticalf oundati on had been f or med f or the passed 20years .This paper su mmarized the main structure and valuable results of under water anechoic coating .More s pecifically,it classified the main structure int o vis oelastic composite abs or p ti on structures,cycle scattering composite abs or p ti on structures,cavity res onant abs or p ti on structures .The effect of structure for m t o abs or p ti on p r operties was compared .The under water anechoic coating structures and abs or p ti on theories were analyzed .I n the end of this paper,it p r os pected the feature research trend on this t op ic in our country .Key words: acoustic stealth;anechoic coating;viscoelastic;scattering;res onant收稿日期:2009-02-10;修回日期:2009-03-10基金项目:国家973重大基础研究基金资助项目(51335020101);国防重点预研基金资助项目作者简介:罗忠(1982-),男,博士研究生,主要从事水下声隐身材料与结构研究工作。
0 引 言潜艇的最大特点就在于它具有隐蔽性与突发攻击能力,降低潜艇的声目标强度将减小敌方发现我艇的距离,提高我艇的生存能力,目前主要采用在潜艇壳体上敷设吸声覆盖层结构来降低声目标强度。
经过半个多世纪的发展,水声吸声材料的研究已取得了丰硕的成果,以橡胶类和聚氨酯类为基体的水声吸声材料研究日益成熟,内耗大、阻尼性能好的高分子材料发展为吸声覆盖层提供了更广阔的选材空间,如丁基橡胶、聚氨酯橡胶、互穿聚合物网络等。
当声波通过高分子材料覆盖层时,会将能量传递给大分子链段,引起大分子链段的相对运动,分子链间产生内摩擦将入射声能转化为热能而吸收。
随着潜艇巡航深度的增大和声呐探测技术的不断发展,对潜艇的声隐身技术提出了新的挑战,水下吸声覆盖层结构正朝着耐压、低频和宽频段吸收的方向发展[1]。
对单一均质材料而言,由于阻抗匹配的舰 船 科 学 技 术第31卷要求与增大材料对声能的损耗之间存在矛盾,同时吸声覆盖层结构尺寸受到潜艇排水量等因素的限制,粘弹性材料的弛豫吸收远不能满足各种工程应用的需要,因此必须在吸声覆盖层内部引入声学结构,保证与水阻抗匹配的同时,增强材料对入射声波的衰减效果。
目前,吸声覆盖层结构研究的频率范围从声波波长近似等于结构尺寸的低频段(几百Hz)延伸到声波波长远小于结构尺寸的高频段(几十kHz)。
能量转换形式包括声能直接到热能的转换,声能到动能再到热能的转换,声能到电能再到热能的转换等;吸声机理包括粘弹性损耗吸声、周期散射吸声、波型转换吸声、低频谐振吸声、压电吸声等;衍生出的吸声覆盖层结构有阻抗渐变吸声结构、夹芯复合吸声结构、微粒复合吸声结构、耐压复合吸声结构、声学晶体、孔腔谐振吸声结构、微穿孔吸声结构及压电复合吸声结构等。
有关吸声覆盖层结构的声学性能的研究方法有解析法、有限元法和试验法。
解析法的优点是物理意义十分明确,便于分析其物理本质,但只能针对特定的声学结构,不能计算复杂的水下结构;有限元分析方法,可以计算相对复杂的结构,但物理意义不太明确;理论和试验相结合的混合法,可以得到较好的结果,但研究成本相对较高。
本文系统概述了国内外水下吸声覆盖层结构的研究和应用情况,重点回顾了几种典型水下吸声覆盖层结构的吸声机理,并对未来的发展进行了预测。
1 粘弹性复合吸声结构及吸声机理对单一均质材料而言,根据无限厚均匀弹性体吸声材料声学理论分析,声波在界面的反射系数可表示为:r=η2/4/4+η2/4≈η/4。
(1)其中,r为反射系数;η为材料损耗因子。
可见要求水下吸声材料的特性声阻抗接近水的声阻抗以实现阻抗匹配,同时又具有较大的损耗因子,对吸声材料要满足这2个条件是矛盾的。
因为材料的反射系数随损耗因子的增加而上升,损耗越大,则反射系数也越大。
研究表明,为了达到上述目的,必须在材料内部加入声学结构,一方面保证与水的阻抗接近匹配,另一方面增强覆盖层吸声效果,目前研究和应用最广泛的粘弹性复合吸声结构是阻抗渐变吸声结构和夹芯复合吸声结构,它们的声学性能受水压变化的影响较小。
111 粘弹性复合吸声结构阻抗渐变吸声结构解决了高损耗材料阻抗不匹配时的强反射和采用小损耗覆盖材料但需要很厚的问题。
对于阻抗渐变吸声结构,如何进行阻抗梯度的设计是关键,吸声结构的表面等效阻抗应与周围水介质的阻抗匹配,并且要尽量增加材料的声能损耗,这样才能减少声能的第一次和第二次反射。
Emery[2]对水下吸声材料进行的研究中指出:在高频时,阻抗匹配可以减小反射系数;低频时,通过采用不同厚度、阻抗的多层结构,可以解决因各层界面反射波的干涉而出现反射峰值的问题,如图1所示;也可采用各层填料或空气含量逐渐变化来实现阻抗的多层渐变,达到减小反射的目的,如图2所示。
Beretil等人[3]研究了在去耦涂层上面覆盖一层吸声涂层而制成的双层涂层,在不增加吸声材料厚度的情况下,能极大提高材料的低频吸声性能。
Forest[4]选用粒度为80μm 和315mm的二氧化硅气凝胶颗粒,并制成含阻抗匹配层和吸声层的双层吸声结构,研究结果表明,在低频范围内其吸声性能要高于相同厚度的均匀结构。
国内也对梯度高分子材料在不同厚度及梯度阻抗情况下的声衰减效果进行了大量的研究。
关于纤维增强复合材料在潜艇声隐身结构中的应用,在国外已有30多年的历史,应用部位也由原来的舵、翼等附体结构,发展到了潜艇非耐压壳体等主要结构上[5]。
利用比强度高、比刚度高、透声性能好、振动阻尼性能好、成型工艺简单的纤维增强复合・42・ 第8期罗 忠,等:水下吸声覆盖层结构及吸声机理研究进展材料表层和吸声高分子芯材制成的夹芯复合吸声结构,可以代替原有的“钢结构+吸声覆盖”的吸声结构[6-7],已成为未来水下目标声隐身结构的发展趋势,其中吸声芯材还可根据需要设计为多层形式。
这种夹芯结构具有优异的振动阻尼和吸声性能,同时其力学性能可根据水下结构的承载在内部设计支撑,如图3示。
文献[6]对类似的夹芯材料结构形式进行了介绍,指出通过合理选择内部吸声芯料及各层的配置优化,可以同时获得良好的吸声性能和力学性能,这种夹芯复合吸声结构可直接代替钢结构作为水下目标壳板,改变了钢板外面敷设吸声覆盖层的传统吸声结构,从根本上解决了覆盖层脱落的问题。
1988年美国在“洛杉矶”级攻击型核潜艇上首次敷设了由玻璃纤维和聚氨脂组成的双层铝板固定式吸声结构,吸声效果非常明显。
图3 带骨架的夹芯复合吸声结构Fig 13 Sand wich abs or p ti on structure with frame work阻抗渐变复合吸声结构应用广泛,由于其结构形式简单,工艺成形性好,可通过结构的优化设计而获得较好的吸声效果。
如在夹芯复合吸声结构中的芯材采用阻抗渐变设计,既可以应用于声学硬背衬的非耐压壳体、可拆板,也可以替代声学软背衬的舵、稳定翼、指挥台围壳等的壳板结构,从而实现承载和隐身的一体化。
但由于壳板厚度一定,还必须通过内部孔腔结构的设计而改善低频吸声性能。
112 粘弹性复合吸声结构吸声机理粘弹性复合吸声结构对声波的损耗作用主要是通过材料的粘性内摩擦作用和弹性弛豫过程完成的。
粘性内摩擦作用是指阻尼损耗。
弹性弛豫过程是指在声波作用下,吸声材料会变形,主要是每个分子由球形变为椭圆形,而分子链本身并无变化,这种变形的特征是有明显的弹性滞后现象,即分子链由原来各链段紊乱排列的球形构象,向各链段接近同向排列的构象过渡需要一个过程,而使一个分子链的各链段完全进入与外力大小相应的新构象分布时,需要更长的时间。