新型材料在船舶减振降噪方面的前景与应用

朱竑祯，王纬波，高存法

(1. 南京航空航天大学 机械结构力学及控制国家重点实验室，江苏 南京 210016；2. 中国船舶科学研究中心 船舶振动噪声重点实验室，江苏 无锡 214082)

新型材料在船舶减振降噪方面的前景与应用

朱竑祯1，王纬波2，高存法1

(1. 南京航空航天大学 机械结构力学及控制国家重点实验室，江苏 南京 210016；2. 中国船舶科学研究中心 船舶振动噪声重点实验室，江苏 无锡 214082)

目前舰船上仍大量使用传统材料，而近年来新型材料的发展优化了舰船的设计及性能。本文从材料的角度为船舶的减振降噪提供新策略。主要介绍新型阻尼材料、负泊松比材料、超磁致伸缩材料、功能梯度材料、声子晶体和声子玻璃这几种当下热门的新型材料，分别阐述其作用机理，目前国内外的发展现状，并简要分析它们在船舶减振降噪方面的应用前景，希望能为未来新材料在舰船上的应用提供参考。

新型材料；减振降噪；船舶；应用前景

0 引 言

船体结构振动及外界风浪拍打形成的噪声，不仅会使船体结构产生疲劳破坏，而且降低了乘坐的安全性与舒适性。而对于军用潜艇而言，噪声更会严重影响其隐身效果，从而增加其暴露的危险性，降低战斗力。传统材料普遍笨重，减振降噪效果差。而新型材料立足于传统材料，通过人为优化其结构和特性性能更佳。未来的潜艇将向安静型潜艇的方向发展，但是国内现有船舶噪声控制技术落后，在材料的运用、制作工艺及噪声控制手段上都与发达国家有一定的差距。本文主要介绍几种新型材料在船舶减振降噪方面的发展现状和应用前景，为未来的工程应用提供一些参考。

1 新型阻尼材料

通常将材料内部经受振动变形的过程中把振动机械能转化为热能耗散掉的能力称为阻尼[1]。船舶上经常敷设阻尼材料达到减振降噪的效果。传统阻尼材料还存在不少不足，如比重较大、成本高、易燃及污染严重等。最先发展的非传统阻尼材料是高分子阻尼材料，高分子材料的分子链较长，结构复杂，耗能环节比较多，因此阻尼效果较好。然而高聚物的阻尼温度和频率范围小，损耗系数低，难以发挥最好的效果[2]。Quest T.E.[3]研究表明，加入合适的填料可使高聚物硬度增加，也增大了填料和高分子间的摩擦，从而使能量耗散更多。因此国内外研究人员提出了许多种填充方案形成新型复合阻尼材料。

1.1 新型复合阻尼材料

1.1.1 压电阻尼材料

压电阻尼材料都含有压电陶瓷、高聚物和导电填料3 种成分。压电粒子可将振动能转化为电能，电能通过导电网络将其以热能形式耗散。通过选择性能优良的基体材料，调节压电陶瓷的含量与颗粒度，改变导电相的种类与含量可以使压电阻尼材料的性能优化[4]。

在 20 世纪 90 年代，日本学者 Sumita 最先将炭黑加入压电陶瓷/聚合物复合材料中来达到减振的效果。最近几年，国内学者也逐渐开始将压电效应运用到阻尼材料中，成国祥[5]研究了含压电陶瓷粉末复合膜的吸声系数。蔡俊[6]将 PZT 压电陶瓷粉末含量对PVC/PZT 复合材料吸声能力的影响。秦岩[7]把压电复合材料作为船舶承力轴承的阻尼层，发现试件比传统钢结构的损耗因子有大幅提升，达到 0.415 6，阻尼层发挥了很大作用。万光兵[8]将压电阻尼材料制成悬臂梁，并取得了较好的主动控制效果。通过机械能-电能-热能的能量转换方式，压电阻尼材料的能量转化率越高，其阻尼效果越好[9]，且在低频范围有高效的吸声能力。

1.1.2 碳纳米管增强型阻尼材料

碳纳米管于 1991 年被首次发现，它是一种一维纳米材料，微观结构由六边形的石墨片卷绕而成[10]，具有优异的力学、电学、化学性能。2002 年 Koratkar[11]首次提出碳纳米管能增加高聚物的阻尼性能，认为碳纳米管的比表面积非常大，所以其与高聚物之间的界面摩擦很大，会吸收很大的能量，阻尼性能好。Kireitseu[12]实验研究发现碳纳米管的加入，会使材料在宽频率宽温域范围内具有较高的阻尼性能。当碳纳米管含量为 2% 时，材料结构阻尼提高了 200%，硬度提高了30%。

1.2 新型复合阻尼材料应用前景

对于阻尼材料的使用分为 2 类：一种是将其作为阻尼涂层覆盖在原有结构之上，但受到结构和尺寸的限制，一般用于简单的结构如梁、薄板等；另一种是直接将阻尼材料加入原有材料中共同成型，但可能会影响原构建的刚度和力学性能[13]。

压电阻尼材料能量转换率高，在低频范围有良好的吸声效果，阻尼效果好。不过压电材料本身质地较脆，对于杂质和缺陷较敏感，因此并不适宜用于直接制作某种构件。可考虑将压电阻尼材料用于作为螺旋桨推进舵的叶片阻尼层，它能有效吸收振动能，并将热量耗散到水中，也可将其用于一些设备的底座，防止振动向外辐射，达到降噪效果。显然压电材料若大幅使用，价格比较昂贵。不过已有学者[14]提出由于压电阻尼材料中使用的是压电粉末，可以用压电陶瓷废品取代，并不会影响其阻尼效果，只是取代后的效果还值得进一步商榷。

碳纳米管增强型阻尼材料阻尼大，比刚度高，密度低，温度和频率极限区间宽，更因为有了 C-C 键的加入，大大提高了原材料的刚度，力学性能出色。因此可以借鉴美国在 90 年代开始将复合材料用于潜艇推进轴[15]的经验，考虑将碳纳米增强型阻尼材料用于制作推进轴，能起到高阻尼，低噪声的效果，同时也并不会影响推进轴的刚度。不过这需要提高碳纳米管/聚合物复合材料的制备工艺，使其性能发挥最优。

2 负泊松比材料

2.1 概念与性能

泊松比表示横向收缩应变与纵向伸长应变之比，用公式表示为[16]：

绝大多数材料的泊松比都是正数，在某方向受到拉伸时，与载荷方向垂直的方向会收缩。而负泊松比材料在受到拉伸时，与载荷垂直的方向上反而发生膨胀。理论上，泊松比取负值合理，但真实情况下天然的负泊松比材料十分少见，现在负泊松比材料大多由人工设计合成。与普通材料相比，其物理性能有很大的优势，如抗冲击[17]、抗裂纹等。

2.2 负泊松比材料应用前景

在船舶减震降噪方面，负泊松比材料也有很好的应用前景，主要通过多孔固体材料来达到效果，多孔材料主要分为以下两类：

1）蜂窝结构

其负泊松比效应主要源于单元构型。内凹蜂窝多孔结构具有负泊松比的效果，如图 1 所示[18]。此类材料可以作为复合材料夹层板的夹芯材料，提升板的振动性能[19]，基于此类夹层板的浮筏隔振系统也能优于常规隔振系统[20]。此外可以直接使用具有宏观负泊松比效应的多孔蜂窝材料来制作新型船用隔振器[28]，通过仿真模拟正负泊松比效应的蜂窝结构隔振器，可以发现具有负泊松比效应的隔振器效果更优。这类隔振器的效果与蜂窝胞元的宽度、高度及壁厚等构形元素有关，通过调节形状参数可以使隔振器的效果优化[21]。

2）泡沫材料

对于船舶的减振降噪研究中，公认为多孔材料可以有效地吸声减噪。负泊松比多微孔泡沫也可以运用到这个领域中。Lakes[22]研究表明负泊松比泡沫材料比正泊松比泡沫材料吸收声波的能力更强，且对于 630 Hz以上频率[23]，小泡孔形负泊松比材料比大泡孔形负泊松比材料的吸收性能好。Alderson[24]的实验结果显示微孔负泊松比泡沫吸声能力比微孔正泊松比泡沫材料高1.5 倍，比其他普通泡沫塑料高 3 倍。但是作为吸声材料而言，多孔泡沫材料的强度难以保证，承载能力较差，如果非要增加其强度和刚度，却又会破坏其负泊松比效应，因此目前的研究还只限于实验室阶段。如果利用强度高的其他材料仿造多孔泡沫材料的结构，使其具有负泊松比效应，可能会制成很好的隔声吸声材料。

3 超磁致伸缩材料

图 1 正（左）负（右）泊松比蜂窝结构Fig. 1 Honeycomb structures of positive（left）and negative（right）

3.1 磁致伸缩效应与超磁致伸缩材料

铁磁体在磁场作用下被磁化时，长度、体积会发生微小变化，去除磁场又恢复原长和原体积，这种现象被称为磁致伸缩效应。其中在磁化作用下，材料沿着磁化方向伸长或缩短称为线磁致伸缩；材料体积发生膨胀或收缩称为体积磁致伸缩。体积磁致伸缩比线磁致伸缩微弱很多，而且通常发生在达到磁化饱和以后[25]，因此在实际应用中往往忽略体积磁致伸缩，只考虑线磁致伸缩，用沿磁场方向的伸长率表征，记为磁致伸缩系数 λ。当磁化饱和时，λ 达到最大，记为λs。具有磁致伸缩效应的材料即为磁致伸缩材料。铁本身就是一种磁致伸缩材料，铁磁体的 λs约为 10–6量级，应变量小。镍、钴、铁氧体等材料也具有较明显的磁致伸缩效应，称为传统磁致伸缩材料。传统磁致伸缩材料 λs一般为 10–5量级。

超磁致伸缩材料（GMM）是一种新型材料，在室温下就具有极大的磁致伸缩应变，一般 λs大于 3 × 10–5[26]。Clark 等[27]在传统材料中添加了稀土元素如 Tb 和 Dy 等，开发出三元稀土合金 TbDyFe2等，发现其在室温下磁致伸缩系数可达 10–3量级，其中 TbxDy1-xFey（x= 0.27～0.3，y = 1.9～1.95）合金具有最佳的室温性能，被称为 Terfenol-D 合金[28]。

传统磁致伸缩材料居里温度高，且机械性能好，只是磁致伸缩性能不够好，而稀土磁致伸缩材料虽然磁致伸缩性能好，但是机械性能不强，尤其是抗拉伸能力弱，脆性大，且由于在铁磁体中加入了稀土元素，因此成本很高。2000 年以后，Clark 等发现了 Fe-Ga，Fe-Be 等 Fe 基非稀土磁致伸缩材料，具有低场大磁致伸缩和良好的力学性能[39]。这种合金兼具了传统磁致伸缩材料和稀土磁致伸缩材料的优点，而且对环境的适应能力强，经济适用性高。美国海军也对磁致伸缩材料较感兴趣，希望可以在工程领域上发挥其优点。2012 年，美国海军水面战中心申请新型铁镓（Fe-Ga）合金磁致伸缩材料专利成功，称为“Galfenol”，专利号 US8，308，874B1[2]。超磁致伸缩材料与传统的磁致伸缩材料和压电材料相比，能量转换率大大提高，能量密度高，响应速度快，如表 1 所示[29]。

表 1 超磁致伸缩材料与金属镍、压电陶瓷的比较Tab. 1 The comparison between giant magnetostrictive material, metal Ni and piezoelectric ceramic

3.2 超磁致伸缩材料的应用前景

在船舶的减振降噪方面，这些新型的超磁致伸缩材料有以下发展方向：

1）用于振动主动控制，例如制作作动器安装在潜艇艇体表面以抵消艇体的振动。日本的 K.OhmateK 等[30]采用 Terfenol-D 设计了三连杆臂型半主动振动控制装置，减缓由于地震、强风等产生的振动。美国 M.Anjanappa等[31]建立了超磁致伸缩材料制作的迷你作动器（MMA），其在静态和动态都能有稳定的状态。与传统的作动器相比，超磁致伸缩作动器灵敏度高、可靠性高，寿命大幅延长。

2）用于制作某些振动部件的支撑结构。如可以用于支撑发电机，在发电机工作时吸收其振动能量，防止能量向外传递，能有效减少声辐射，此外采集到的振动能量转化为电能还可以二次利用。日本的U.Toshiyuki等[32]利用铁镓合金制成悬臂梁结构，收集振动能量转化为电能，反应比压电材料更灵敏；美国的 Flatau 和 Staley 等[33]分别采用 Terfenol-D、Galfenol材料设计了低频振动能量收集装置。杨东利[34]设计了超磁致伸缩执行器，证明其对于振动控制效果明显，适合用于低频的振动控制。超磁致伸缩材料用于制作振动能量采集器与常规材料和压电陶瓷材料相比，不需要外加电压源，输出能量密度更大。

在材料的制备上，我国对于稀土磁致伸缩材料和Fe-Ga 合金磁致伸缩材料都已经达到了与国际相近的水平[35]，但超磁致伸缩材料的缺陷会大大影响其性能，因此限制了其发展。目前的研究大多将超磁致伸缩材料用于制作换能器和微位移控制方面。

4 功能梯度材料

4.1 功能梯度概念

功能梯度材料（Functionally graded material，FGM）是一种材料特性随空间位置呈连续梯度变化的新型多相材料。在 20 世纪 80 年代日本科学家新野正之等就已经提出了这样的概念。其实自然界中的竹子和动物的骨头等就是典型的功能梯度材料，在显微镜下，它们的截面上分子的疏密程度由内向外逐渐均匀变化。

将梯度化的结构设计思想引入声学领域，制造具有渐变声阻抗的功能梯度声学材料。1965 年中国科学院声学所的尚尔昌[36]研究了尖劈的材料和形状对于吸声性能的影响，认为阻抗逐渐连续过渡能够消除阻抗匹配引起的反射，并能够配合以内部强烈的损耗。这应该是国内最早承认阻抗渐进吸声原理的理论依据，只不过当时需要通过均质材料结构的连续变化来实现阻抗的过渡，如今可制备出形状不变化而内部阻抗连续变化的非均匀材料。

4.2 功能梯度材料的应用前景

潜艇敷设的消声瓦要求满足与外部抵抗匹配和内部衰减能力强的条件，均质材料一般难以同时满足，而 FGM 材料可以通过人为设计使之外部阻抗相匹配，内部梯度满足声衰减要求，因此考虑用声阻抗梯度材料来作为消声覆盖层使用。

不过这方面的研究涉及军事，公开发表的研究比较少。王源升等[37]基于聚合物在溶解过程中会形成梯度高分子溶液，将水溶性聚合物粘贴在反射体上，在声管中充满水，如图 2 所示，形成了浓度梯度分布的高分子溶液，水声信号在其中存在多次反射和吸收，增大了声衰减。还选用了密度和声速不同的 3 种均一材料复合制成具有阻抗渐变结构的梯度材料，有效地降低了航行体噪声[38]。

在理论方面，若将 FGM 应用于艇体外表面，已有不少学者研究过功能梯度材料的声辐射问题，这为将来的工程应用打下了基础[39–41]。在材料制备方面，梯度材料多用多层粘接的方法，但是粘接会带来明显的界面效应，严重影响材料的质量。中船重工 725 所[42]用微波辐照法制备水声功能梯度材料，克服了多层粘结的工艺质量问题，制备过程具有重复性和可控性，通过试验证明制备所得的梯度材料明显比均匀材料吸声性能好，且声波从填料多一侧入射比从填料少一侧入射吸声系数高，这也为工程应用提供了参考价值。如今 3D 打印技术正在蓬勃发展，通过定义材料和其内部参数变化，可能会更有效地制作出功能梯度材料。

图 2 聚合物形成的梯度高分子溶液及声衰减实验装置Fig. 2 Gradient solution during polymer dissolving and equipment for testing sound attenuation

5 声子晶体与声子玻璃

5.1 声子晶体的原理

1993 年，Kushwaha M.S.等[43]首次提出声子晶体，声波与周期结构的材料会形成一个声子禁带，当声波的能量恰好处于声子禁带内，则声波无法在该结构内传播，将含有这种声子禁带的周期性弹性介质结构的材料称为声子晶体。当声子晶体结构内部存在点缺陷或线缺陷时，声波会局限在点缺陷处，或者沿着线缺陷的方向传播。

根据声波禁带的不同机理，可以将声子晶体分为布拉格散射型和局域共振型两类[44]。

布拉格散射型的声子晶体禁带频率随晶体尺寸的增大而减小，因此若要能获得低频的禁带频率，必须使声子晶体的尺寸足够大，这显然不符合实际工程应用的要求。2000 年，香港科技大学的刘正猷教授提出了局域共振机制，并论证了小尺寸局域共振声子晶体获得低频禁带的可能性[45]。用硅橡胶包裹半径 5 mm的铅球作为一个结构单元，排列放入环氧树脂基体中形成三维声子晶体，仅用 2 cm 厚的这种材料就能阻隔400 Hz 的声波。图 3 的左图为结构单元，右图为由结构单元和基体形成的 8×8×8 的声子晶体。铅球作为金属高密度材料密封于质地较软的橡胶中形成了共振组元，置于较硬的基体上，形成类似于弹簧振子的结构[46]。由于包覆层质地较软，相当于弹簧的劲度系数 k小，内部的金属材料密度大，相当于振子的质量 M大，因此共振频率可以很低，再联合硬质基体，便能产生低频的声频能隙。局域共振型与布拉格散射型不同，禁带由局域共振单元的共振特性决定，相同尺寸下，局域共振获得的禁带频率低得多，因为其共振频率不受材料尺寸的影响，所以能够满足“小尺寸控制大波长”[47]的工程要求。

图 3 局域共振声子晶体结构Fig. 3 Structure of locally resonant sonic crystal

5.2 声子晶体的应用前景

声子晶体存在声子禁带，禁带频率范围内的声波无法通过该物体，理论上声子晶体有隔振降噪的作用[48]。1993 年， Kushwaha M.S.首次提出声子晶体时，便指出这种材料在一定频率范围内可以能为精密机械加工创造一个无振环境[60]。

可以考虑利用声子晶体制作艇体结构中的板件或传动轴，不少学者已研究了声子晶体制成的基本结构（杆、梁、板等），并认为声子晶体结构对原结构的振动有减弱作用[49–52]。赵宏刚提出可以将局域共振型声子晶体用于水下消声覆盖层[53–54]。当不考虑材料的粘弹性损失时，局域共振型声子晶体表现出全反射的特性，实际情况中粘弹性是不可避免的，因此难以实现全反射。但是局域共振型声子晶体的有效作用频带比较窄，难以实现宽频吸收声波，不能满足水下复杂声场对于材料的要求。

5.3 基于声子晶体的声子玻璃

2012 年，姜恒等[55]在局域共振声子晶体结构基础上，将局域共振单元引入互穿网络结构中设计制造了声子玻璃。将软聚酯氨弹性体渗入到泡沫铝中并形成大约 0.3～0.6 mm 厚度的包裹，再将硬聚酯氨弹性体包裹在最外层，产生粘弹性效应，在局域频率范围内能产生最大的声吸收，且其声阻抗与水相匹配，可以使声波尽可能进入材料内部，其结构如图 4 所示。姜恒等[56]对 1 cm 厚度的声子玻璃水下吸声能力实验，在12～30 kHz，声子玻璃的水下吸声系数均在 0.9 以上。即使是 4.8 cm 厚的声子玻璃吸声系数仍能保持在 80%以上。从材料的角度而言，聚氨酯耐低温，耐腐蚀，能够适应水下环境，且由于含有金属铝泡沫，具有较好的力学性能，比普通高分子材料承受静水压力的能力大大提高，测试证明在 4.5 MPa 下，材料仍有较好的吸声效果[57]，当然也可以用别的金属材料替代泡沫铝，如泡沫铜等[58]。由此可见，在制作水下覆盖层实现吸声效果方面，声子玻璃可能会比声子晶体有更好的效果。就目前的技术而言，声子玻璃主要利用泡沫金属的孔洞和高分子材料结合形成多种共振单元实现宽频吸声，毕竟孔洞的尺寸较难人工控制，因此对于材料的结构优化及其对吸声效果的影响还需进一步研究。

图 4 声子玻璃的结构Fig. 4 Structure of phonic glass

6 结 语

本文主要介绍了 6 种已有一定理论基础的新型材料，并阐明了各自的发展情况和在船舶减振降噪方面的应用前景。新型材料确实具有传统材料不能比拟的一些优点，但是也会带来一定的风险，还需要多次实践，反复论证才能真正应用于工程。我国现在材料的制备技术已经比较成熟，但是与美国、德国等发达国家相比，对于新材料的研究与应用还有很多发展空间。

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The prospect and application of new materials on vibration and sound reduction of ships

ZHU Hong-zhen1, WANG Wei-bo2, GAO Cun-fa1
(1. State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China; 2. National Key Laboratory on Ship Vibration and Noise, China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China)

Traditional materials are still widely used in ship manufacturing at present, but the development of new materials gradually brings in new inspirations of ship design and its performance optimizing recently. This paper aims to provide new strategies for vibration and sound reduction of ships from a material standpoint. Several kinds of popular new materials including new damping material, negative Poisson's ratio material, giant magnetostrictive material, functionally graded material, phononic crystal and phononic glass are introduced. Their working theories, current research progress worldwide and the prospects of application on vibration and sound reduction of ships are stated in detail. Hope this overview can be a reference to new materials' applications on the ship design in the near future.

new materials；vibration and sound reduction；ship；prospect of application

TB3

：A

1672–7619(2016)12–0001–08

10.3404/j.issn.1672–7619.2016.12.001

2016–03–02；

2016–04–05

朱竑祯(1991–)，女，博士研究生，主要研究方向为复合材料力学。