吸声圆锥排布对声性能的影响

陈国锋 徐肖锋 汲长远 罗马奇 吴友亮 陶玉春

（第七一五研究所，杭州，310023）

1 基材选择

作为水声吸声材料必须满足两个条件：（1）材料的特性阻抗与传播介质水的特性声阻抗要匹配，使声波能够无反射的进入材料内部；（2）材料要有大的声衰减性能，使入射进来的声能绝大部分被吸收[1]。在应用方式上，通常采用的是共振式或渐变吸声结构。前者是在材料中设置孔腔，通过改变孔腔的大小和数量来调整材料的有效弹性模量和损耗，同时声波在材料孔腔内发生共振吸收，因此孔腔结构可以增加材料的吸声性能。渐变过渡结构常把橡胶等材料制成尖锥或尖劈状，实现材料声学状态的逐步过渡，以达到阻抗匹配的目的。

在水声工程中，高分子粘弹性材料经常用作水声吸声材料。当声波作用于高分子介质时，会将能量传给大分子链段，引起大分子链段的热运动，从而将入射的水声声能吸收衰减。高分子材料的声学特性与许多因素有关，如温度、声波频率、基体高分子的化学结构、化学交联体系及填料等。通常，内耗大、阻尼性能好的高分子材料适宜作水声吸收材料，如丁基橡胶、聚氨酯橡胶等。丁基橡胶是一种很好的阻尼材料，耐老化和耐水性能优良，适用于在水中长期使用，因此本次试验选取丁基橡胶为基料。

吸声体的吸声性能除受胶料的影响外，吸声体的行状也是影响吸声性能的重要因素之一。圆锥吸声体就是利用他本身的锥度实现阻抗的逐渐过渡，使之与水介质阻抗相匹配。通过研究发现，圆锥的长度增加，低频吸声性能相应提高，如果在圆锥中设有孔腔，亦能有效提高圆锥吸声性能。吸声圆锥大量应用于消声水池模拟广阔水域环境。通常要求水池四周以及上下水面都要贴附橡胶吸声圆锥，达到六面消声的效果。整个消声水池的声测试环境好坏，不仅决定于单根吸声圆锥性能，同样与吸声圆锥排布密切相关。

2 吸声圆锥的结构

现已研发并投入使用的吸声圆锥有两种Φ50×470（SA-Y470）和Φ37×333（SA-Y330），见图 1、图2。单根声学性能如表1所示。从表中可以看出当测试频率为2.0 kHz时，两种吸声圆锥的吸声系数都在90%以上；3.0 kHz以上时，达到98%以上，能够很好的满足低频吸声的目的。但在实际的工程应用中，考虑到两种型号的圆锥排布密度和硫化加工成本，通常根据水池等测试载体实际测试任务情况进行选择[2]。

图1 SA-Y470吸声圆锥外形尺寸

图2 SA-Y330吸声圆锥外形尺寸

表1 SA-Y470与SA-Y330吸声圆锥的声学特性

3 吸声圆锥的生产工艺

基橡胶是一种低不饱和度材料，其硫化比天然橡胶、丁苯橡胶困难的多。因此，为达到适宜的硫化程度，需要采用高温硫化或者活性高的促进剂或者较长的硫化时间。丁基橡胶一般采用硫磺、树脂和醌二肟等三种硫化体系。考虑到环境污染和成本问题，我所选择使用醌二肟硫化体系。为获得可压缩性胶料，在丁基橡胶中加入含有气泡性填料，使其硫化后，形成均匀的空腔，增大损耗，本文将此类填料称为吸声填料。吸声填料有很多种，如国外报道的石墨和铝粉，但由于价格较高而无法大量使用，本次试验最终选择一种天然矿石烧制而成的片状填料-蛭石粉[3]。然后对丁基橡胶生胶进行塑炼、加塑化剂及粉料混炼、薄通打包、放大辊距加入填料蛭石粉、再次混炼薄通、最后下片。将混炼胶挤出冷压成型，最后模压硫化得到成品。

4 吸声圆锥排布试验分析

4.1 SA-Y470吸声圆锥排布试验

对SA-Y470低频吸声圆锥进行排布试验，将吸声圆锥在Φ208 mm的圆面上作三种排列，见图3。利用水声材料驻波管测量系统，常压下三种排布方式的试样进行声学性能测试，测试结果见图4。

图3 SA-Y470吸声圆锥排列

图4 SA-Y470不同排布的吸声系数

常压下，在0.2～1.0 kHz频段，SA-Y470吸声圆锥排布密度增加，吸声系数随之增加；均匀排布和等距排布吸声系数无明显差别。在1.0～4.0 kHz频段，3种排布下的吸声性能无明显差别。

4.2 SA-Y330吸声圆锥排布试验

对SA-Y330低频吸声圆锥进行分布密度试验，将吸声圆锥在Φ208 mm的圆面作3种排列。单独N=12等距排布无法实现，本文通过在N=14等距排布方式下空出对角线方向两个角实现。

图5 SA-Y330吸声圆锥排列

图6 SA-Y330不同分布密度的吸声系数

在低于3.5 kHz频段，随吸声圆锥SA-Y330数量增加，吸声系数明显提高；N=12均匀排布和等距排布无明显差别。高于3.5 kHz时，吸声系数均大于98%；三种排布方式下吸声性能无明显差别。

5 结论

通过本文的研究可知，对于吸声圆锥组合试样，在一定声波频段下，可通过提高吸声圆锥的占空比提高吸声性能。但声波频段高于某个频率点，通过提高圆锥占空比来实现更为优异的吸声性能并不现实，反而会造成资源的浪费。本文研究结果可为正在和将来建设的消声水池作参考，从而更为科学的进行水池声环境治理。