張德志 楊潔 周利生

（第七一五研究所，杭州，310023）

聲吶是艦艇水中目標(biāo)探測(cè)和通訊的主要手段，聲吶由干端和濕端兩部分組成，干端為信號(hào)處理系統(tǒng)，濕端為水下聲系統(tǒng)。在聲吶系統(tǒng)中，水聲材料主要分為水聲有源材料和水聲無(wú)源材料兩大類。本文主要論述水聲無(wú)源材料在水下聲系統(tǒng)的應(yīng)用。水聲無(wú)源材料包括透聲材料、反聲去耦材料、吸聲材料等，主要應(yīng)用于水聲換能器、聲基陣、聲吶安裝平臺(tái)、聲吶導(dǎo)流罩等領(lǐng)域。水聲透聲材料主要用作水聲換能器聲輻射面透聲窗材料、防水密封材料和聲吶導(dǎo)流罩透聲窗材料。反聲去耦材料是水聲換能器、聲陣和導(dǎo)流罩的重要附屬聲學(xué)構(gòu)件，用于改善和提高水下傳遞信息的質(zhì)量，保證信號(hào)不失真地傳遞給信號(hào)處理裝置。吸聲材料主要應(yīng)用于聲基陣安裝平臺(tái)、聲吶導(dǎo)流罩非透聲區(qū)以及潛艇聲隱身等領(lǐng)域，通過(guò)降低回波信號(hào)，減弱聲吶平臺(tái)區(qū)噪聲混響、抑制剛性結(jié)構(gòu)振動(dòng)，優(yōu)化聲吶平臺(tái)噪聲，改善聲系統(tǒng)工作的近場(chǎng)環(huán)境條件，從而降低潛艇的聲目標(biāo)強(qiáng)度。

水聲無(wú)源材料應(yīng)用于聲吶濕端有關(guān)的諸多領(lǐng)域，對(duì)聲吶系統(tǒng)的作用距離、靈敏度以及可靠性起基礎(chǔ)性和決定性的作用。

1 透聲材料及應(yīng)用

水聲透聲材料具有表層無(wú)聲波反射和聲信號(hào)能無(wú)損透過(guò)的特點(diǎn)。其聲學(xué)特性來(lái)源于與介質(zhì)海水有良好的匹配性，兩者的特性聲阻抗接近，同時(shí)其本身具有較低的聲傳輸損耗，使聲波幾近自由地通過(guò)。水聲透聲材料主要用于水聲換能器透聲窗和聲吶導(dǎo)流罩透聲窗及水聲換能器防水封裝。因工作狀態(tài)下與水下電子元器件接觸，通常還要求其具有低的透/吸水性、優(yōu)異的電絕緣性、良好的耐霉菌性，部分工作環(huán)境下還需具有較好的耐油性。常用的水聲透聲材料有透聲橡膠、液體聚氨酯、鈦合金、玻璃鋼以及結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的復(fù)合橡膠材料等。

1.1 透聲材料在換能器的應(yīng)用

水聲換能器主要用于水中聲波能量的發(fā)送和接收，其能量轉(zhuǎn)換主要由有源壓電元件實(shí)現(xiàn)，在換能器的設(shè)計(jì)中，優(yōu)先考慮的是有源壓電元件的選擇和設(shè)計(jì)。但換能器是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其基本組成包括透聲窗材料、有源元件和背襯材料。換能器的性能不僅取決于壓電元件，壓電元件的背襯材料、透聲窗材料等對(duì)換能器的工作頻率、響應(yīng)靈敏度等參數(shù)均具有顯著影響。

水聲換能器長(zhǎng)期工作在水下，水密可靠性是換能器設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題，防水性能的好壞直接決定了換能器的性能。在換能器結(jié)構(gòu)中，透聲窗作為有源元件的聲學(xué)負(fù)載，其性能與換能器的性能密切相關(guān)，要求其特性阻抗與海水的特性阻抗相匹配，具有較低的衰減系數(shù)。同時(shí)，透聲窗介于外部介質(zhì)（一般為海水）和有源元件之間，透聲窗在保證聲能自由進(jìn)出的同時(shí)，兼具優(yōu)異的防水絕緣性能。

橡膠類高分子材料具有優(yōu)異的加工、防水、電絕緣和粘接性能，通過(guò)配方設(shè)計(jì)和材料性能優(yōu)化，其特性阻抗可以實(shí)現(xiàn)與海水較好的匹配，是目前通用的換能器防水包覆材料，主要應(yīng)用于換能器輻射面、后座、電纜密封等部位。圖1為氯丁透聲橡膠硫化包覆的換能器，圖2為液體聚氨酯澆注包覆的換能器。

圖1 氯丁橡膠包覆的縱振換能器

圖2 聚氨酯包覆的圓環(huán)換能器

1.1.1 彈性體橡膠在換能器的應(yīng)用

氯丁橡膠耐老化和粘接性能優(yōu)秀，是國(guó)內(nèi)水聲換能器透聲窗使用的主要膠種。但氯丁橡膠低溫易結(jié)晶，其極性高分子長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)決定了材料自身具有較大的溫度依賴性和動(dòng)態(tài)滯后性能，導(dǎo)致氯丁橡膠透聲窗溫度穩(wěn)定性差。換能器工作在海水中，其環(huán)境溫度隨不同季節(jié)、不同海域和不同海深而改變，環(huán)境溫度的改變和換能器在不同頻率的動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)，對(duì)作為透聲窗的氯丁橡膠材料性能有很大影響，導(dǎo)致橡膠的特性阻抗發(fā)生改變，不再與海水的特性阻抗相匹配，反映到換能器性能方面，即換能器阻抗發(fā)生改變，靈敏度響應(yīng)變差、頻率產(chǎn)生漂移。通過(guò)采用薄壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小橡膠層的厚度，可以減小橡膠對(duì)傳感器性能的影響。但這種處理方式是以損失換能器的使用可靠性及壽命作為代價(jià)的，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)橡膠滲水導(dǎo)致絕緣性能、粘接性能下降，從而導(dǎo)致?lián)Q能器失效。

針對(duì)氯丁透聲橡膠易結(jié)晶、模量隨溫度變化大的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)先后開(kāi)展了大量的研究工作[1-6]，并取得了顯著效果。其主要技術(shù)途徑：一是選取低結(jié)晶度的氯丁橡膠；二是通過(guò)氯丁橡膠與順丁橡膠/丁苯橡膠等膠種的共混改性，破壞氯丁橡膠的結(jié)晶度，改變共混膠模量的溫度平坦性。圖3為水聲換能器常用氯丁橡膠聲學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，圖4為新型復(fù)合結(jié)構(gòu)導(dǎo)流罩用改性氯丁橡膠透聲性能測(cè)試結(jié)果。

圖3 氯丁橡膠透聲性能

圖4 改性氯丁橡膠透聲性能

換能器長(zhǎng)期泡水絕緣下降是因?yàn)橄鹉z中含有水溶性物質(zhì)，滲入的水分在橡膠內(nèi)部形成蒸汽壓，橡膠內(nèi)外部的水之間的蒸汽壓壓差是水分滲入的推動(dòng)力。隨著吸水的增加和橡膠膨脹后的壓力，內(nèi)外滲透壓差逐漸減小，直至滲透壓相等時(shí)，保持吸水平衡，因此，橡膠的定伸強(qiáng)力越高，到達(dá)平衡點(diǎn)時(shí)所吸收的水分越少，防水性能越好。一般選擇在橡膠中添加大量的補(bǔ)強(qiáng)填充劑實(shí)現(xiàn)橡膠的高定伸強(qiáng)度，但此舉在提高橡膠防水性能的同時(shí)，給橡膠成型加工及聲學(xué)性能調(diào)整帶來(lái)困難，實(shí)際中需要兼顧二者的平衡。杜仲膠的反式-1,4-聚異戊二烯分子鏈結(jié)構(gòu)使其兼具玻璃化轉(zhuǎn)變和結(jié)晶熔融轉(zhuǎn)變（γ晶35 ℃，β晶52 ℃，α晶62 ℃）等多重分子鏈聚集態(tài)轉(zhuǎn)變特性，賦予了杜仲膠橡塑二重性的特點(diǎn)，兼具橡膠的粘彈性和塑料的高模量。杜仲膠的靜態(tài)楊氏模量為230 MPa，比傳統(tǒng)橡膠1～4 MPa的楊氏模量高出近百倍。與傳統(tǒng)橡膠相比，杜仲膠的抗拉與抗壓能力要強(qiáng)許多。杜仲橡膠與通用橡膠相容性好，采用杜仲膠與傳統(tǒng)橡膠改性共混，具有對(duì)傳統(tǒng)橡膠模量和強(qiáng)度跨量級(jí)調(diào)節(jié)的能力，這是其它傳統(tǒng)橡膠材料所不具備的優(yōu)異性能，從而為改進(jìn)水聲材料特別是解決深水透聲材料的水密性能提供了方向。

透聲橡膠材料的聲學(xué)性能取決于其密度和聲速，主要由其物理力學(xué)性能來(lái)保障。但橡膠材料在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，老化會(huì)導(dǎo)致其物理力學(xué)性能降低，使換能器失效。為此美國(guó)海軍水下作戰(zhàn)中心多年來(lái)花費(fèi)了大量資金和時(shí)間對(duì)透聲窗材料在換能器等水聲設(shè)備上的應(yīng)用進(jìn)行考核和優(yōu)化，獲得大量的材料聲學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而更好地保護(hù)換能器在水下免受損害和海水侵蝕，確保后期水聲透聲材料的性能穩(wěn)定和可靠。

1.1.2 液體聚氨酯橡膠在換能器的應(yīng)用

液體聚氨酯橡膠采用常溫常壓澆注工藝加工，成型工藝簡(jiǎn)單，對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、元器件損傷小。與氯丁橡膠相比，具有更好的溫度穩(wěn)定性，是另一種換能器常用的水下密封透聲材料。美國(guó)海軍上世紀(jì)70年代開(kāi)始采用聚氨酯作為水聲換能器的防水透聲材料，經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用研究，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室和設(shè)備供應(yīng)商確定了多家材料公司的多種聚氨酯產(chǎn)品（如PR-1592、PR-1547、ConathaneEN-7等）作為水聲換能器的防水透聲材料，并在水聲裝備中得到了廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)采用聚醚型聚氨酯制作水聲換能器的透聲窗，與聚酯型聚氨酯相比，其耐水性好、透水率低。但在水中浸泡六個(gè)月后，聚氨酯封裝的換能器絕緣電阻也顯著下降。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)采用有機(jī)硅/含氟基團(tuán)接枝共聚、分子鏈端基封閉、提高聚氨酯硬度等合成工藝，使聚氨酯的防水性能有了明顯提高[7-10]。但換能器封裝試驗(yàn)表明，高硬度聚氨酯對(duì)換能器靈敏度響應(yīng)、工作頻率影響較大，特別是用于高頻水聲換能器的透聲密封。改進(jìn)型聚氨酯防水性能仍無(wú)法解決換能器在水下長(zhǎng)期工作電絕緣下降的問(wèn)題。

聚丁二烯型聚氨酯橡膠（ConathaneEN-7）耐水性好、高頻聲衰減性低，在國(guó)外水聲換能器的防水密封上已有了成熟應(yīng)用。圍繞其固化交聯(lián)反應(yīng)快、粘度高、工藝性能差的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)開(kāi)展了大量的共混改性研究[11]，后期有望解決國(guó)內(nèi)水聲換能器特別是高頻水聲換能器液體澆注密封的難題。

1.2 透聲材料在聲吶導(dǎo)流罩的應(yīng)用

聲吶導(dǎo)流罩既是艦船殼體的一部分，也是聲吶基陣安裝平臺(tái)的一部分，起到支撐、導(dǎo)流和透聲的作用。首先是導(dǎo)流，使艦艇具有良好的順流性，不但航行阻力小，而且產(chǎn)生的流噪聲低；其次是保護(hù)聲吶的水下聲基陣，使其有一個(gè)“安靜”的聲學(xué)環(huán)境，在“聲”通過(guò)其進(jìn)出時(shí)基本“透明”，以便充分發(fā)揮聲吶的探測(cè)性能。聲吶導(dǎo)流罩在滿足聲吶工作頻段的透聲、強(qiáng)度和流噪聲方面相互矛盾，其性能對(duì)聲吶系統(tǒng)在高航速下的寬頻探潛、通信性能起著至關(guān)重要的作用。

由于基地主要位于高緯度，海域浮冰期較長(zhǎng)，俄羅斯海軍主要采用抗浮冰效果較好的雙層鈦合金板制作導(dǎo)流罩的透聲窗[12-14]。目前綜合性能較好的是美國(guó)海軍用艦艇導(dǎo)流罩，其水面艦聲吶導(dǎo)流罩采用橡膠透聲窗，潛艇聲吶導(dǎo)流罩采用三明治型“橡膠-玻璃鋼-橡膠”復(fù)合結(jié)構(gòu)透聲窗。自上世紀(jì)60年代以來(lái)，美國(guó)海軍及其盟軍有多臺(tái)套橡膠導(dǎo)流罩裝艦（FFG-7、DDG-51、CG-47 等系列）服役[15-16]。與玻璃鋼、鈦合金導(dǎo)流罩相比，橡膠導(dǎo)流罩聲學(xué)適應(yīng)性好，影響聲場(chǎng)畸變的因素較少；減隔振性能好，能夠有效衰減通過(guò)殼板振動(dòng)傳遞與輻射的噪聲；自身材質(zhì)的粘彈阻尼特性可減少高速航行下流體擾動(dòng)噪聲，有利于提高聲吶信噪比。國(guó)外典型導(dǎo)流罩外形見(jiàn)圖5～7。

圖5 前蘇聯(lián)“明斯克”號(hào)航母艦艏雙層鈦合金導(dǎo)流罩

圖6 美國(guó)AN/SQS-53聲吶（橡膠）導(dǎo)流罩

圖7 挪威F310驅(qū)逐艦艦艏玻璃鋼導(dǎo)流罩

國(guó)內(nèi)最初采用的是玻璃鋼導(dǎo)流罩，由于罩子尺寸巨大，需使用板肋增強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐固定。因板肋是聲的散射體，對(duì)于發(fā)射聲基陣來(lái)說(shuō)，會(huì)導(dǎo)致發(fā)射聲場(chǎng)畸變，軸向聲壓級(jí)減小，影響作用距離；對(duì)接收基陣來(lái)說(shuō)，會(huì)引起接收聲場(chǎng)的畸變，影響定向精度。改進(jìn)后的玻璃鋼導(dǎo)流罩由桁架結(jié)構(gòu)代替板肋增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。桁架是由斷面較小的矩形鋼或圓鋼焊接而成，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和艦艇安全的前提下，選用的矩形鋼或圓鋼越來(lái)越細(xì)，罩的窗格越來(lái)越大，以最大限度減小對(duì)聲波的散射。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)水面艦大量裝備雙層鈦合金導(dǎo)流罩。從航行試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，雙層鈦合金導(dǎo)流罩在中低頻段透聲性能還是比較理想的，但在高頻透聲性能較差，高航速下流噪聲激增，且其加工困難，造價(jià)高。目前，國(guó)內(nèi)復(fù)合結(jié)構(gòu)橡膠導(dǎo)流罩已完成原理樣機(jī)研制。復(fù)合結(jié)構(gòu)橡膠導(dǎo)流罩高頻透聲性能、減振性能均優(yōu)于玻璃鋼導(dǎo)流罩，二者之間性能對(duì)比見(jiàn)圖8。

圖8 玻璃鋼導(dǎo)流罩與復(fù)合結(jié)構(gòu)橡膠導(dǎo)流罩性能比對(duì)

潛用導(dǎo)流罩現(xiàn)已完成碳?；祀s纖維玻璃鋼導(dǎo)流罩、單面敷設(shè)透聲橡膠復(fù)合型玻璃鋼導(dǎo)流罩的定型和裝備。不同種類導(dǎo)流罩性能對(duì)比見(jiàn)表 1。隨著聲吶綜合集成需求和高航速艦艇編隊(duì)發(fā)展，聲吶導(dǎo)流罩的寬頻透聲性能、減隔振能力、高航速下噪聲“致盲”等成為艏端多部聲吶集成的瓶頸問(wèn)題。

表1 不同種類導(dǎo)流罩性能對(duì)比

2 反聲去耦材料及應(yīng)用

為保證聲在指定方向上的發(fā)射（或接收），屏蔽自噪聲和隔離聲吶基陣附近障礙物產(chǎn)生的散射聲，提高水下聲系統(tǒng)的抗干擾性，水聲換能器或聲吶基陣設(shè)計(jì)中多采用聲障板對(duì)水聲換能器或基陣進(jìn)行聲屏蔽。聲障板是保證水聲換能器和聲吶基陣性能和可靠工作的重要聲學(xué)構(gòu)件，工作機(jī)理見(jiàn)圖9。在聲吶基陣和換能器設(shè)計(jì)中，對(duì)聲障板的結(jié)構(gòu)形式和聲學(xué)指標(biāo)提出具體要求。反聲材料/反聲障板基本要求：在規(guī)定頻率范圍、工作水深具有滿足要求的反聲能力。表征反聲材料/反聲障板的主要性能指標(biāo)：①工作壓力；②工作帶寬；③反聲系數(shù)；④透射系數(shù)。因此，良好的反聲材料/反聲障板必須具備兩個(gè)條件：一是阻抗失配，即材料的特性阻抗與水的特性阻抗相差越大越好，使得水中的聲波不能進(jìn)入材料內(nèi)部；二是具有一定的聲衰減能力，以減小障板的后輻射。

圖9 反聲障板工作機(jī)理

2.1 聲障板在水聲基陣上的應(yīng)用

在接收水聽(tīng)器和接收基陣中，聲障板主要用于提高其抗干擾性。對(duì)于發(fā)射換能器和發(fā)射基陣，聲障板主要用來(lái)把能量集中在指定的方向上，形成尖銳的指向性，保證主聲軸上聲壓的增長(zhǎng)并減小后波瓣，增大聲吶的作用距離。此外，聲障板還能隔離聲基陣附近的噪聲干擾和障礙物散射，對(duì)基陣架的噪聲進(jìn)行有效隔離。圖 10為帶障板圓柱發(fā)射換能器陣指向性測(cè)試結(jié)果，由指向性圖可以看出，聲學(xué)障板使圓柱發(fā)射陣形成了明顯的指向性和極小的后波瓣。

圖10 帶障板圓柱換能器及指向性圖

低密度均勻介質(zhì)材料的聲學(xué)性能受結(jié)構(gòu)尺寸、水壓影響較大，限制了傳感器和聲吶基陣的工作帶寬和使用水深；金屬聲障板結(jié)構(gòu)笨重、聲旁路問(wèn)題嚴(yán)重，安裝和減振問(wèn)題突出。均勻單一材料的低頻、寬帶隔聲效果不盡理想，復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為寬頻耐壓反聲障板研究的重點(diǎn)。

近年來(lái)隨著材料技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)寬頻耐壓聲障板的材料體系選擇、聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和反聲機(jī)理開(kāi)展了深入廣泛地研究[17-19]，極大地拓寬了反聲障板基材范圍、耐壓強(qiáng)度和工作帶寬。目前，比較成熟通用的寬頻耐壓反聲障板主要有兩類：一類是復(fù)合材料夾心結(jié)構(gòu)聲障板，主體結(jié)構(gòu)由多層彈性薄板中間夾持剛性支撐構(gòu)成，每?jī)蓪訌椥员“逯虚g設(shè)計(jì)有均勻分布的聲學(xué)空腔，多層結(jié)構(gòu)的邊緣部分采用防水材料密封，構(gòu)成整體水密的結(jié)構(gòu)形式；另一類是采用多層含聲學(xué)空腔的高韌、高彈橡膠板，中間用薄橡膠板或薄金屬板隔離，多層之間通過(guò)膠粘劑粘接復(fù)合在一起，構(gòu)成多層復(fù)合結(jié)構(gòu)橡膠聲障板，如圖11所示。

圖11 復(fù)合結(jié)構(gòu)橡膠聲障板

2.2 聲障板在聲吶平臺(tái)上的應(yīng)用

艦艇水聲對(duì)抗技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)低頻、大功率聲吶，以探測(cè)、識(shí)別和定位敵方新型隱身艦艇。聲吶性能的發(fā)揮不僅受基陣及導(dǎo)流罩功能的影響，還與聲吶平臺(tái)區(qū)自噪聲密切相關(guān)。聲吶平臺(tái)區(qū)自噪聲的大小直接影響被動(dòng)聲吶的作用距離、目標(biāo)識(shí)別精度，降低聲吶平臺(tái)區(qū)自噪聲是提高聲吶信噪比的重要途徑。

機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲是聲吶平臺(tái)區(qū)自噪聲的主要噪聲源。航行狀態(tài)下，導(dǎo)流罩表面湍流邊界層流體的脈動(dòng)壓力激勵(lì)透聲窗振動(dòng)，產(chǎn)生水動(dòng)力噪聲。低航速下，水動(dòng)力噪聲通常被機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲掩蓋；當(dāng)航速大于10～12 kn后，水動(dòng)力噪聲急劇增加，成為平臺(tái)主要噪聲源之一。螺旋槳噪聲通過(guò)海水直接傳播和經(jīng)由海底、水面反射傳播到聲吶基陣平臺(tái)區(qū)，當(dāng)航速較高時(shí)，螺旋槳產(chǎn)生的空化噪聲成為聲吶基陣平臺(tái)區(qū)自噪聲的主要分量。船舶機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)通過(guò)基座、管路等傳遞到船體結(jié)構(gòu)，引起聲吶基陣平臺(tái)區(qū)壁板振動(dòng)，產(chǎn)生輻射噪聲；同時(shí)，船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)直接向水中輻射噪聲，艙室空氣噪聲也激勵(lì)船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)，向水中產(chǎn)生輻射噪聲，它們經(jīng)海水傳播到聲吶基陣平臺(tái)區(qū)。機(jī)械噪聲與航速的1～2次方成正比。遠(yuǎn)離聲基陣平臺(tái)區(qū)的船舶設(shè)備，振動(dòng)沿船體傳播衰減大，其影響主要以水中的聲傳播途徑為主；靠近聲基陣平臺(tái)區(qū)的船舶設(shè)備，是聲吶基陣平臺(tái)區(qū)壁板振動(dòng)的主要原因。

經(jīng)由船體結(jié)構(gòu)、舷外傳播到聲吶平臺(tái)區(qū)的螺旋槳噪聲和后壁板振動(dòng)輻射噪聲總稱艉向噪聲，是聲吶平臺(tái)區(qū)的主要噪聲源之一。導(dǎo)流罩非透聲結(jié)構(gòu)上敷設(shè)的阻尼抑振材料和吸聲材料對(duì)由水介質(zhì)傳遞到聲吶導(dǎo)流罩內(nèi)的艉向噪聲抑制效果有限。為消除艉向噪聲對(duì)聲吶的影響，基于阻抗失配原理，在聲吶導(dǎo)流罩平臺(tái)區(qū)聲基陣與后壁板之間，設(shè)計(jì)、安裝專用聲學(xué)隔板[20-22]。聲學(xué)隔板艉部方向的聲阻抗與海水的特性阻抗相差很大，隔聲性能好，從傳播路徑上有效阻斷艉向噪聲向聲吶平臺(tái)區(qū)的傳遞，是目前聲吶平臺(tái)區(qū)艉向噪聲治理通行的方法。

圖 12為安裝艉向障板、底障板結(jié)構(gòu)前后的某聲吶平臺(tái)噪聲分布。噪聲測(cè)試表明，加裝聲障板前，艦艉方向噪聲比艦艏高10～12 dB；加裝聲障板后，巡航工況18 kn航速及以下航速，艦艉方向噪聲級(jí)相較艦艏及兩舷方向降低7～14 dB；高航速24～30 kn，艦艉方向噪聲級(jí)相較艦艏及兩舷方向降低15～20 dB。

圖12 帶艉向障板、底障板結(jié)構(gòu)的聲吶平臺(tái)

3 吸聲材料及應(yīng)用

材料的吸聲機(jī)理基本上分為兩類：液體的粘滯吸收和固體的粘彈性吸收。前者是利用分子運(yùn)動(dòng)摩擦產(chǎn)生損耗，后者主要是利用形變（鏈段運(yùn)動(dòng)摩擦）產(chǎn)生損耗。利用流體的粘滯損耗制成的流耗吸聲器，由于其結(jié)構(gòu)要求十分嚴(yán)格，且非常復(fù)雜，很難在工程上推廣應(yīng)用。橡膠材料的特性阻抗同海水的特性阻抗匹配性好，聲波能無(wú)反射地進(jìn)入材料內(nèi)部，同時(shí)橡膠材料具有粘彈性，內(nèi)耗大，可以使聲波在傳導(dǎo)過(guò)程中有效地衰減。水聲吸聲材料及構(gòu)件的基材一般選用橡膠類粘彈性材料。

最初的吸聲材料是利用阻抗過(guò)渡原理設(shè)計(jì)的吸聲尖劈、吸聲圓錐，見(jiàn)圖13。在橡膠材料中摻入大量氣泡性填料，提高橡膠材料的內(nèi)耗，當(dāng)聲波入射到材料時(shí)，引起材料中的微孔變形，使聲能衰減。通常將該類型材料做成尖劈形式或圓錐形式，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形成均勻性阻抗過(guò)渡，通過(guò)聲波在材料表面的多次反射，增加入射波在吸聲材料中的行程，達(dá)到吸聲的目的。該類型吸聲材料在中高頻具有良好的吸聲效果，但應(yīng)用于低頻消聲時(shí)，需要較大的結(jié)構(gòu)尺寸。由于材料內(nèi)部含大量氣泡性填料，吸聲性能對(duì)壓力較敏感，隨工作水深增加，吸聲性能下降。

圖13 阻抗過(guò)渡型吸聲材料

為提高吸聲材料低頻吸聲性能和耐壓能力，近年來(lái)開(kāi)發(fā)了多種復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲材料[23-25]?；就緩绞牵航Y(jié)構(gòu)上采用高強(qiáng)度材料作為承力骨架，解決耐壓?jiǎn)栴}；聲學(xué)性能方面通過(guò)在粘彈性材料內(nèi)部設(shè)置聲學(xué)空腔，通過(guò)空腔諧振實(shí)現(xiàn)小尺寸低頻消聲。常見(jiàn)的耐壓吸聲復(fù)合結(jié)構(gòu)主要有以下幾種形式：一是橡膠-蜂窩鋁-鋼板吸聲結(jié)構(gòu)；二是空氣背襯式耐壓去耦吸聲結(jié)構(gòu)，它是由高強(qiáng)度材料構(gòu)成的長(zhǎng)方體，內(nèi)含雙層空腔，一個(gè)空腔內(nèi)充滿高損耗粘性液體和金屬纖維，另一個(gè)為空氣腔，根據(jù)工作頻段的不同，選擇對(duì)應(yīng)腔體的結(jié)構(gòu)尺寸；三是三明治夾心式吸聲材料，一般采用帶孔薄橡膠板粘貼在鋼板上，通過(guò)改變孔徑的大小和數(shù)量來(lái)調(diào)整材料的有效彈性模量和損耗，當(dāng)孔的固有頻率與聲波的頻率接近時(shí)空腔發(fā)生共振，增加聲能損耗。

近年來(lái)，壓電高分子功能材料技術(shù)日益成熟，高分子壓電阻尼材料是在高分子材料中填入壓電粒子和導(dǎo)電材料，當(dāng)材料受到振動(dòng)時(shí)，壓電粒子能將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成電荷，導(dǎo)電粒子再將其轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉。高分子壓電材料的阻尼機(jī)理與粘彈性材料不同，其減振能力是幾種能量耗散途徑的協(xié)同，突出特點(diǎn)是使用條件不再受限于環(huán)境溫度和振動(dòng)頻率。

3.1 在聲吶導(dǎo)流罩上的應(yīng)用

吸聲材料主要敷設(shè)在聲吶導(dǎo)流罩非透聲區(qū)，用于消除或減弱入射聲波在結(jié)構(gòu)體表面的反射，降低聲吶導(dǎo)流罩內(nèi)的混響噪聲，提高聲吶的分辨率和靈敏度。

艦用聲吶導(dǎo)流罩吸聲材料主要采用吸聲尖劈、吸聲障板（內(nèi)部含類似消聲瓦的空腔結(jié)構(gòu)），工作頻段在2 kHz以上。潛艇導(dǎo)流罩吸聲材料是在原吸聲尖劈的基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)而成，采用高補(bǔ)強(qiáng)橡膠材料提高耐壓性能，為彌補(bǔ)材料補(bǔ)強(qiáng)后帶來(lái)的吸聲性能下降，在材料內(nèi)部增設(shè)聲學(xué)空腔，增加結(jié)構(gòu)尺寸，從而使改進(jìn)型吸聲尖劈的吸聲性能滿足使用要求。改進(jìn)型吸聲尖劈設(shè)計(jì)耐壓3 MPa，工作頻段在2 kHz以上。

3.2 在潛艇上的應(yīng)用

消聲瓦是一類特殊的吸聲材料，是為降低潛艇的目標(biāo)強(qiáng)度而設(shè)計(jì)的特殊平板型消聲材料，如圖14所示。消聲瓦一般以合成橡膠為主，在其內(nèi)部預(yù)制漸變型空腔結(jié)構(gòu)，即在聲波入射面空腔半徑較小，隨著材料厚度的增加空腔半徑逐步增大，形成“倒錐”結(jié)構(gòu)。消聲瓦內(nèi)部的漸變型空腔有兩個(gè)作用：一是使得材料的特性阻抗形成漸變，使得聲波在水與消聲瓦的界面上反射減小，大部分能進(jìn)入消聲瓦內(nèi)部；二是傾斜的界面使得聲波在傳播過(guò)程中不斷發(fā)生反射或散射，改變傳播方向，漸變空腔的共振可看作是半徑逐步變化的圓柱窄腔的共振組合，實(shí)現(xiàn)寬頻聲波吸收。

圖14 覆蓋消聲瓦的潛艇

4 發(fā)展方向

水聲材料研究涉及多學(xué)科交叉融合，近年來(lái)隨著基礎(chǔ)學(xué)科的進(jìn)步，在新材料應(yīng)用、新結(jié)構(gòu)、新工藝方面實(shí)現(xiàn)水聲材料綜合技術(shù)性能的優(yōu)化與提升上形成了系列研究成果。針對(duì)新材料技術(shù)開(kāi)發(fā)也獲得了明顯突破，如新型壓電高分子復(fù)合材料應(yīng)用于水下寬帶耐壓吸聲材料研究、聲障一體化水聽(tīng)器模塊設(shè)計(jì)研究、寬帶耐壓聲學(xué)復(fù)合結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)研究等。

隨著高低頻聲吶在同一平臺(tái)的綜合應(yīng)用，要求水聲材料的工作頻帶越來(lái)越寬，低頻要求達(dá)到 500 Hz以下，高頻要求不低于40 kHz。同時(shí)水下設(shè)備的工作深度越來(lái)越大，高流速下的減振降噪效能問(wèn)題日益突出，水聲材料的耐壓性能和減阻能力成為新型水聲材料關(guān)注和研究的重點(diǎn)。

（1）對(duì)比各種材質(zhì)導(dǎo)流罩綜合性能，開(kāi)展橡膠導(dǎo)流罩技術(shù)研究是提升導(dǎo)流罩寬頻透聲、降低高航速流噪聲和減小罩致聲場(chǎng)畸變的關(guān)鍵技術(shù)之一。

（2）隨著深水、低頻、大功率換能器裝備的發(fā)展，要求相應(yīng)反聲障板的耐壓能力越來(lái)越高、下限工作頻率越來(lái)越低。反聲障板研究重點(diǎn)是尋求新結(jié)構(gòu)、新思路，完善計(jì)算模型，解決寬頻、耐壓性能，特別是低頻性能。

（3）為進(jìn)一步改善深水環(huán)境下聲吶工作的噪聲環(huán)境，提升高水壓下吸聲材料低頻吸聲性能是急需解決的難題，新型小尺寸低頻耐壓吸聲材料技術(shù)成為水聲吸聲材料研究的重點(diǎn)。同時(shí)，高水壓環(huán)境下，防水透聲材料溫度敏感性和使用可靠性，也是深水換能器設(shè)計(jì)必須解決的難題。