一種高頻橡膠吸聲尖劈研制

張權(quán)　吳友亮　易燕

【摘 要】本文介紹了一種可在超聲行業(yè)和高頻聲學(xué)測量系統(tǒng)內(nèi)使用的高頻橡膠吸聲尖劈研制開發(fā)過程，簡要敘述了吸聲尖劈的結(jié)構(gòu)設(shè)計、配方設(shè)計、工藝設(shè)計以及聲性能參數(shù)等內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】高頻；吸聲尖劈；結(jié)構(gòu)；配方

0.引言

吸聲尖劈是一種良好的吸聲結(jié)構(gòu)，普遍應(yīng)用于空氣聲學(xué)中的噪聲控制、廳堂聲學(xué)工程和水聲學(xué)中的消聲水池、高壓消聲水罐和聲納導(dǎo)流罩內(nèi)壁等。根據(jù)吸聲尖劈的工作環(huán)境、吸聲頻段和吸聲效能要求設(shè)計吸聲尖劈的材質(zhì)和聲學(xué)結(jié)構(gòu)。

目前國內(nèi)吸聲橡膠材料大部分采用尖劈和圓錐結(jié)構(gòu)，少部分采用空腔結(jié)構(gòu)。這類產(chǎn)品均是采用丁基橡膠為基材，蛭石粉做聲學(xué)填料，兩者同時作用起吸聲效果。查閱文獻資料得知，國內(nèi)已有的吸聲尖劈均采用漸變式結(jié)構(gòu)，使用頻率范圍在5kHz～200kHz，主要應(yīng)用在消聲水槽、導(dǎo)流罩等聲場中；吸聲圓錐適用頻率為1～10kHz左右低頻范圍，主要應(yīng)用在低頻消聲中。而針對高頻部分100kHz以上的吸聲材料很少或沒有。根據(jù)調(diào)研，目前市場上對高頻吸聲材料需求有很多，包括超聲清洗、超聲波B超、高頻聲學(xué)測量系統(tǒng)等，均需要高頻吸聲材料進行聲場處理。

本文詳細(xì)介紹了一種高頻橡膠吸聲尖劈的研制過程和性能情況，高頻橡膠吸聲尖劈設(shè)計性能指標(biāo)：在頻率100kHz以上，吸聲系數(shù)大于99%。文章詳細(xì)闡述了吸聲尖劈的配方設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能測試結(jié)果，以期高頻橡膠吸聲尖劈形成一定產(chǎn)業(yè)化，滿足市場需求。

1.配方設(shè)計

1.1基材

根據(jù)水下吸聲材料的基本要求，一般采用內(nèi)耗大、阻尼性能好的高分子材料作為基材，如丁基橡膠、丁苯橡膠、聚氨酯橡膠等 [1]。查閱資料得知，丁基橡膠在常用水聲橡膠中楊氏模量損耗因子為最高，表征粘彈性物質(zhì)的物理量彈性恢復(fù)為最低，內(nèi)耗最大。因此丁基橡膠是一種很好的阻尼材料。另外，丁基橡膠的耐老化和耐水性能優(yōu)良，適宜于長期在水中使用[2]。據(jù)上所述，選用丁基橡膠為吸聲橡膠圓錐基體材料。

1.2硫化體系

丁基橡膠一般采用的硫化體系有硫磺硫化體系、樹脂硫化體系和醌二肟硫化體系三種。硫磺硫化體系中，采用硫磺為硫化劑，存在硫的污染。醌二肟硫化體系中，對苯醌二肟的價格太高，限制了應(yīng)用。因此選用樹脂硫化體系。

1.3吸聲填料選擇

為了材料有較大的聲衰減性能，通常在橡膠中混入氣泡性填料。在氣泡性填料的選擇上，木屑、鋁粉、蛭石粉均可作為氣泡性填料，其中蛭石粉使用效果較好。當(dāng)蛭石粉的用量從0增減到50份時，材料的聲阻抗率下降為原來的1/3，而有效損耗因子則提高了6倍[3]。

1.4配方

經(jīng)過材料篩選和配方試驗，確定高頻橡膠吸聲尖劈的最終配方為（質(zhì)量份）：丁基橡膠 100、氧化鋅 4～8、硬脂酸 1～2、增塑劑 13～20、樹脂10～15、蛭石粉30～50、碳黑及填料80～120。

2.結(jié)構(gòu)設(shè)計

常用的吸聲材料結(jié)構(gòu)不外乎漸變式吸聲結(jié)構(gòu)和共振式吸聲結(jié)構(gòu)。根據(jù)高頻橡膠吸聲尖劈聲學(xué)性能設(shè)計要求，應(yīng)采用漸變式吸聲結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)把橡膠等材料制成尖錐或尖劈狀，以實現(xiàn)阻抗匹配。當(dāng)聲波入射到楔槽斜壁時，聲波進入吸聲材料，大多數(shù)被吸收，被反射的聲波又入射到楔槽斜壁對面的吸聲材料表面，進入部分大多數(shù)又被吸收，如此循環(huán)往復(fù)，聲波逐漸衰減[1]。

高頻橡膠吸聲尖劈采用尖劈狀結(jié)構(gòu)，影響尖劈吸聲性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是過渡段長度，底座高度及兩者之比值，以及底座寬度。通常尖劈過渡段高度應(yīng)不小于截止頻率波長的1/4，如取f=1kHz，則尖劈過渡段高度L≥λ/4=0.375m[2]。

根據(jù)實際應(yīng)用情況，最終設(shè)計出的高頻橡膠吸聲尖劈結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 高頻橡膠吸聲尖劈結(jié)構(gòu)示意圖

3.生產(chǎn)工藝

根據(jù)產(chǎn)品形狀，模具設(shè)計成上、中、下模結(jié)構(gòu)，方便尖劈的取出。

產(chǎn)品的生產(chǎn)流程圖見圖2。

4.性能

4.1物理性能

混煉膠在165℃×15min下硫化，膠片物理性能情況見表1。

表1 吸聲尖劈物理性能

4.2聲學(xué)性能

由于高頻橡膠吸聲尖劈設(shè)計性能指標(biāo)：在頻率100kHz以上，吸聲系數(shù)大于99%。因此高頻橡膠吸聲尖劈需在水聲材料自由場高頻測量系統(tǒng)中測試，測試系統(tǒng)組成見圖2。高頻橡膠吸聲尖劈測量時背面粘有鋼背襯，反射系數(shù)測試結(jié)果見圖3。

圖3 測量系統(tǒng)組成框圖

從測試結(jié)果看，高頻橡膠吸聲尖劈在60kHz～1MHz范圍內(nèi)平均反射系數(shù)小于0.15，通過換算可知尖劈在頻段內(nèi)平均吸聲系數(shù)在99%以上。

圖4 高頻橡膠吸聲尖劈反射系數(shù)測量結(jié)果

5.討論

（1）通過配方和結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能測試分析，確定了材料配方和尺寸，開發(fā)出的高頻橡膠吸聲尖劈滿足設(shè)計要求。

（2）在高頻橡膠吸聲尖劈配方設(shè)計中，考慮環(huán)保性設(shè)計，硫化體系采用樹脂硫化體系，導(dǎo)致膠料硫化時間偏長，根據(jù)理論研究，在這種情況下可采用氯化丁基橡膠為基材，可取得很好工藝效果。

（3）由于測試系統(tǒng)局限，高頻橡膠吸聲尖劈研制過程中聲學(xué)性能測試最高頻段為1MHz，更高頻段數(shù)據(jù)尚待測試和總結(jié)。

【參考文獻】

[1]朱金華，王源升，文慶珍，姚樹人.水聲吸聲高分子材料的發(fā)展及應(yīng)用.高分子材料科學(xué)與工程，2005，21（4）.

[2]魏軍光.消聲水池用無硫吸聲橡膠圓錐的研究. 造船技術(shù)，2002，5.

[3]張殿榮，馬占興，楊清芝.現(xiàn)代橡膠配方設(shè)計（第二版）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.