橡膠水下吸聲材料的研究進展

劉云路，曾竟成，楊金水

（國防科學技術大學 航天科學與工程學院，湖南 長沙 410073）

吸聲材料是一種結構功能一體化材料，在噪聲問題日益嚴重的當今社會，吸聲材料已經逐漸成為一個新的研究熱點[1]。與其他類型吸聲材料相比，橡膠材料對聲波的吸收和損耗均比較出色。水下吸聲材料是軍事領域水下目標隱身技術發展的基礎，工作環境較為特殊，高分子材料是制備水下吸聲材料的較好選擇[2]。目前使用的水下吸聲材料以橡膠和聚氨酯類吸聲材料為主，其中橡膠吸聲材料在各種潛艇中均有廣泛應用[3-5]。

1 橡膠材料的吸聲原理

橡膠的吸聲主要發生在介質內部，當聲波進入橡膠后，高分子介質中的大分子鏈段在聲波作用下產生熱運動，通過材料粘性內摩擦作用引起阻尼損耗，同時在彈性弛豫過程中，分子鏈松弛過程引起應變落后于應力的滯后效應，產生能量損失，最終形成對聲波的損耗。

橡膠的吸聲機理主要有3種。

（1）粘滯吸收。聲波在介質中傳播時，由于介質中質點運動速度不同產生速度梯度，進而使相鄰質點產生相互作用，聲能不斷轉化為熱能。粘滯吸收是均勻介質中聲音衰減的主要原因。

粘滯吸收公式為

式中，αu是介質粘滯吸收系數；ω是聲波頻率；C0是聲波在橡膠中的傳播速度，C是聲波在水中的傳播速度，C0≈C；γ是總的粘滯吸收系數；ρ是介質密度；u1和u2分別是切變粘滯吸收系數和體積粘滯吸收系數。

從公式（1）和（2）可以看出，粘滯吸收系數與介質粘滯吸收系數有關，而橡膠粘滯吸收系數相對較大，具有良好的粘滯吸收性能。

（2）熱傳導吸收。聲波在介質中傳播時引起各處介質形變，不同形變導致介質各處產生壓縮區和膨脹區，使介質各處溫度有所差異，即存在溫度梯度，從而使相鄰質點間產生熱交換。此過程不可逆，隨著機械能損耗，聲能不斷轉化為熱能。

熱傳導吸收公式為

式中，αn是介質熱傳導吸收系數，x是介質熱傳導系數，Cs是絕熱過程中振幅波聲速，Cp和Cv分是介質恒壓和等容比熱容。

空氣中，介質的熱傳導吸收系數與粘滯吸收系數之比αn/αu≈0. 42，而在水中αn/αu≈7 ×10-3。這表明水中的熱傳導吸收較小，液體中的聲波損失比空氣中的聲波損失要小。

（3）分子弛豫吸收。聲波在介質中傳播時，分子動能增大，分子間相互碰撞達到新的熱平衡。分子運動主要有分子平動、轉動和振動，分子平動和轉動均可瞬間調整，而分子振動調整則需要一定的時間和能量，因此介質的分子振動與聲波的傳播周期不是同步進行的，其相位落后了數個周期，造成聲能在介質中的損耗。

以氣體分子為例，分子弛豫吸收公式為

式中，αγ是弛豫吸收系數，Cv0是氣體有效比熱容，Cv∞是氣體受壓縮對外自由度能相應比熱容，τ是弛豫時間，R是氣體常數，M是氣體相對分子質量。

弛豫吸收也叫超吸收，這種吸收與聲波的頻率有關，當頻率很大時，Cv0≈Cv∞，聲波的周期比內外自由能傳輸時間小很多，無法進行能量傳輸，此時弛豫吸收現象并不明顯[6]。

2 橡膠吸聲材料的性能設計

2.1 橡膠吸聲材料的性能

除了具有較高的聲波內耗外，橡膠特征阻抗值與水接近。特征阻抗是用于表征平面波入射到各向同性介質中走向情況的參數。該參數是判斷一種材料能否成為水下吸聲材料的主要標準之一[7]。常用橡膠的聲學性能見表1。

表1 常用橡膠的聲學性能

研究[8]表明，由于聲波聲壓較小，僅采用實心純橡膠作為吸聲材料吸聲效果并不理想，因此需對橡膠材料進行改進。改善橡膠材料吸聲性能的方法通常有3種：（1）選擇吸聲性能較好的橡膠基體，如丁基橡膠和丁腈橡膠，具有較高的損耗，主鏈側基較多且體積較大，常用作吸聲橡膠基體；（2）在制備橡膠制品過程中添加一定量的助劑以增大橡膠的可壓縮性；（3）將橡膠制成一定結構，增大橡膠有效厚度。

2.2 填料類吸聲橡膠

在橡膠材料中添加不同填料以提高橡膠吸聲性能，即得填料類吸聲橡膠。最常見填料包括混合鋁粉、鉛粉、中空玻璃微球等，其主要原理是在橡膠界面處改變聲波波形，使得聲波能量發生衰減。加入各種無機填料制備吸聲橡膠具有突出的應用前景[9]。

M.K.Hinders等[10]設計了一種添加微粉的消聲涂層用于衰減寬頻水聲信號，該涂層的阻抗與流體相匹配，材料中的剛性微粒促使入射的彈性波發生多重散射，以衰減入射的水聲信號。

喬冬平等[11]研究了不同蛭石粉用量對橡膠吸聲件力學性能、阻尼性能及吸聲性能的影響。結果表明，當蛭石粉用量為30～40份時，吸聲件擁有較好的吸聲性能。

丁航[12]研究了幾種常用配合劑及蛭石粉、玻璃微珠對橡膠吸聲性能的影響。試驗表明分子內摩擦大、內耗大、易生熱的橡膠比較適合作為吸聲基體。玻璃微珠和蛭石粉可使膠料獲得較好的空隙率，從而獲得較好的吸聲性能。硬脂酸、炭黑、增塑劑DOP對橡膠吸聲效果影響較為顯著。

文慶珍等[13]研究了片狀填料對材料隔聲性能的影響，發現片狀填料在用量為5～25份時對隔聲性能影響較小。

填料類吸聲橡膠工藝相對簡單，且能調節聲阻抗與海水匹配。添加填料是改善橡膠聲學性能和力學性能的最常用手段。此外，填料類吸聲橡膠可作為結構類橡膠原料，是各國研究重點。

2.3 泡沫類吸聲橡膠

泡沫類吸聲橡膠是一種以橡膠為基本原料的多孔型吸聲材料。制備時在聚合物發泡過程中充入一定量氣泡，氣泡長大穩定后形成密排球，將聚合物材料排開，最終形成泡沫橡膠材料[14]。泡沫材料的制備方式主要有化學發泡和物理發泡兩種，化學發泡反應速度較快，性能難以控制；物理發泡一般成本較高[15]。泡沫橡膠材料具有成本低、工藝簡單、壽命較長等優點，得到越來越廣泛的應用。

影響泡沫橡膠力學性能的因素主要分為三類：泡沫類型（彈性泡沫、彈塑性泡沫或脆性泡沫）、泡沫的初始結構（開孔、閉孔或混合孔）、受力模式（單向受力模式、雙向受力模式或單向應變模式）[16]。

錢軍民等[17]以乙丙橡膠為原料，用一次性化學發泡工藝制備了一種性能較好的泡沫吸聲材料，并用正交試驗方法確定了原材料最佳配比。制備的泡沫材料擁有較好的吸聲性能，平均吸聲系數達50%。

郭輝等[18]利用開孔Gibson-Asbby力學模型和不可壓橡膠類材料應變能函數，研究了開孔泡沫結構和基體材料兩種因素對材料力學性能的影響，并通過分析推導出一種開孔泡沫橡膠超彈性本構關系。試驗表明模型預測結果與實際情況吻合較好。

謝建軍等[19]分別對5種不同密度的閉孔泡沫橡膠和實心橡膠進行了單軸循環加載測試，試驗結果表明：實心橡膠卸載后不出現永久變形，而不同密度泡沫橡膠均出現永久變形，且密度越大，卸載后變形恢復越慢；在同等加載條件下，密度較小的泡沫橡膠擁有更好的減震性能。

泡沫類吸聲材料減震性能良好，也具有一定的吸聲性能，但由于泡沫橡膠剛度較小，受到水壓時吸聲性能下降，并不適用于深水環境，因此在水下吸聲材料中應用較少。

2.4 結構類吸聲橡膠

橡膠材料壓縮彈性模量比剪切彈性模量大，使用均勻材料制造吸聲結構時效果不好，傳統橡膠材料在水下面臨著深海壓力與腐蝕，常出現脫落和吸聲性能下降現象，制約了水下吸聲橡膠材料的發展。因此，使用均勻橡膠材料制備水下吸聲材料時，通常設計成特殊吸聲結構，從而達到提高吸聲性能的目的[20]。常用的吸聲結構有共振式、漸變式和夾芯式。

2.4.1 共振式吸聲結構

共振式吸聲結構通常在均勻的橡膠材料中設置一些特定形狀的空腔，通過設計空腔形狀和大小調節空腔固有頻率，使之與入射聲波頻率相近，聲波穿過空腔時發生共振，從而消耗聲波能量。

高損耗水下吸聲材料結構內部大都設計了空腔結構，并采用阻抗漸變的結構形式。

陳建平[21]建立了均勻圓柱腔中彈性波的計算模型和復合結構，研究了在不同環境溫度和材料參數條件下吸聲性能的變化，并總結了材料參數和消聲瓦結構對吸聲性能影響的基本規律。試驗結果表明，增大聲腔體積、升高溫度、增大材料密度這幾種方式均可提高材料的低頻吸聲性能。

趙敏蘭等[22]用等效參數法研究建立了含球形空腔彈性體的物理模型，分析了不同結構參數對聲學性能的影響。結果表明，材料厚度增大、空腔濃度增大，可以提高材料的吸聲系數。

共振式結構吸聲材料技術已經比較成熟，但在水下吸聲材料實際應用中仍存在幾個問題：首先，這種聲學結構的主要作用是增強特定頻段聲波的吸收，但對整個頻段的聲波吸收能力不太好；其次，隨著水壓增大，空腔并不能維持原有形狀，使得整個材料與水的阻抗失配，空腔固有頻率發生改變，導致吸聲性能下降。

2.4.2 漸變式吸聲結構

當聲波入射到較厚的高損耗吸聲材料中，損耗會導致頻率發生變化，引起阻抗失配。為了解決這一問題，通常將橡膠等吸聲材料制備成漸變式吸聲結構。這類結構可以有效改善由于阻抗失配而導致的反射問題。此外，聲波入射到這類材料斜表面時，一部分聲波會發生反射，之后重新入射到對面的吸聲材料表面，循環往復，可以有效地吸收聲波。

漸變式吸聲結構一般將橡膠制備成尖劈或圓錐狀，使聲阻抗與海水匹配，同時拓展橡膠的吸聲頻率。漸變式吸聲結構是水下吸聲橡膠常用吸聲結構之一。

王紅梅等[23]對低頻吸聲圓錐配方及結構進行研究，確定了一種吸聲橡膠材料體系。所制圓錐在頻率2～80 kHz范圍內，吸聲系數達99%。

張權等[24]研制了一種高頻橡膠吸聲尖劈，簡述了吸聲尖劈的結構設計、配方設計、工藝設計以及聲學性能參數。制得的高頻橡膠吸聲尖劈在60 kHz～1 MHz范圍內的平均反射因數小于0.15。換算得尖劈在頻段內平均吸聲系數在99%以上。

吳靜珍等[25]分析了吸聲圓錐結構對吸聲性能的影響，把材料的基本聲學參數、結構參數、工作頻率和吸聲圓錐反射系數聯系起來并進行簡化估算，得出吸聲材料和結構對吸聲圓錐吸聲性能的影響規律，為吸聲圓錐設計提供了重要參考依據。

2.4.3 夾芯吸聲結構

夾芯吸聲結構利用吸聲性能好的材料作芯子，透聲性能好的材料作面板。芯子材料通常是橡膠或聚氨酯，面板材料通常是纖維增強復合材料。夾芯復合材料力學性能較好，可以取代鋼結構制備水下非耐壓船體，同時具備吸聲性能。

朱錫等[26]對基于背襯影響的水下聲隱身夾芯復合材料結構進行設計，并探討了入射角度對水下吸聲性能的影響。試驗結果表明，作為潛艇舵的材料，玻璃鋼夾心復合材料可以取代原有的鋼材。在滿足力學性能的前提下，增加芯子厚度，減小面板厚度可以提高材料的吸聲性能。

羅涵等[27]采用真空灌注的方式整體成型了一種玻璃鋼為面板、橡膠為芯材的復合材料，這種材料采用縫合的方式改善了材料的層間強度和沖擊韌性。通過選用不同的阻尼層研究了整體結構的阻尼性能與結構強度的影響因素。

石勇等[28]設計了一種用于水下吸聲的夾層復合材料，探究了各因素對聲學性能的影響，得出了厚度、聲特性阻抗和損耗等對聲學性能的影響規律。結果表明，潛艇非耐壓結構的殼板采用夾層復合材料可以滿足結構的力學要求，與鋼結構相比聲隱身性能大大提高。

P.H.Mott等[29]運用有限元分析的方法，建立了一個關于非平衡玻璃鋼/橡膠夾芯板在靜水壓力下的模型。低壓下該模型測量彎曲和張力比較準確，但高壓下準確性較差，這是由于模型中未涉及缺陷設計，因此高壓下模型預測性能與實際不吻合。

夾心吸聲結構與其他結構相比具有更好的力學性能，并且可取代原有的消聲瓦結構，達到簡化設計的目的。但在聲學性能方面，由于需要制備成夾層結構的原因，吸聲性能與相同厚度的實心橡膠材料相比有所下降，這也是夾心結構的吸聲材料目前尚未得到廣泛應用的原因之一。

3 橡膠水下吸聲材料的應用現狀

橡膠水下吸聲材料主要可用于消聲水池和消聲瓦等方面。應用于水下消聲池時，錐形結構橡膠能夠更好地吸收聲波，因此常見消聲水池用橡膠均為圓錐形。

消聲瓦是一種典型的水下吸聲制品，將消聲瓦鋪設在水下航行器表面，可減弱聲納信號反射，并減少自身產生的噪聲信號，從而降低被探測到的可能性[30]。

美、英、法、日等國在潛艇消聲瓦方面的技術較為先進。其中美國潛艇的噪聲水平相對較低，在美國的“洛杉磯”級攻擊型核潛艇、SSN-21海浪級攻擊型核潛艇以及俄亥俄級彈道導彈核潛艇上使用的是以丁基橡膠為基體的消聲瓦。俄羅斯從前蘇聯時期就開始進行潛艇安靜性技術的研究，1958年，前蘇聯就在SSN型潛艇上使用了消聲瓦，自1967年起，前蘇聯在各類潛艇中均使用了50～100 mm的橡膠型消聲瓦[31]。

消聲瓦在實際使用過程中仍存在容易脫落及在水壓條件下低頻吸聲性能下降等問題，因此各國正積極開展新型水下吸聲橡膠的研究。美國海軍使用的玻璃纖維雙層薄板消聲瓦具有良好的吸聲和減震效果。英國海軍也曾評估過橡膠夾芯復合材料在潛艇中的運用。

4 橡膠水下吸聲材料的發展趨勢

橡膠類材料作為水下吸聲材料的研究始于二戰時期，主要用于解決潛艇噪聲問題。隨著科學技術的發展，目前的吸聲材料逐漸走向寬頻化、結構化，均勻單一的橡膠材料已經無法滿足當前水下吸聲材料的性能要求。

未來隨著科學技術的發展，橡膠水下吸聲材料的制備工藝將更加完善，性能會逐漸向耐水壓和寬頻段吸聲方向發展，橡膠水下吸聲材料將具有更為廣泛的應用前景。