水下吸声材料研究进展*

刘晓东，崔向红，李天智，王 洋

（1.黑龙江省科学院 高技术研究院，黑龙江 哈尔滨 150020；2.四川化工职业技术学院，四川 泸州 646300）

随着声呐探测技术的不断发展与进步,新一代声呐具有更先进的探测性能和更远的探测距离，对水声吸声材料性能有更高的需求。目前，无论是主动声呐还是被动声呐，工作频率都向低频方向发展，大多数主动声呐系统都工作在1kHz以下，安静型潜艇低频声呐工作频率可低至100Hz以下，与此同时，潜艇还需防御宽频带的声制导鱼雷的攻击，因此，声隐身结构要求低频（0.5～5kHz）;宽频段；耐水压（3～5MPa）[1]。第一代吸声橡胶材料主要包括丁基橡胶、氯丁橡胶、聚硫橡胶、丁苯橡胶等，这类橡胶主要依靠复合空腔结构使水声信号衰减，吸声系数往往小，尤其是在低频条件下，已不能有效地使潜艇隐身[2]。以聚氨酯为主要应用研究方向的第二代吸声材料具有可设计性强，耐低温、耐腐蚀性好，与水介质阻抗匹配性良好，自身阻尼性能较好，对水声衰减信号有较大贡献，不仅可以有效地吸收声能，且自身的阻尼作用能够降低船体机械振动噪声的传播，同时起到消声与减振作用，以对抗主动声呐和被动声呐的探测。目前，对吸声材料的研究主要从吸声机理，吸声材料基体及吸声结构设计方面进行了广泛深入的研究。

1 吸声机理

声波在传播过程中必须依靠一定的介质传播，依据介质特点表现出不同的声速及能量损耗，其声能耗损本质是能量的转换及耗散，主要为黏滞内摩擦吸声、热传导损耗吸声及弹性材料驰豫过程吸声[3]。随着吸声材料不断发展，根据吸声材料结构逐渐衍生出波形转换吸声、低频谐振吸声、共振吸声、压电吸声[4]及自由体积吸声机理等。王清华[5]研究发现，PU8-G吸声材料在3～30kHz频段内，水压增加到3.0MPa，样品的本征吸声性能随水压增加而增强，这种特性与大部分高分子吸声材料吸声性能随水压下降的现象呈现反差。通过对高分子材料PSO-G和PU8-G在高水压的吸声行为及吸声性能的对比研究，提出了“自由体积吸声机理”，主要内容为：（1）高分子中自由体积的运动是导致材料吸声的关键，自由体积的运动越容易，吸声越好；（2）自由体积运动与高分子的链结构密切相关，链的柔性越大和分子间作用力越小，则自由体积运动越容易，吸声性能越好。

2 水下吸声材料复合基体

目前，被广泛使用的高吸声阻尼基体材料以橡胶和聚氨酯材料为主，近些年来，聚氨酯材料以出色的阻尼性、与水特性阻抗匹配性良好、耐腐蚀性、分子结构可设计性强，如可调解的软硬段比例、分子链段结构及其互穿网络结构等特点，可增强材料的阻尼性能，提高材料吸声性，在水声材料应用中受到重视。在提高材料吸声性能上，除了对基体材料结构的设计，往往还通过添加声学填料、发泡技术、压电微粒等复合改进材料的吸声性能。

李浩等[6]将云母、空心玻璃微珠QH700加入到聚氨酯弹性体中，均表现出良好的低频吸声性能，同时进行了混合填料的改性研究，结论是提高吸声性能的同时，声反射系数有所降低。王清华[5]通过实验研究α-Al2O3、石墨粉、ZrO2和TiO2声学填料与聚合物的匹配性，球形α-Al2O3与石墨粉对材料吸声性能有较大贡献，填料的粒径越小吸声性能越好；填料的导热系数越高，吸声材料的吸声性能越好。郭创奇[7]采用纳米ZnO和T-ZnOw复合聚氨酯制备水声吸声材料，结论为填料形态对吸声性能影响不大，由填料自身性质决定，纳米ZnO相比于碳纳米管、空心玻璃微珠及其他纳米粒子对材料的吸声性能有明显提高。宋新月[8]研究了聚氨酯发泡材料，通过控制发泡孔结构改变材料的吸声性能，同时选用聚丙烯纤维与空心玻璃微珠对发泡材料改性，综合材料的力学性能与吸声性能，空心玻璃微珠具有一定改性优势。压电复合材料基体在聚合物弹性体中加入压电微粒,形成微观局部的交流电压,将外部声能及振动能转换为电能、热能的形式耗散掉,达到吸声和减振的效果[9]。

3 声学结构

3.1 共振腔吸声结构

水下消声覆盖层的最初研究在结构上以球腔、圆柱腔吸声结构为主，逐渐发展到以圆锥腔、复合过渡型空腔结构，也称逐渐过渡型声学结构，见图1。对于带有空腔的声学结构的吸声材料从声学的角度考虑，通过对空腔的数量与大小调整，使材料结构与声波产生共振，通常认为有波形变换、谐振吸收和声波散射等吸声机理[10]。

图1 声学空腔结构示意图Fig.1 Structure diagram of acoustic cavity

3.2 声阻抗渐变结构

声阻抗渐变结构主要有声阻抗梯度变化介质和声阻抗渐变空腔结构。由于单一均质材料受“质量密度定律”限制，即声阻抗吸声与质量密度成正比，不能满足材料轻量化发展需求。随着研究的深入发现，当介质的阻抗或结构呈梯度变化时能够不受“质量定律”限制。研究者通过改变介质的结构，如介质的梯度分布、物化学特性等方法声学介质结构，进行其吸声性能研究。杨雪[11]等人以聚氨酯/无机填料为基体材料分层浇注制备梯度聚氨酯水声吸声材料，研究了温度、压力对聚氨酯吸声性能影响，结果表明：（1）温度变化对梯度聚氨酯吸声性能的影响主要与高分子材料本身特性随温度的变化有关；（2）梯度聚氨酯吸声性能对压力变化不敏感。孙玉[12]设计了阻抗连续梯度变化介质，建立介质中声传播模型，确定了介质阻抗梯度变化率先小后大的设计原则，从而改善介质的声学性能；提出了基于阻抗梯度变化介质的周期性复合介质，通过对介质组成单元的厚度及阻抗合理设计，获得了更好的低频隔声性能。

声阻抗渐变空腔是圆柱型空腔结构的延伸，一般是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。张权[13]等通过仿真计算设计出一种采用渐变式低频吸声尖劈结构见图2。

图2 低频吸声尖劈结构示意图[13]Fig.2 Structure diagram of low-frequency acoustic wedge

尖劈尺寸为240mm×240mm×100mm，单个锯齿宽度为30mm，空腔高度为96mm。频率3kHz以上的吸声系数大于90%，具有很好的低频吸声性能，性能可类比330mm吸声圆锥。

3.3 新型水下吸声结构

刘正猷[14]等人基于声子晶体材料的研究，在2000年采用黏弹性材料包覆后的铅球结构植入环氧树脂中，组成简单三维立方结构，发现局域共振带隙频率所对应的波长远远大于晶格尺寸，打破了布拉格散射型声子晶体对晶格尺寸的要求，从而提出了“局域共振带隙机理”，即局域共振声子晶体。此后，随着广泛深入研究衍生出的新的吸声材料结构,如声子玻璃、局域共振声子木堆、声学超材料等水下吸声材料结构。

声子玻璃是以金属骨架为支撑复合聚合物材料，金属骨架起到抗压作用，为高分子链提供自由体积空间，保障在静水压下的吸声性能，同时吸声机制也存在多种，如分子链的内摩擦、局域共振吸声、界面耗能机制等共同作用。姜恒[15]以软聚氨酯渗入到泡沫铝骨架中，与硬聚氨酯基体结合，形成硬-软-硬局域共振声子玻璃结构，通过对比测试得出具有12～30kHz宽频吸声效果，并具有较好的抗压性。同时，又利用软聚氨酯弹性体包覆不同尺度钢杆进行堆砌，然后埋入硬聚氨酯弹性体基体中，得到局域共振声子木堆结构，结果显示，在宽频带有强吸声性，同时可对吸声频率进行有效调整。

声学超材料是在亚波长尺寸进行微结构单元设计，能够实现特殊的物理效应，如具有负的等效质量密度、负的等效弹性模量、负折射率、“双负”特性及低频吸声效应等。负质量密度解释为在声波的作用下，超材料内部质点会发生振动，当到达质点的本征频率时，质点的振动不再受外界声波的影响，这时质点加速度方向和声波作用力相反，进而实现负等效质量密度。Yang等[16]设计了一种多重共振薄膜系统，具有负等效质量密度，实现50～1000Hz宽频带吸收。He等[17]设计了一种非局域共振型的周期性排列钢条结构，采用数值仿真模拟该结构在水介质中可以实现“双负”效应，即负等效质量密度和负的折射率。

4 结语

水声吸声材料的应用，目前仍主要以高分子聚合物与共振空腔结合设计，这些技术在实际应用中已经发展成熟，随着局域共振理论的发展，声学超材料等新型材料的提出，打破了传统水声材料的设计理念，为未来水声吸声材料的发展提供了更广阔的发展空间及研究方向，但在实际应用中还有更远更长的道路要走，还需更多更深入的研究。