鱼雷导流罩用聚氨酯橡胶的透声性能研究

李卫民

（海军驻昆明地区军事代表室，昆明，650236）

自导鱼雷能在水中自动搜索、跟踪和攻击目标。为提高作战性能，适应复杂的海洋环境，现代鱼雷大多采用宽带自导系统，该系统的主要组成部分是安装在鱼雷头部的声呐基阵，它是发射和接收声信号的装置。针对声呐基阵的宽带需求，采用匹配层换能器是比较理想的选择，在纵振换能器的辐射面上灌注阻抗匹配层之后，其发射、接收性能及工作带宽都有较大幅度的提高[1]。同时声呐基阵的外表面覆有一层透声导流罩，起到减小运动阻力、降低流噪声和水密的作用。为确保声呐基阵的声学性能，导流罩材料需具备良好的透声性能。浇注型聚氨酯橡胶材料具有优良的透声和力学性能，同时成型工艺简单，不仅能够让声信号几乎没有反射和损耗地通过，而且能降低流体湍流边界层的压力脉动所产生的流噪声，是较理想的鱼雷导流罩材料[2]。

1 理论分析

声波入射到材料层上能够无反射、无损耗地通过，即特性阻抗与水匹配、衰减常数相当小的材料称之为透声材料[3]。因此，透声橡胶材料的一项重要考察指标是其特性阻抗ρc值（ρ指材料的密度，c代表材料的声速）是否与其两侧声波的传播介质水的特性阻抗ρ水c水值匹配，同时其声衰减常数应尽可能低。在实际应用中，导流罩外侧是水，内侧是声呐基阵的换能器匹配层，我们对该分层结构中的声传播、导流罩材料的声学性能对透声效果的影响需作进一步的探讨研究。

研究声波通过各分界面的能量传递，可以了解导流罩橡胶层对声呐基阵声性能的影响。设水（介质Ⅰ）特性阻抗R1=ρ1c1、导流罩材料（介质Ⅱ）特性阻抗R2=ρ2c2、换能器匹配层（介质Ⅲ）特性阻抗R3=ρ3c3，见图1。一列声压为的平面波从水一侧垂直入射到分界面（x=0）上，由于分界面两边的特性阻抗不一样，有一部分声波p1r反射回去，另一部分声波p1t透射入导流罩橡胶层中，同样，在x=d（d为导流罩橡胶层的厚度）处分界面上也存在反射波和透射波（假设透入换能器匹配层的透射声波被完全吸收）。

图1 声波在导流罩界面上的传播示意图

不考虑声波通过介质时的声损耗，则在两种介质的各区域内声压分别如（1）～（3）式所示。

相应的，在各区域两种介质中的质点速度分别如（4）～（6）式所示：

根据声学边界条件，经简单推导可得到（7）式，为声波经过导流罩橡胶层时的声强透射系数tI[4]。

从（7）式可以看出，声波通过导流罩橡胶层时透射波的大小不仅与三种介质的特性阻抗R1、R2、R3有关，还同导流罩橡胶层的厚度与其中传播的波长之比d/λ2（k2d=2πd/λ2）有关。若无导流罩橡胶层，即d=0时，声波直接从水中传入换能器匹配层，则（7）式可简化为：

另外，水中声波是通过纵波的形式传播，当声波以一定角度入射到橡胶材料中时将产生纵波和横波。若只考虑垂直入射，则声波在材料中将以纵波形式传播，其声速cL与材料的体积纵波模量S存在对应关系：

该模量为动态模量，为橡胶材料的动态力学性能。同时，体积纵波模量S与杨氏模量E之间可按（10）式进行相互换算。

式中，σ为材料的泊松比。

2 透声量计算及分析

设换能器匹配层的特性阻抗R3为3.9×106kg/（m2·s）且在一定频段内不随频率变化，水的特性阻抗R1取1.5×106kg/（m2·s），聚氨酯橡胶材料密度ρ2按1 050 kg/m3计。当声波直接从水中传入换能器匹配层时，匹配层材料中的声强透射系数tI如图2所示。在导流罩厚度确定时（d=10 mm），聚氨酯橡胶材料的声速取不同值，则声强透射系数tI随频率的变化情况如图3所示。当聚氨酯橡胶材料的声速确定时（c2=1 550 m/s），取不同厚度的导流罩胶层，声强透射系数tI随频率变化情况如图4所示。从图2～4可以看出，由于水和换能器匹配层的声阻抗不完全匹配，当声波由水直接进入换能器匹配层时，在界面处总有一部分声能量反射回水中，而当加入的聚氨酯橡胶材料的特性阻抗值处于水和换能器匹配层的特性阻抗值之间时，可以提高声波的透射量。同时，透声量随声波频率以及橡胶材料的特性阻抗、厚度的不同取值成规律的变化。

图3 不同声速聚氨酯橡胶材料，声强透射系数tI随频率的变化

图4 不同厚度的导流罩胶层，声强透射系数tI随频率变化

因此，若只考虑匹配则聚氨酯橡胶材料特性阻抗取 1.5×106～3.9×106kg/(m2·s)之间是合适的。但实际上聚氨酯橡胶材料的特性阻抗对于声学基阵的电导响应带宽是有影响的，如图5所示[5]，增加橡胶层后，匹配层换能器为拉宽频带而产生的双峰又变成了单峰，主要是改变了匹配层换能器辐射面上的辐射阻抗[5]。通过对匹配层换能器阻抗分析，考虑辐射阻抗的影响并进行修正才能获得较好的宽带响应[6]。同时，受换能器匹配层限制，聚氨酯橡胶材料的特性阻抗不能太高，应与水的特性阻抗接近，橡胶层的厚度也应结合导流罩的流线形统筹考虑。

图5 加橡胶层前后匹配层换能器的电导频响曲线

3 材料动态力学性能的影响因素

聚氨酯橡胶是由聚合物多元醇、二异氰酸酯和扩链剂反应生成，种类很多，可根据不同的使用环境和要求进行选择，在水下一般都是采用耐水性能良好的聚醚类聚氨酯。聚醚多元醇构成软段，二异氰酸酯和扩链剂构成硬段，通常二者不相容，并且硬段容易聚集一起形成许多微区分布于软段相中。有研究表明，聚醚类聚氨酯使用较多的软段聚四亚甲基醚二醇（PTMG）和聚丙二醇醚（PPG），橡胶态模量PTMG比PPG高，同时增加软段相对分子量，弹性模量降低；结构对称的二异氰酸酯容易形成硬段结晶，导致橡胶模量提高，同时增加硬段质量分数，也将使弹性模量提高[7]。因此，聚氨酯橡胶的动态力学性能（动态弹性模量）不仅与其化学结构有关，而且与微区分离的程度有关。动态力学分析（Dynamic mechanical analysis，DMA）是研究材料在交变应力下响应的一种试验分析方法，既能描述材料的模量又能描述力学内耗：储能模量E'表示材料在形变过程中由于弹性形变而储存的能量，也叫弹性模量；损耗模量E''表示过程中以热量损耗的能量；力学内耗（损耗角正切tanδ）为损耗能量与储存能量的比值[8]。图6为聚氨酯试样通过DMA测试分析，并根据时温等效（Time temperature superposition，，TTS）原理获得的动态力学谱（杨氏模量）。再通过式（9）、（10）可以获得该聚氨酯试样的声速值，为聚氨酯材料的合理选择提供支撑。由于材料的泊松比难以测量，可以再通过测量材料的剪切模量来换算得到[3]。也可以按照脉冲管法[9]测量聚氨酯试样的纵波声速和声衰减常数，表1为透声聚氨酯橡胶材料的测试结果。

图6 聚氨酯橡胶的动态力学性能

表1 聚氨酯橡胶的纵波声速和声衰减常数

4 结论

一定厚度的导流罩，其透声量受聚氨酯橡胶的特性阻抗（ρc）的影响较大，当材料的特性阻抗略高于水时，可以提高声波透射量的同时不影响换能器的性能。聚氨酯橡胶的纵波声速可通过其动态弹性模量计算得到，而材料的动态弹性模量不仅与其化学结构有关，而且与微区分离的程度有关，在材料研制过程中应给予关注。