不同材料聲障板對圓柱換能器軸向聲壓的抑制

王敏慧 胡健輝 王艷

（1.上海船舶電子設備研究所，上海，201108）（2.水聲對抗技術重點實驗室，上海，201108)

水聲設備為了實現(xiàn)收發(fā)合置的功能，要求收發(fā)換能器系統(tǒng)具有良好的聲隔離性能[1-2]。除了拉大收/發(fā)換能器之間的距離提高聲隔離效果以外，在設計換能器時，可采用有效的反聲障板結構設計[3-4]，抑制圓柱換能器軸向聲壓，從而提高收、發(fā)換能器之間的隔離效果。國外針對收發(fā)合置系統(tǒng)的聲隔離效果開展了研究，瑞典的Lars Gustavsson利用在收發(fā)換能器之間放置聲障板的方式，通過對圓柱形發(fā)射和接收換能器軸向聲壓的抑制，獲得了一定的聲隔離效果[5]，其湖上測試結果見圖1，使用障板后換能器徑軸比α（不同材料障板的圓柱換能器徑向聲壓與軸向聲壓的比值）可達15 dB。

圖1 瑞典研究人員制作的聲隔離系統(tǒng)指向性圖

本文在探索反聲障板對圓柱換能器軸向波束抑制技術研究的基礎上[6]，進一步研究不同類型反聲障板及不同障板組合安裝對圓柱換能器軸向聲壓抑制效果的影響。主要以消聲水池的實測數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過徑軸比α的對比分析，探索不同類型障板及組合方式對圓柱換能器軸向聲壓的抑制效果，從而指導工程應用。

1 反聲障板理論

理想的反聲材料是指聲波入射到材料層上能無損耗地全部反射出去。用反聲材料制作的各種類型的反聲或隔聲器件被稱為聲障板或聲隔板，國外也稱為聲反射器。聲障板在聲吶工程中的主要作用是反聲和聲屏蔽，即增強有用信號和屏蔽噪聲，其結果不僅可以提高聲吶基陣的響應，同時還能改善基陣單元的指向性，從而增大信噪比，增加聲吶作用距離。反聲性能的優(yōu)劣是以聲壓反射系數(shù)的大小衡量的。

圖2 平面波在兩種介質中的傳播示意圖

如圖2所示，平面聲波在無限均勻介質分界面的反射可以反映聲反射的某些基本特征。在兩種介質的分界面上，反射波聲壓(Pr) 與入射波聲壓(Pi) 的振幅比稱為聲壓反射系數(shù)。即

式中，R為聲壓反射系數(shù)，A為入射波的聲壓振幅，B為反射波的聲壓振幅。根據(jù)定義可以導出

式中，Z1、ρ1、cl分別為第一種介質的特性阻抗、密度和聲速；Z2、ρ2、c2分別為第二種介質的特性阻抗、密度和聲速。式（2）表明，對于理想介質，Z1=ρ1c1,Z2=ρ2c2，反射系數(shù)完全取決于兩種介質的特性阻抗，或者說介質的特性阻抗對聲波的傳播有很大影響。

當Z1=Z2時，R=0，表明聲波沒有反射，即全部透射。也就是說，即使存在著兩種不同介質的分界面，只要兩種介質的特性阻抗相等，那么對聲波的傳播來講，分界面好像不存在一樣。而當Z1≥Z2時，R≈1, 表明兩種介質的特性阻抗相差越大，反射系數(shù)越高，反射波很強，越接近全反射。由此可以推論，與水的特性阻抗嚴重失配的材料可以用作反聲材料?？諝獾穆曀? 340 m/s ) 遠比海水的聲速(約1 500 m/s) 小，其密度相對很低（分別為1.29 kg/m3和1 000 kg/m3），因此富含空氣的泡沫材料往往被用作常壓液體中優(yōu)良的反聲材料，其反射系數(shù)一般不低于80%，有的可達90%以上，這屬于一種輕型的低阻抗失配材料。

無限大障板對換能器的反射作用相當于在障板的另一端有一個虛聲源，其幅度等于入射波的幅度乘以障板的反射系數(shù)，障板作用下的聲場見圖3。

圖3 反聲障板對換能器的聲場示意圖

換能器聲中心位置O，距聲障板距離d，r滿足遠場距離條件，遠場中P點聲壓由直達波和障板反射一次后的聲波組成[7]。合成聲壓為：

式中，障板反射系數(shù)V(θ)為

式中

θ→90°時，則

在實際應用中，需考察換能器在各個方向上受障板的影響程度，以及不同材料、不同尺寸和不同安裝距離的障板對圓柱換能器軸向聲壓的抑制效果。帶障板的圓柱換能器結構示意見圖4。其中障板直徑為D，障板到換能器聲中心的距離為d，障板厚度為h。

圖4 帶障板的圓柱換能器結構示意圖

2 單一材料障板的影響

聲障板的相對安裝距離d和障板的直徑D均對圓柱換能器軸向聲壓的抑制效果造成影響，且隨著頻率的變化其影響規(guī)律有所不同。本文主要探索在15 kHz時，障板厚度h=10 mm、直徑D=200 mm（D=2λ）、距離d=100 mm（d=λ）的情況下，不同材料障板對圓柱換能器軸向聲壓的抑制。

用鋁板、尼龍板、橡膠板和涂敷防水層的泡沫板四種不同材料的反聲障板與圓柱換能器進行固定安裝，并在消聲水池中進行垂直指向性測試，障板實物見圖5。

圖5 四種不同材料障板實物圖

由圖6可知（為了避免誤解，圖中標明了障板的安裝方向：對應0°方向。圖9、11同上），四種障板對圓柱換能器在15 kHz的垂直波束影響不同，對軸向聲壓的抑制作用由弱到強依次為：尼龍板、橡膠板、鋁板、泡沫板。其中鋁板和尼龍板的指向性圖相似，在0°方向聲壓起伏較小，徑軸比在5 dB附近；在180°方向有聲壓增強效果，其中鋁板的徑軸比接近0 dB。橡膠板和泡沫板的指向性圖相似，在0°方向聲壓起伏較大，徑軸比在8 dB附近；在180°方向有聲壓相消的效果，徑軸比接近20 dB。

圖6 四種障板作用下圓柱換能器垂直指向性對比圖

通過障板的反射作用，四種不同材料的障板在0°位置的聲壓抑制效果略有不同，在180°位置出現(xiàn)了兩種不同的聲壓疊加效果，這種現(xiàn)象與障板的材料特性有關，四種障板的材料特性阻抗見表1。

表1 不同材料障板的阻抗特性對比表

依據(jù)平面波垂直入射時反射和透射理論中軟邊界和硬邊界的概念，鑒于水的特性阻抗R水= 1.5×106N·s/m3，依據(jù)表1可知，R鋁＞R水、R尼龍＞R水，鋁和尼龍的邊界為“硬邊界”。此時反射波質點速度與入射波質點速度相位改變180°，反射波聲壓與入射波聲壓同相位。R泡沫＜R水、R橡膠＜R水，泡沫和橡膠的邊界為“軟邊界”。在軟邊界上，反射波質點速度與入射波質點速度同相位，反射波的聲壓與入射波的聲壓相位改變180°。由此可知，當遠離障板的一端出現(xiàn)了增強和減弱兩種情況，入射波與反射波的相位差是造成這種現(xiàn)象的主要因素，其次也與障板的大小、反射能力和相對距離有關。

3 組合障板的影響

依據(jù)不同障板材料的聲學特性進行聲障板的組合應用研究，尋找抑制圓柱換能器軸向聲壓的主要因素。如圖7所示，對不同材料障板組合的命名遵從由遠離換能器到靠近換能器的順序，圖中障板組合命名為“橡膠+尼龍”組合。按照軟邊界和硬邊界相互組合的方式粘接了四種組合型障板，并與單一障板的垂直指向性曲線進行對比。

圖7 橡膠+尼龍障板組合示意圖

3.1 鋁板和泡沫板組合

帶障板換能器實物見圖8，消聲水池垂直方向性測試曲線對比見圖9。從圖9中實測數(shù)據(jù)對比可知，在15 kHz時：（1）采用鋁板+泡沫的障板組合方式，其指向性曲線與單一泡沫作為障板的指向性曲線相近，障板一側（0°）有突起，反方向（180°）聲壓相消，相比而言，單一泡沫作障板的軸向抑制效果最好；（2）采用泡沫+鋁板的障板組合方式，其指向性曲線與單一鋁板作為障板的指向性曲線相近，泡沫+鋁板的障板組合方式軸向抑制效果較好；（3）對比四條垂直方向性曲線，單一泡沫作障板的軸向抑制效果最好。

圖8 鋁板與泡沫板的障板組合應用實物圖

圖9 鋁板與泡沫的組合障板垂直指向性對比圖

3.2 尼龍板和橡膠板組合

帶障板換能器實物見圖10，消聲水池垂直方向性測試曲線對比見圖11。從圖11的實測數(shù)據(jù)對比可知，在15 kHz時：（1）采用尼龍+橡膠的障板組合方式，其指向性曲線與單一橡膠作為障板的指向性曲線相近，障板一側（0°）有突起，反方向（180°）聲壓相消，其中單一橡膠作障板的軸向抑制效果更好；（2）采用橡膠+尼龍的障板組合的方式，其指向性曲線與單一尼龍的指向性曲線相近，障板一側有突起，反方向聲壓增加，橡膠+尼龍的軸向抑制效果較好；（3）對比四條垂直方向性曲線，單一橡膠作障板的軸向抑制效果最好。

通過對比以上數(shù)據(jù)可知，組合障板的主要性能是由最接近換能器的障板材料聲特性決定的，與多個障板組合的關系不大。其中采用單一泡沫作為障板對圓柱換能器垂直波束中軸向聲壓（0°和180°）的綜合抑制效果最好。

圖10 尼龍與橡膠的組合應用實物圖

圖11 尼龍與橡膠的組合障板垂直指向性對比圖

4 結論

本文主要通過試驗，研究厚度為10 mm、直徑200 mm、距離換能器聲中心100 mm的不同材料障板和不同障板組合的作用下，障板對圓柱換能器在15 kHz時軸向聲壓的抑制。通過試驗數(shù)據(jù)可知：在圓柱形換能器的軸向安裝該結構形式的障板，可以獲得較好的軸向波束抑制，且聲軟障板比聲硬障板的抑制效果更佳。對于不同障板組合的情況，最接近換能器的障板材料聲特性是決定組合式反聲障板對圓環(huán)換能器軸向聲壓抑制的主要因素，與多個障板組合時的整體性能關系不大。