聚脲涂层结构模型吸声性能及应用研究＊

张文成 周穗华 蒋安林

（海军工程大学兵器工程系 武汉 430033）

水下目标为了减小敌方主动声呐探测时自身的目标强度，实现目标声隐身，一个重要途径就是在壳体外敷设粘弹性材料，目前主要使用的是橡胶.根据水下多层介质声传播理论［1－2］，当探测信号波长与目标曲率满足一定的波长尺度比时，可以近似为均匀多层平板结构的吸声模型，而吸声模型的吸声性能又主要取决于敷设的粘弹性材料.本文利用传递矩阵法计算了水下均匀多层结构吸声系数，利用数值仿真研究了水下垂直入射吸声模型的吸声性能与吸声层材料参数之间的关系，分别对喷涂聚脲（SPUA）和橡胶进行数值仿真，通过对比分析和实验验证，为喷涂聚脲的应用提供了依据.

1 理论分析

1.1 模型的吸声机理

粘弹性材料是一种同时具有粘性液体和弹性固体特性的高分子聚合物材料.根据高分子化学理论，粘弹性材料由长分子链组成，每个分子链又由许多链段联结而成，因此这种材料受力时会产生高弹性形变的弹性驰豫过程.由动力学原理可知，在声波作用下，材料交替的压缩和伸张形变的过程中，部分声能转变为热能而损耗，这就是由弹性驰豫作用引起的吸收.另外，粘弹性还存在粘性内摩擦作用引起的粘滞性吸收.

根据水声传播理论，对于均匀多层复合结构，当吸声层表面阻抗与水介质波阻抗匹配时，入射声波就能尽可能多的进入到材料内部，此时其吸声效果取决于吸声材料内损耗系数.因此阻抗匹配和材料的损耗系数是决定吸声模型性能的两个主要条件.

1.2 模型的传递矩阵方法

设有N层均匀弹性层构成的系统，如图1所示.在声波作用下，记系统下边界和上边界的振速向量分量值分别为vx（0），vz（0），vx（N）和vz（N），应力张量的法向分量和切向分量分别为和，中间第n层上、下分界面上各值为和

图1 多层结构模型

将每层看作4输入4输出的8端网络，网络参数可以写成一个4阶矩阵.对第n层，上、下边界振速值和应力值的关系可以表示成

1.3 声波垂直入射时模型的声场特性

当声波垂直入射时，固体弹性层中只产生纵波，振速和应力切向分量为0，因此可以将多层结构等同于多层液体层，传递矩阵可简化为2阶矩阵.

图2 声波垂直入射时多层结构模型

对第n层，记介质密度和厚度为ρn和dn，波数为kn，为便于计算可将原点取在其下边界处.由z＝0和z＝dn处边界条件，即声压连续和质点垂直振速连续，不难推出第n层传递矩阵为

式中：pn＝kn·dn，zn＝ρn·cn.

联立式（4），（5）2式确定模型参数矩阵中各元素，按图2所示，再根据z＝0和z＝H的边界条件，结合式（3）即可求得模型反、透射系数和吸声系数，记符号M，N为

得反、透射系数和吸声系数

2 数值仿真

根据上文利用传递矩阵法推导的相关公式，对多层均匀结构进行计算机仿真，几乎可以对任意多层进行仿真而不需要考虑能力限制.为了结合实际，仅对图2所示模型的声学特性进行编程仿真，重点分析吸声层材料参数对模型声学特性的影响，以期发现其内在规律，为材料设计提供指导，也对不同的吸声材料进行了对比分析，以下非特别说明都采用如图2所示模型.背衬和吸声层（聚脲和橡胶）厚度都取为3mm.

2.1 材料参数与模型吸声性能的关系

对吸声模型，由于粘弹性材料密度接近于水，且随频率变化很小，一般在1.01ρ水～1.06ρ水之间，不妨取吸声层ρ1＝1 050kg／m3，损耗因子η＝0.49，弹性模量一般为动态值，背衬为钢板，声学参数为ρ2＝7 840kg／m3，c2＝5 941m／s.水的声学参数取ρ0＝1 000kg／m3，c0＝1 500m／s.信号频率取50～ 500kHz，下面重点分析弹性模量的影响，仿真结果见图3和图4.

图3 反射系数频率特性

图4 吸声效果频率特性

由图3～4可以看出：（1）对于同一弹性模量，吸声性能具有随频率振荡的特性，特别是在模量较大时这一特性更为明显；（2）对于不同模量，吸声模型在高频段都具有良好的吸效果，吸声系数高于90%，且相对比较稳定；（3）吸声模型的吸声性能明显的表现出“脊”的特征，最高的“脊”代表了最优的材料参数的频率特性，其所包含的材料参数与吸声性能之间的规律，即是材料设计与优化的方向和理论依据.由图4中可以看出，在所研究频带内，最高的“脊”吸声系数都在90%以上，弹性模量变化范围大致为109～3×109.

2.2 不同材料的仿真对比

下面考查丁苯橡胶和某型喷涂聚脲为吸声涂层时的吸声效果.橡胶是目前应用中最为流行的吸声材料，喷涂聚脲则是由异氰酸酯组分（简称A组分）与氨基化合物组分反应生成的一种弹性体物质，目前主要用于防腐、防水、水中航行器减阻等领域.

材料参数见表1，吸声层分为橡胶和聚脲时，对模型吸声性能的仿真结果见图5和图6［8－9］.结果说明，在高频段，聚脲和橡胶吸声性能表现比较一致，都在95%左右，但是采用聚脲的模型在更宽的频带内具有较好的吸声特性，对实际应用具有重要意义.

表1 不同材料的声学参数［10］

图5 不同材料的反射系数曲线

图6 不同材料的吸声系数曲线

3 实验验证

为了进一步明确喷涂聚脲时模型的吸声性能，在消声水池对图2所示模型进行了实验验证.

实验条件：换能器收发合置；波束宽度14°；换能器与目标距离1.5m，深度1.5m；消声水池5m×8m×5m（长×宽×深）.

样品规格：底衬钢板45mm×50mm×3 mm；吸声涂层厚度3mm.

通过实验测量得到3mm厚无吸声涂层钢板反射系数为0.998，以钢板作为标准样品，利用比较法消除入射波，得到各实验样品反射系数，实验结果见图8.

实验结果说明，在实验所取频带内喷涂聚脲样品吸声性能与上文理论计算结果频率特性变化趋势相符合，验证了上文理论计算结果的正确性.

图7 128kHz无涂层时钢板目标回波

存在误差的原因，一方面是由测量误差引起的；另一方面，实验样品回波信号中含有噪声，由于影响很小，没有进行降噪处理，也导致了实验测得的反射系数与理论计算结果有偏差.

图8 模型反射系数实验对比

4 结束语

本文利用传递矩阵法计算了水下均匀多层结构模型的吸声系数，并对垂直入射时多层结构的传递矩阵做了简化.对喷涂聚脲和橡胶分作为吸声层进行了仿真对比和实验，说明聚脲作为吸声层具有良好的性能，为聚脲在水中兵器的应用提供了依据.

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