聚脲涂層結構模型吸聲性能及應用研究＊

張文成 周穗華 蔣安林

（海軍工程大學兵器工程系 武漢 430033）

水下目標為了減小敵方主動聲吶探測時自身的目標強度，實現目標聲隱身，一個重要途徑就是在殼體外敷設粘彈性材料，目前主要使用的是橡膠.根據水下多層介質聲傳播理論［1－2］，當探測信號波長與目標曲率滿足一定的波長尺度比時，可以近似為均勻多層平板結構的吸聲模型，而吸聲模型的吸聲性能又主要取決于敷設的粘彈性材料.本文利用傳遞矩陣法計算了水下均勻多層結構吸聲系數，利用數值仿真研究了水下垂直入射吸聲模型的吸聲性能與吸聲層材料參數之間的關系，分別對噴涂聚脲（SPUA）和橡膠進行數值仿真，通過對比分析和實驗驗證，為噴涂聚脲的應用提供了依據.

1 理論分析

1.1 模型的吸聲機理

粘彈性材料是一種同時具有粘性液體和彈性固體特性的高分子聚合物材料.根據高分子化學理論，粘彈性材料由長分子鏈組成，每個分子鏈又由許多鏈段聯結而成，因此這種材料受力時會產生高彈性形變的彈性馳豫過程.由動力學原理可知，在聲波作用下，材料交替的壓縮和伸張形變的過程中，部分聲能轉變為熱能而損耗，這就是由彈性馳豫作用引起的吸收.另外，粘彈性還存在粘性內摩擦作用引起的粘滯性吸收.

根據水聲傳播理論，對于均勻多層復合結構，當吸聲層表面阻抗與水介質波阻抗匹配時，入射聲波就能盡可能多的進入到材料內部，此時其吸聲效果取決于吸聲材料內損耗系數.因此阻抗匹配和材料的損耗系數是決定吸聲模型性能的兩個主要條件.

1.2 模型的傳遞矩陣方法

設有N層均勻彈性層構成的系統，如圖1所示.在聲波作用下，記系統下邊界和上邊界的振速向量分量值分別為vx（0），vz（0），vx（N）和vz（N），應力張量的法向分量和切向分量分別為和，中間第n層上、下分界面上各值為和

圖1 多層結構模型

將每層看作4輸入4輸出的8端網絡，網絡參數可以寫成一個4階矩陣.對第n層，上、下邊界振速值和應力值的關系可以表示成

1.3 聲波垂直入射時模型的聲場特性

當聲波垂直入射時，固體彈性層中只產生縱波，振速和應力切向分量為0，因此可以將多層結構等同于多層液體層，傳遞矩陣可簡化為2階矩陣.

圖2 聲波垂直入射時多層結構模型

對第n層，記介質密度和厚度為ρn和dn，波數為kn，為便于計算可將原點取在其下邊界處.由z＝0和z＝dn處邊界條件，即聲壓連續和質點垂直振速連續，不難推出第n層傳遞矩陣為

式中：pn＝kn·dn，zn＝ρn·cn.

聯立式（4），（5）2式確定模型參數矩陣中各元素，按圖2所示，再根據z＝0和z＝H的邊界條件，結合式（3）即可求得模型反、透射系數和吸聲系數，記符號M，N為

得反、透射系數和吸聲系數

2 數值仿真

根據上文利用傳遞矩陣法推導的相關公式，對多層均勻結構進行計算機仿真，幾乎可以對任意多層進行仿真而不需要考慮能力限制.為了結合實際，僅對圖2所示模型的聲學特性進行編程仿真，重點分析吸聲層材料參數對模型聲學特性的影響，以期發現其內在規律，為材料設計提供指導，也對不同的吸聲材料進行了對比分析，以下非特別說明都采用如圖2所示模型.背襯和吸聲層（聚脲和橡膠）厚度都取為3mm.

2.1 材料參數與模型吸聲性能的關系

對吸聲模型，由于粘彈性材料密度接近于水，且隨頻率變化很小，一般在1.01ρ水～1.06ρ水之間，不妨取吸聲層ρ1＝1 050kg／m3，損耗因子η＝0.49，彈性模量一般為動態值，背襯為鋼板，聲學參數為ρ2＝7 840kg／m3，c2＝5 941m／s.水的聲學參數取ρ0＝1 000kg／m3，c0＝1 500m／s.信號頻率取50～ 500kHz，下面重點分析彈性模量的影響，仿真結果見圖3和圖4.

圖3 反射系數頻率特性

圖4 吸聲效果頻率特性

由圖3～4可以看出：（1）對于同一彈性模量，吸聲性能具有隨頻率振蕩的特性，特別是在模量較大時這一特性更為明顯；（2）對于不同模量，吸聲模型在高頻段都具有良好的吸效果，吸聲系數高于90%，且相對比較穩定；（3）吸聲模型的吸聲性能明顯的表現出“脊”的特征，最高的“脊”代表了最優的材料參數的頻率特性，其所包含的材料參數與吸聲性能之間的規律，即是材料設計與優化的方向和理論依據.由圖4中可以看出，在所研究頻帶內，最高的“脊”吸聲系數都在90%以上，彈性模量變化范圍大致為109～3×109.

2.2 不同材料的仿真對比

下面考查丁苯橡膠和某型噴涂聚脲為吸聲涂層時的吸聲效果.橡膠是目前應用中最為流行的吸聲材料，噴涂聚脲則是由異氰酸酯組分（簡稱A組分）與氨基化合物組分反應生成的一種彈性體物質，目前主要用于防腐、防水、水中航行器減阻等領域.

材料參數見表1，吸聲層分為橡膠和聚脲時，對模型吸聲性能的仿真結果見圖5和圖6［8－9］.結果說明，在高頻段，聚脲和橡膠吸聲性能表現比較一致，都在95%左右，但是采用聚脲的模型在更寬的頻帶內具有較好的吸聲特性，對實際應用具有重要意義.

表1 不同材料的聲學參數［10］

圖5 不同材料的反射系數曲線

圖6 不同材料的吸聲系數曲線

3 實驗驗證

為了進一步明確噴涂聚脲時模型的吸聲性能，在消聲水池對圖2所示模型進行了實驗驗證.

實驗條件：換能器收發合置；波束寬度14°；換能器與目標距離1.5m，深度1.5m；消聲水池5m×8m×5m（長×寬×深）.

樣品規格：底襯鋼板45mm×50mm×3 mm；吸聲涂層厚度3mm.

通過實驗測量得到3mm厚無吸聲涂層鋼板反射系數為0.998，以鋼板作為標準樣品，利用比較法消除入射波，得到各實驗樣品反射系數，實驗結果見圖8.

實驗結果說明，在實驗所取頻帶內噴涂聚脲樣品吸聲性能與上文理論計算結果頻率特性變化趨勢相符合，驗證了上文理論計算結果的正確性.

圖7 128kHz無涂層時鋼板目標回波

存在誤差的原因，一方面是由測量誤差引起的；另一方面，實驗樣品回波信號中含有噪聲，由于影響很小，沒有進行降噪處理，也導致了實驗測得的反射系數與理論計算結果有偏差.

圖8 模型反射系數實驗對比

4 結束語

本文利用傳遞矩陣法計算了水下均勻多層結構模型的吸聲系數，并對垂直入射時多層結構的傳遞矩陣做了簡化.對噴涂聚脲和橡膠分作為吸聲層進行了仿真對比和實驗，說明聚脲作為吸聲層具有良好的性能，為聚脲在水中兵器的應用提供了依據.

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