水下吸声材料的研究进展[1]

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。

降低潜艇自身噪声和艇身对雷达声纳波的反射是提高潜艇隐身性能的主要手段。

研究发现，如果舰艇水下噪声降低１０ｄＢ，则敌方探测发现本艇的距离可缩短３２％；而如果声纳平台区自噪声降低５ｄＢ，本艇探测距离可增加６０％，探测目标的海区面积为原面积的３倍［１］。

提高潜艇声隐身技术通常采用的方法是在潜艇壳体表面覆盖吸声材料（即消声瓦）。

消声瓦敷设在潜艇表面，既能大幅度地吸收对方主动雷达探测声波的能量，减少主动声纳的反射，又可降低艇体振动，减少潜艇内部产生的机械辐射噪声，同时还可以改善艇体表面的流体动力特性，减少航行阻力，提高航速［２］。

因此，消声瓦是隐身技术的关键，现已得到各国的重视。

目前已开发出多种吸声材料和吸声结构［３－５］。

影响水下吸声材料吸声性能的主要因素是材料体系和声学结构。

本文介绍了水下吸声机理，简述了常用的吸声结构，综述了国内外水下吸声材料的研究和应用现状，并对未来的发展趋势进行了展望。

水下吸声材料的吸声机理有３种：（１）材料的粘性内摩擦吸声，也称为阻尼损耗，是指声波进入材料后引起相邻质点运动速度不同，由相对运动而产生内摩擦，这可以使相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［６ｊ，声波进入材料后使材料中的分子由球形变为椭圆形。

而分子链本身并无变化，这种变形有明显的弹性滞后现象，使得材料在变形和恢复过程中，变形落后于应力的变化，使声能转变为热能。

（３）波形转换，即入射纵波在粘弹性材料中引起的体积形变产生波形变换，使纵波变换成具有高损耗因子的剪切波而达到吸声作用。

材料的声阻抗（材料密度与材料声速的乘积）和材料衰减常数是决定吸声性能的２个重要参数。

在阻尼材料中，纵波的传播速度ｃ。

和衰减常数口，分别为：，．一，厂±ｔ璺业］÷””Ｌ１＋（１＋ｔａ耐）÷。

；土』！塑璺堕￡～Ｃｏ｛（１＋ｔａｎｏ蟹，）［１＋（１十ｔａｎ辞）＋］）＋Ｃｏ＝Ｅ（ａ＋２“）／ｐ３，＊国家９７３计划资助项目（２００６ＣＢ６０１２０１Ｂ）石云霞：女，１９８２年生，硕士研究生Ｔｅｌ：０２９—８６２３１０９５Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｉｙｕｎｒｄａ９９９６６６＠１６３．ｔｏｍ万方数据·５０·材料导报：综述篇２０１０年１月（上）第２４卷第１期式中：ｔａｎｇ．为体积纵波模量损耗因子；Ａ为声波在材料中传播的波长，ｍ；∥为剪切模量，Ｎ／ｍ２；，为频率。

Ｈｚ；ｐ为材料的密度，ｋｇ／ｍ３。

水声吸收材料必须满足２个条件［“：（１）材料的特性声阻抗与传波介质海水的特性声阻抗匹配，使声波能无反射地进入吸声材料；（２）材料有很高的内耗，使声波在吸声材料中很快衰减。

目前最常用橡胶类口］和聚氨酯类材料∞３作为水下吸声材料，如丁苯橡胶、丁基橡胶、氯丁橡胶、聚氨酯弹性体等，因为它们可以满足前面所述条件［９］。

２水下吸声材料的声学结构为了保证吸声结构的表面等效阻抗与水的阻抗匹配，并且要增强覆盖层消声效果，就必须在消声瓦材料内部构造一些特殊结构构成复合声学结构。

常用的复合吸声结构有以下５种。

２．１共振式吸声结构这种结构内（见图１）常设有空腔，当入射声波的频率与空腔的固有频率接近时，声波在空腔内就会发生共振，使腔体材料产生较大的变形，使声能转换为热能ｎ…。

共振式吸声结构主要用于低频吸声，共振频率与空腔的尺寸有关，但对共振频率之外的声音吸收效果较差。

此外，这种结构强度不高，随着水压力的增加。

空腔易被压扁，上部的等效阻抗与水阻抗失配，使反射增强，空腔的固有频率也会增大，低频吸声性能随之下降。

图ｌ共振式吸声结构Ｆｉｇ．１Ｒｅｓｏｎａｎｔａｃｏｕｓｔｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅ２．２渐变式吸声结构渐变式吸声结构（见图２）常把橡胶等材料制成尖锥或尖劈状，以实现阻抗匹配。

当声波入射到波浪外形的楔槽斜壁时，声波进入吸声材料，大多数被吸收，被反射的声波又入射到楔槽斜壁对面的吸声材料表面，进入部分大多数又被吸收，如此循环往复，声波逐渐衰减。

要获得宽频带高吸收的尖劈材料，需要低声速、高损耗、密度与水介质相近的吸声材料，此外多层或连续的阻抗逐渐过渡结构可以减小反射、增加吸收效果，能解决高损耗材料阻抗不匹配时的强反射和小损耗覆盖材料厚度大的问题。

图２渐变式吸声结构Ｆｉｇ．２Ｇｒａｄｕａｌｃｈａｎｇｉｎｇａｃｏｕｓｔｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅ２．３夹芯层吸声结构夹芯层吸声结构是利用透声性能好的纤维增强复合材料制作夹层的面板，吸声材料作夹层。

这种夹层复合材料用于水下目标的非耐压壳板。

直接代替钢结构，可以满足强度、刚度的要求，吸声能力也大大提高，具有优异的振动阻尼性能。

通过减小表层纤维复合材料的厚度，或者使其特性声阻抗与水接近，都可以降低夹层复合材料的声反射，同时夹层结构的吸声性能也冈此得到改善。

夹层结构的吸声性能主要取决于夹芯材料的吸声性能，夹芯材料的厚度越大，损耗因子越大、声阻抗与水介质匹配越好，夹层结构的吸声性能越好［６］。

合理选择内部吸声材料及各层的配置，是实现良好的吸声性能的关键。

２．４微粒复合吸声结构微粒复合吸声结构是在阻尼吸声材料中混合微小粒子或含大量气泡的填料等，结构中微粒的含量及分布必须保证吸声层与水具有良好的阻抗匹配。

当声波作用在吸声材料上遇到球形微粒时会产生散射，分散入射的声能，并发生波形的转换，使纵波变为剪切波，而剪切变形的损耗因子大于纵波的损耗因子，增加了声波的损耗；同时，会使微粒产生振动，增加材料的弛豫吸收效果。

２．５压电式复合吸声结构压电式复合材料ｕ１］是在聚合物中加入导电微粒，形成微观局部的电流回路，将声能及振动能转换为电能，再经压电作用以热能的形式耗散掉，达到吸声和减振的目的。

压电式复合吸声结构通过调节微粒的含量来改变材料的声阻抗，实现阻抗匹配。

压电聚合物与压电陶瓷复合成的压电复合材料克服了压电聚合物的使用温度限制和压电陶瓷材料自身的脆性，保留了各自的优点，而成为近年来压电式复合吸声结构的研究热点。

另外，压电橡胶和聚偏二氟乙烯也是目前研究较多的吸声材料。

３水下吸声材料的国内外研究进展国内外用于水下吸声的材料多种多样。

最初使用的橡胶类吸声材料始于二战期间的德国，当时用的是内设圆柱空腔的橡胶。

二战后，前苏联用丁苯橡胶作为吸声材料。

当前俄罗斯也使用橡胶材料作为吸声覆盖材料，并使用分层结构，实现阻抗渐变，使得Ａｋｕｌａ级和Ｓｉｅｒｒａｚ级潜艇的噪声级降低１０～２０ｄＢ。

２０世纪７０年代中期，英国使用聚氨酯吸声材料。

美国于１９８８年在潜艇上首次敷设了消声瓦，这种消声瓦是由聚氨酯和玻璃纤维组成的双层铝板固定式吸声结构构成，可降低噪声４０ｄＢ左右。

法国海军用聚硫橡胶基材作吸声材料。

国内用于水下吸声的材料也很多ｎ．５］，从橡胶类材料到高分子材料不断发展，这些材料具有很强的可设计性，通过改变链段比例、支链的数量或者分子间结合力，都可以改变材料的声学性能［１２，１３］。

为了满足不断提高的潜艇隐身技术的要求，材料和声学专家在水下吸声理论和材料制备方面开展了大量研究，目前的研究多朝３个方面发展：理论计算指导材料设计；提高材料低频吸声性能和增加有效吸声频宽；提高材料耐水压、耐万方数据水下吸声材料的研究进展／石云霞等５１蚀性。

３．１理论计算指导材料设计对于不同类型水下吸声材料的吸声参数计算，主要理论计算方法有散射理论、传递矩阵法、数值方法等。

对含有微小球形空腔的粘弹性体吸声材料，Ｇａｕｎａｕｒｄ等口４３根据散射理论建立物理模型推导出材料的等效参数。

在此基础上，赵敏兰等［１朝通过散射理论和可变形粘弹性介质力学的基本理论，引入更加合理的等效参数对材料声学特性进行了研究。