水声材料在声呐湿端中的应用

张德志 杨洁 周利生

（第七一五研究所，杭州，310023）

声呐是舰艇水中目标探测和通讯的主要手段，声呐由干端和湿端两部分组成，干端为信号处理系统，湿端为水下声系统。在声呐系统中，水声材料主要分为水声有源材料和水声无源材料两大类。本文主要论述水声无源材料在水下声系统的应用。水声无源材料包括透声材料、反声去耦材料、吸声材料等，主要应用于水声换能器、声基阵、声呐安装平台、声呐导流罩等领域。水声透声材料主要用作水声换能器声辐射面透声窗材料、防水密封材料和声呐导流罩透声窗材料。反声去耦材料是水声换能器、声阵和导流罩的重要附属声学构件，用于改善和提高水下传递信息的质量，保证信号不失真地传递给信号处理装置。吸声材料主要应用于声基阵安装平台、声呐导流罩非透声区以及潜艇声隐身等领域，通过降低回波信号，减弱声呐平台区噪声混响、抑制刚性结构振动，优化声呐平台噪声，改善声系统工作的近场环境条件，从而降低潜艇的声目标强度。

水声无源材料应用于声呐湿端有关的诸多领域，对声呐系统的作用距离、灵敏度以及可靠性起基础性和决定性的作用。

1 透声材料及应用

水声透声材料具有表层无声波反射和声信号能无损透过的特点。其声学特性来源于与介质海水有良好的匹配性，两者的特性声阻抗接近，同时其本身具有较低的声传输损耗，使声波几近自由地通过。水声透声材料主要用于水声换能器透声窗和声呐导流罩透声窗及水声换能器防水封装。因工作状态下与水下电子元器件接触，通常还要求其具有低的透/吸水性、优异的电绝缘性、良好的耐霉菌性，部分工作环境下还需具有较好的耐油性。常用的水声透声材料有透声橡胶、液体聚氨酯、钛合金、玻璃钢以及结构增强的复合橡胶材料等。

1.1 透声材料在换能器的应用

水声换能器主要用于水中声波能量的发送和接收，其能量转换主要由有源压电元件实现，在换能器的设计中，优先考虑的是有源压电元件的选择和设计。但换能器是一个复杂的系统，其基本组成包括透声窗材料、有源元件和背衬材料。换能器的性能不仅取决于压电元件，压电元件的背衬材料、透声窗材料等对换能器的工作频率、响应灵敏度等参数均具有显著影响。

水声换能器长期工作在水下，水密可靠性是换能器设计中的重要问题，防水性能的好坏直接决定了换能器的性能。在换能器结构中，透声窗作为有源元件的声学负载，其性能与换能器的性能密切相关，要求其特性阻抗与海水的特性阻抗相匹配，具有较低的衰减系数。同时，透声窗介于外部介质（一般为海水）和有源元件之间，透声窗在保证声能自由进出的同时，兼具优异的防水绝缘性能。

橡胶类高分子材料具有优异的加工、防水、电绝缘和粘接性能，通过配方设计和材料性能优化，其特性阻抗可以实现与海水较好的匹配，是目前通用的换能器防水包覆材料，主要应用于换能器辐射面、后座、电缆密封等部位。图1为氯丁透声橡胶硫化包覆的换能器，图2为液体聚氨酯浇注包覆的换能器。

图1 氯丁橡胶包覆的纵振换能器

图2 聚氨酯包覆的圆环换能器

1.1.1 弹性体橡胶在换能器的应用

氯丁橡胶耐老化和粘接性能优秀，是国内水声换能器透声窗使用的主要胶种。但氯丁橡胶低温易结晶，其极性高分子长链结构决定了材料自身具有较大的温度依赖性和动态滞后性能，导致氯丁橡胶透声窗温度稳定性差。换能器工作在海水中，其环境温度随不同季节、不同海域和不同海深而改变，环境温度的改变和换能器在不同频率的动态工作状态，对作为透声窗的氯丁橡胶材料性能有很大影响，导致橡胶的特性阻抗发生改变，不再与海水的特性阻抗相匹配，反映到换能器性能方面，即换能器阻抗发生改变，灵敏度响应变差、频率产生漂移。通过采用薄壁结构设计，减小橡胶层的厚度，可以减小橡胶对传感器性能的影响。但这种处理方式是以损失换能器的使用可靠性及寿命作为代价的，在长期使用过程中，经常出现橡胶渗水导致绝缘性能、粘接性能下降，从而导致换能器失效。

针对氯丁透声橡胶易结晶、模量随温度变化大的问题，国内先后开展了大量的研究工作[1-6]，并取得了显著效果。其主要技术途径：一是选取低结晶度的氯丁橡胶；二是通过氯丁橡胶与顺丁橡胶/丁苯橡胶等胶种的共混改性，破坏氯丁橡胶的结晶度，改变共混胶模量的温度平坦性。图3为水声换能器常用氯丁橡胶声学性能测试结果，图4为新型复合结构导流罩用改性氯丁橡胶透声性能测试结果。

图3 氯丁橡胶透声性能

图4 改性氯丁橡胶透声性能

换能器长期泡水绝缘下降是因为橡胶中含有水溶性物质，渗入的水分在橡胶内部形成蒸汽压，橡胶内外部的水之间的蒸汽压压差是水分渗入的推动力。随着吸水的增加和橡胶膨胀后的压力，内外渗透压差逐渐减小，直至渗透压相等时，保持吸水平衡，因此，橡胶的定伸强力越高，到达平衡点时所吸收的水分越少，防水性能越好。一般选择在橡胶中添加大量的补强填充剂实现橡胶的高定伸强度，但此举在提高橡胶防水性能的同时，给橡胶成型加工及声学性能调整带来困难，实际中需要兼顾二者的平衡。杜仲胶的反式-1,4-聚异戊二烯分子链结构使其兼具玻璃化转变和结晶熔融转变（γ晶35 ℃，β晶52 ℃，α晶62 ℃）等多重分子链聚集态转变特性，赋予了杜仲胶橡塑二重性的特点，兼具橡胶的粘弹性和塑料的高模量。杜仲胶的静态杨氏模量为230 MPa，比传统橡胶1～4 MPa的杨氏模量高出近百倍。与传统橡胶相比，杜仲胶的抗拉与抗压能力要强许多。杜仲橡胶与通用橡胶相容性好，采用杜仲胶与传统橡胶改性共混，具有对传统橡胶模量和强度跨量级调节的能力，这是其它传统橡胶材料所不具备的优异性能，从而为改进水声材料特别是解决深水透声材料的水密性能提供了方向。

透声橡胶材料的声学性能取决于其密度和声速，主要由其物理力学性能来保障。但橡胶材料在长期使用过程中，老化会导致其物理力学性能降低，使换能器失效。为此美国海军水下作战中心多年来花费了大量资金和时间对透声窗材料在换能器等水声设备上的应用进行考核和优化，获得大量的材料声学性能试验数据，从而更好地保护换能器在水下免受损害和海水侵蚀，确保后期水声透声材料的性能稳定和可靠。

1.1.2 液体聚氨酯橡胶在换能器的应用

液体聚氨酯橡胶采用常温常压浇注工艺加工，成型工艺简单，对内部结构、元器件损伤小。与氯丁橡胶相比，具有更好的温度稳定性，是另一种换能器常用的水下密封透声材料。美国海军上世纪70年代开始采用聚氨酯作为水声换能器的防水透声材料，经过多年的应用研究，美国海军实验室和设备供应商确定了多家材料公司的多种聚氨酯产品（如PR-1592、PR-1547、ConathaneEN-7等）作为水声换能器的防水透声材料，并在水声装备中得到了广泛应用。国内采用聚醚型聚氨酯制作水声换能器的透声窗，与聚酯型聚氨酯相比，其耐水性好、透水率低。但在水中浸泡六个月后，聚氨酯封装的换能器绝缘电阻也显著下降。

近年来国内采用有机硅/含氟基团接枝共聚、分子链端基封闭、提高聚氨酯硬度等合成工艺，使聚氨酯的防水性能有了明显提高[7-10]。但换能器封装试验表明，高硬度聚氨酯对换能器灵敏度响应、工作频率影响较大，特别是用于高频水声换能器的透声密封。改进型聚氨酯防水性能仍无法解决换能器在水下长期工作电绝缘下降的问题。

聚丁二烯型聚氨酯橡胶（ConathaneEN-7）耐水性好、高频声衰减性低，在国外水声换能器的防水密封上已有了成熟应用。围绕其固化交联反应快、粘度高、工艺性能差的问题，国内开展了大量的共混改性研究[11]，后期有望解决国内水声换能器特别是高频水声换能器液体浇注密封的难题。

1.2 透声材料在声呐导流罩的应用

声呐导流罩既是舰船壳体的一部分，也是声呐基阵安装平台的一部分，起到支撑、导流和透声的作用。首先是导流，使舰艇具有良好的顺流性，不但航行阻力小，而且产生的流噪声低；其次是保护声呐的水下声基阵，使其有一个“安静”的声学环境，在“声”通过其进出时基本“透明”，以便充分发挥声呐的探测性能。声呐导流罩在满足声呐工作频段的透声、强度和流噪声方面相互矛盾，其性能对声呐系统在高航速下的宽频探潜、通信性能起着至关重要的作用。

由于基地主要位于高纬度，海域浮冰期较长，俄罗斯海军主要采用抗浮冰效果较好的双层钛合金板制作导流罩的透声窗[12-14]。目前综合性能较好的是美国海军用舰艇导流罩，其水面舰声呐导流罩采用橡胶透声窗，潜艇声呐导流罩采用三明治型“橡胶-玻璃钢-橡胶”复合结构透声窗。自上世纪60年代以来，美国海军及其盟军有多台套橡胶导流罩装舰（FFG-7、DDG-51、CG-47 等系列）服役[15-16]。与玻璃钢、钛合金导流罩相比，橡胶导流罩声学适应性好，影响声场畸变的因素较少；减隔振性能好，能够有效衰减通过壳板振动传递与辐射的噪声；自身材质的粘弹阻尼特性可减少高速航行下流体扰动噪声，有利于提高声呐信噪比。国外典型导流罩外形见图5～7。

图5 前苏联“明斯克”号航母舰艏双层钛合金导流罩

图6 美国AN/SQS-53声呐（橡胶）导流罩

图7 挪威F310驱逐舰舰艏玻璃钢导流罩

国内最初采用的是玻璃钢导流罩，由于罩子尺寸巨大，需使用板肋增强结构进行支撑固定。因板肋是声的散射体，对于发射声基阵来说，会导致发射声场畸变，轴向声压级减小，影响作用距离；对接收基阵来说，会引起接收声场的畸变，影响定向精度。改进后的玻璃钢导流罩由桁架结构代替板肋增强结构。桁架是由断面较小的矩形钢或圆钢焊接而成，在满足结构强度和舰艇安全的前提下，选用的矩形钢或圆钢越来越细，罩的窗格越来越大，以最大限度减小对声波的散射。

近年来，国内水面舰大量装备双层钛合金导流罩。从航行试验结果来看，双层钛合金导流罩在中低频段透声性能还是比较理想的，但在高频透声性能较差，高航速下流噪声激增，且其加工困难，造价高。目前，国内复合结构橡胶导流罩已完成原理样机研制。复合结构橡胶导流罩高频透声性能、减振性能均优于玻璃钢导流罩，二者之间性能对比见图8。

图8 玻璃钢导流罩与复合结构橡胶导流罩性能比对

潜用导流罩现已完成碳玻混杂纤维玻璃钢导流罩、单面敷设透声橡胶复合型玻璃钢导流罩的定型和装备。不同种类导流罩性能对比见表 1。随着声呐综合集成需求和高航速舰艇编队发展，声呐导流罩的宽频透声性能、减隔振能力、高航速下噪声“致盲”等成为艏端多部声呐集成的瓶颈问题。

表1 不同种类导流罩性能对比

2 反声去耦材料及应用

为保证声在指定方向上的发射（或接收），屏蔽自噪声和隔离声呐基阵附近障碍物产生的散射声，提高水下声系统的抗干扰性，水声换能器或声呐基阵设计中多采用声障板对水声换能器或基阵进行声屏蔽。声障板是保证水声换能器和声呐基阵性能和可靠工作的重要声学构件，工作机理见图9。在声呐基阵和换能器设计中，对声障板的结构形式和声学指标提出具体要求。反声材料/反声障板基本要求：在规定频率范围、工作水深具有满足要求的反声能力。表征反声材料/反声障板的主要性能指标：①工作压力；②工作带宽；③反声系数；④透射系数。因此，良好的反声材料/反声障板必须具备两个条件：一是阻抗失配，即材料的特性阻抗与水的特性阻抗相差越大越好，使得水中的声波不能进入材料内部；二是具有一定的声衰减能力，以减小障板的后辐射。

图9 反声障板工作机理

2.1 声障板在水声基阵上的应用

在接收水听器和接收基阵中，声障板主要用于提高其抗干扰性。对于发射换能器和发射基阵，声障板主要用来把能量集中在指定的方向上，形成尖锐的指向性，保证主声轴上声压的增长并减小后波瓣，增大声呐的作用距离。此外，声障板还能隔离声基阵附近的噪声干扰和障碍物散射，对基阵架的噪声进行有效隔离。图 10为带障板圆柱发射换能器阵指向性测试结果，由指向性图可以看出，声学障板使圆柱发射阵形成了明显的指向性和极小的后波瓣。

图10 带障板圆柱换能器及指向性图

低密度均匀介质材料的声学性能受结构尺寸、水压影响较大，限制了传感器和声呐基阵的工作带宽和使用水深；金属声障板结构笨重、声旁路问题严重，安装和减振问题突出。均匀单一材料的低频、宽带隔声效果不尽理想，复合结构设计成为宽频耐压反声障板研究的重点。

近年来随着材料技术和计算机技术的发展，国内学者针对宽频耐压声障板的材料体系选择、声学结构设计和反声机理开展了深入广泛地研究[17-19]，极大地拓宽了反声障板基材范围、耐压强度和工作带宽。目前，比较成熟通用的宽频耐压反声障板主要有两类：一类是复合材料夹心结构声障板，主体结构由多层弹性薄板中间夹持刚性支撑构成，每两层弹性薄板中间设计有均匀分布的声学空腔，多层结构的边缘部分采用防水材料密封，构成整体水密的结构形式；另一类是采用多层含声学空腔的高韧、高弹橡胶板，中间用薄橡胶板或薄金属板隔离，多层之间通过胶粘剂粘接复合在一起，构成多层复合结构橡胶声障板，如图11所示。

图11 复合结构橡胶声障板

2.2 声障板在声呐平台上的应用

舰艇水声对抗技术发展的重点是开发低频、大功率声呐，以探测、识别和定位敌方新型隐身舰艇。声呐性能的发挥不仅受基阵及导流罩功能的影响，还与声呐平台区自噪声密切相关。声呐平台区自噪声的大小直接影响被动声呐的作用距离、目标识别精度，降低声呐平台区自噪声是提高声呐信噪比的重要途径。

机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声是声呐平台区自噪声的主要噪声源。航行状态下，导流罩表面湍流边界层流体的脉动压力激励透声窗振动，产生水动力噪声。低航速下，水动力噪声通常被机械噪声和螺旋桨噪声掩盖；当航速大于10～12 kn后，水动力噪声急剧增加，成为平台主要噪声源之一。螺旋桨噪声通过海水直接传播和经由海底、水面反射传播到声呐基阵平台区，当航速较高时，螺旋桨产生的空化噪声成为声呐基阵平台区自噪声的主要分量。船舶机械设备的振动通过基座、管路等传递到船体结构，引起声呐基阵平台区壁板振动，产生辐射噪声；同时，船体结构振动直接向水中辐射噪声，舱室空气噪声也激励船体结构振动，向水中产生辐射噪声，它们经海水传播到声呐基阵平台区。机械噪声与航速的1～2次方成正比。远离声基阵平台区的船舶设备，振动沿船体传播衰减大，其影响主要以水中的声传播途径为主；靠近声基阵平台区的船舶设备，是声呐基阵平台区壁板振动的主要原因。

经由船体结构、舷外传播到声呐平台区的螺旋桨噪声和后壁板振动辐射噪声总称艉向噪声，是声呐平台区的主要噪声源之一。导流罩非透声结构上敷设的阻尼抑振材料和吸声材料对由水介质传递到声呐导流罩内的艉向噪声抑制效果有限。为消除艉向噪声对声呐的影响，基于阻抗失配原理，在声呐导流罩平台区声基阵与后壁板之间，设计、安装专用声学隔板[20-22]。声学隔板艉部方向的声阻抗与海水的特性阻抗相差很大，隔声性能好，从传播路径上有效阻断艉向噪声向声呐平台区的传递，是目前声呐平台区艉向噪声治理通行的方法。

图 12为安装艉向障板、底障板结构前后的某声呐平台噪声分布。噪声测试表明，加装声障板前，舰艉方向噪声比舰艏高10～12 dB；加装声障板后，巡航工况18 kn航速及以下航速，舰艉方向噪声级相较舰艏及两舷方向降低7～14 dB；高航速24～30 kn，舰艉方向噪声级相较舰艏及两舷方向降低15～20 dB。

图12 带艉向障板、底障板结构的声呐平台

3 吸声材料及应用

材料的吸声机理基本上分为两类：液体的粘滞吸收和固体的粘弹性吸收。前者是利用分子运动摩擦产生损耗，后者主要是利用形变（链段运动摩擦）产生损耗。利用流体的粘滞损耗制成的流耗吸声器，由于其结构要求十分严格，且非常复杂，很难在工程上推广应用。橡胶材料的特性阻抗同海水的特性阻抗匹配性好，声波能无反射地进入材料内部，同时橡胶材料具有粘弹性，内耗大，可以使声波在传导过程中有效地衰减。水声吸声材料及构件的基材一般选用橡胶类粘弹性材料。

最初的吸声材料是利用阻抗过渡原理设计的吸声尖劈、吸声圆锥，见图13。在橡胶材料中掺入大量气泡性填料，提高橡胶材料的内耗，当声波入射到材料时，引起材料中的微孔变形，使声能衰减。通常将该类型材料做成尖劈形式或圆锥形式，利用结构设计形成均匀性阻抗过渡，通过声波在材料表面的多次反射，增加入射波在吸声材料中的行程，达到吸声的目的。该类型吸声材料在中高频具有良好的吸声效果，但应用于低频消声时，需要较大的结构尺寸。由于材料内部含大量气泡性填料，吸声性能对压力较敏感，随工作水深增加，吸声性能下降。

图13 阻抗过渡型吸声材料

为提高吸声材料低频吸声性能和耐压能力，近年来开发了多种复合结构吸声材料[23-25]。基本途径是：结构上采用高强度材料作为承力骨架，解决耐压问题；声学性能方面通过在粘弹性材料内部设置声学空腔，通过空腔谐振实现小尺寸低频消声。常见的耐压吸声复合结构主要有以下几种形式：一是橡胶-蜂窝铝-钢板吸声结构；二是空气背衬式耐压去耦吸声结构，它是由高强度材料构成的长方体，内含双层空腔，一个空腔内充满高损耗粘性液体和金属纤维，另一个为空气腔，根据工作频段的不同，选择对应腔体的结构尺寸；三是三明治夹心式吸声材料，一般采用带孔薄橡胶板粘贴在钢板上，通过改变孔径的大小和数量来调整材料的有效弹性模量和损耗，当孔的固有频率与声波的频率接近时空腔发生共振，增加声能损耗。

近年来，压电高分子功能材料技术日益成熟，高分子压电阻尼材料是在高分子材料中填入压电粒子和导电材料，当材料受到振动时，压电粒子能将振动能量转换成电荷，导电粒子再将其转换成热能消耗掉。高分子压电材料的阻尼机理与粘弹性材料不同，其减振能力是几种能量耗散途径的协同，突出特点是使用条件不再受限于环境温度和振动频率。

3.1 在声呐导流罩上的应用

吸声材料主要敷设在声呐导流罩非透声区，用于消除或减弱入射声波在结构体表面的反射，降低声呐导流罩内的混响噪声，提高声呐的分辨率和灵敏度。

舰用声呐导流罩吸声材料主要采用吸声尖劈、吸声障板（内部含类似消声瓦的空腔结构），工作频段在2 kHz以上。潜艇导流罩吸声材料是在原吸声尖劈的基础上改进设计而成，采用高补强橡胶材料提高耐压性能，为弥补材料补强后带来的吸声性能下降，在材料内部增设声学空腔，增加结构尺寸，从而使改进型吸声尖劈的吸声性能满足使用要求。改进型吸声尖劈设计耐压3 MPa，工作频段在2 kHz以上。

3.2 在潜艇上的应用

消声瓦是一类特殊的吸声材料，是为降低潜艇的目标强度而设计的特殊平板型消声材料，如图14所示。消声瓦一般以合成橡胶为主，在其内部预制渐变型空腔结构，即在声波入射面空腔半径较小，随着材料厚度的增加空腔半径逐步增大，形成“倒锥”结构。消声瓦内部的渐变型空腔有两个作用：一是使得材料的特性阻抗形成渐变，使得声波在水与消声瓦的界面上反射减小，大部分能进入消声瓦内部；二是倾斜的界面使得声波在传播过程中不断发生反射或散射，改变传播方向，渐变空腔的共振可看作是半径逐步变化的圆柱窄腔的共振组合，实现宽频声波吸收。

图14 覆盖消声瓦的潜艇

4 发展方向

水声材料研究涉及多学科交叉融合，近年来随着基础学科的进步，在新材料应用、新结构、新工艺方面实现水声材料综合技术性能的优化与提升上形成了系列研究成果。针对新材料技术开发也获得了明显突破，如新型压电高分子复合材料应用于水下宽带耐压吸声材料研究、声障一体化水听器模块设计研究、宽带耐压声学复合结构仿真技术研究等。

随着高低频声呐在同一平台的综合应用，要求水声材料的工作频带越来越宽，低频要求达到 500 Hz以下，高频要求不低于40 kHz。同时水下设备的工作深度越来越大，高流速下的减振降噪效能问题日益突出，水声材料的耐压性能和减阻能力成为新型水声材料关注和研究的重点。

（1）对比各种材质导流罩综合性能，开展橡胶导流罩技术研究是提升导流罩宽频透声、降低高航速流噪声和减小罩致声场畸变的关键技术之一。

（2）随着深水、低频、大功率换能器装备的发展，要求相应反声障板的耐压能力越来越高、下限工作频率越来越低。反声障板研究重点是寻求新结构、新思路，完善计算模型，解决宽频、耐压性能，特别是低频性能。

（3）为进一步改善深水环境下声呐工作的噪声环境，提升高水压下吸声材料低频吸声性能是急需解决的难题，新型小尺寸低频耐压吸声材料技术成为水声吸声材料研究的重点。同时，高水压环境下，防水透声材料温度敏感性和使用可靠性，也是深水换能器设计必须解决的难题。