帶圓柱通道橡膠復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔聲性能研究

羅馬奇 汲長遠(yuǎn) 趙雙 吳友亮 姜長征 陳國鋒

（第七一五研究所，杭州，310023）

為有效屏蔽背向散射/反射聲場，降低艇殼振動(dòng)向外傳遞的輻射噪聲，可通過在接收基陣陣元背面安裝隔聲障板，在耐壓殼體外表面、非耐壓殼體內(nèi)表面敷設(shè)隔聲材料，借助阻抗失配阻斷噪聲的傳播。具有一定抗壓能力的隔聲材料主要有兩大類，一類含空氣腔金屬構(gòu)件[1,2]，另一類是經(jīng)預(yù)壓縮的發(fā)泡材料或含空氣腔的橡膠復(fù)合材料[1,3,4]。本文研究含有多層帶圓柱通道的橡膠復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔聲性能，對不同橡膠復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔聲量進(jìn)行了估算，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 隔聲性能估算方法

多層帶圓柱通道的橡膠復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔聲性能可通過隔聲量TL來表征：

式中，t為聲壓透射系數(shù)。

聲波垂直入射復(fù)合結(jié)構(gòu)時(shí)的聲壓透射系數(shù)，可以通過多層介質(zhì)中聲波傳遞特性進(jìn)行推導(dǎo)。如圖1所示，當(dāng)聲波pi從水中垂直入射到多層介質(zhì)（設(shè)有n層無限大均勻介質(zhì)層）時(shí)，由于水與介質(zhì)以及相鄰介質(zhì)之間特性阻抗ρc不一樣，會(huì)在分界面上產(chǎn)生反射波pr和透射波pt，經(jīng)多次的反射和透射后，有一部分聲波pt(n+1)透過多層介質(zhì)進(jìn)入其背面水中。則聲波透過多層介質(zhì)的聲壓透射系數(shù)t可表示為

圖1 多層介質(zhì)中聲傳播示意圖

通過聲學(xué)邊界條件（在各分界面處聲壓連續(xù)及法向質(zhì)點(diǎn)速度連續(xù)）可推導(dǎo)出聲波透過任意多層介質(zhì)的聲壓透射系數(shù)[5]。首先需獲得復(fù)合結(jié)構(gòu)各層介質(zhì)的特性阻抗ρc，其中金屬板的密度和聲速可以直接查水聲材料手冊得到[6]。而對于帶通道的橡膠層，為了簡化問題，我們用圓柱代替棱柱，如圖2所示。此時(shí)，圓柱橫截面面積認(rèn)為等于初始六面棱柱的橫截面面積，其等效密度ρe為

圖2 帶圓柱通道的橡膠層結(jié)構(gòu)示意圖

式中，ρ0為實(shí)體橡膠的密度，ε2=a2b2為穿孔系數(shù)。

采用靜態(tài)近似分析方法[6]可求得橡膠層等效彈性模量Ee為

式中，μ為實(shí)體橡膠的剪切模量。則帶圓柱通道的橡膠層等效聲速ce為

在高靜水壓下，帶圓柱通道的橡膠層會(huì)產(chǎn)生形變，根據(jù)復(fù)合結(jié)構(gòu)的不同，會(huì)產(chǎn)生不同的形變。一種是多層橡膠層之間采用軟質(zhì)的彈性體，被壓縮時(shí)，橡膠層的圓柱通道形狀不變，如圖3所示，沿z軸的相對形變?chǔ)脑诠艿乃薪孛嫔涎馗叨确较蚨际且粯印?/p>

圖3 軟質(zhì)材料封端橡膠通道形變示意圖

圖4 硬質(zhì)材料封端橡膠通道形變示意圖

采用硬質(zhì)材料封端，橡膠硬度60（邵氏A），厚度h=12 mm，不同穿孔系數(shù)ε的圓柱通道橡膠層在高靜水壓力P下相對形變?chǔ)牡淖兓€如圖5所示。從圖中可以看出，在相同靜水壓力下，穿孔系數(shù)ε越大形變也越大。若穿孔系數(shù)ε保持不變（ε= 0.35），不同厚度h的橡膠層在高靜水壓力P下相對形變?chǔ)牡淖兓€如圖6所示。

圖5 不同穿孔系數(shù)ε橡膠層（h=12 mm）相對形變?chǔ)碾S靜水壓力P的變化

圖6 不同厚度h橡膠層（ε=0.35）相對形變?chǔ)碾S靜水壓力P的變化

2 隔聲性能的估算及分析

對多層圓柱通道橡膠層復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔聲性能估算時(shí)，復(fù)合結(jié)構(gòu)的兩個(gè)端面、以及橡膠層之間都使用鋼板，橡膠硬度60（邵氏A）、密度ρ=1250 kg/m3、剪切模量μ=6.0×106（1+j0.4）Pa。

2.1 橡膠層穿孔系數(shù)對隔聲性能的影響

采用厚度h=12 mm、不同穿孔系數(shù)ε的圓柱通道橡膠層，2層橡膠復(fù)合結(jié)構(gòu)在常壓和1 MPa靜水壓力下隔聲性能的估算結(jié)果如圖7和圖8所示。從圖中可以看出，橡膠層穿孔系數(shù)ε大的復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔聲性能相對較好，整個(gè)頻段內(nèi)都隨穿孔系數(shù)ε的增大而遞增。

圖7 常壓下的隔聲性能

圖8 1 MPa靜水壓力下的隔聲性能

2.2 橡膠層厚度對隔聲性能的影響

采用穿孔系數(shù)ε=0.35、厚度h分別取6 mm和12 mm的圓柱通道橡膠層，當(dāng)復(fù)合材料的總高度保持一致時(shí)（h=6 mm的橡膠層4層，h=12 mm的橡膠層2層），兩種復(fù)合結(jié)構(gòu)在常壓和1 MPa靜水壓力下隔聲性能的估算結(jié)果如圖9和圖10所示。從圖中可以看出，單層橡膠厚度大的復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔聲性能相對較好。

圖9 常壓下的隔聲性能

圖10 1 MPa靜水壓力下的隔聲性能

2.3 復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲性能隨靜水壓力的變化

采用穿孔系數(shù)ε=0.3、厚度h=12 mm的圓柱通道橡膠層，6層橡膠復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔聲性能隨靜水壓力變化的估算結(jié)果如圖11所示。從圖中可以看出，該復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔聲性能對靜水壓力較為敏感，隨著靜水壓力升高隔聲量下降明顯，但還是具備一定的抗壓性。結(jié)合圖7～11所示，為使工作水深內(nèi)保持一定的隔聲量，可通過調(diào)節(jié)單層橡膠的穿孔系數(shù)和厚度以及復(fù)合結(jié)構(gòu)橡膠層的層數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

圖11 隔聲性能隨靜水壓力的變化

3 試驗(yàn)及分析

在上述理論估算的基礎(chǔ)上，實(shí)際制作了試樣進(jìn)行隔聲性能測試，如圖12所示。該試樣含6層帶圓柱通道的橡膠層（穿孔系數(shù)ε=0.3，厚度h=12 mm），橡膠層之間及試樣的兩個(gè)端面采用金屬板與之硫化粘接成一體。

圖12 6層通道橡膠復(fù)合結(jié)構(gòu)試樣

為測量試樣在不同靜水壓力下低頻的隔聲性能，采用了行波管測量方法和裝置[8]，行波管如圖13所示，被測試樣置于行波管的中間。行波管密封后加壓至設(shè)定的靜水壓力，通過一維消聲算法，不斷地調(diào)節(jié)主次發(fā)射器發(fā)射信號的幅度比和相位差，直到聲管上半部分形成行波場，即樣品透射聲波單向傳播。應(yīng)用雙水聽器的傳遞函數(shù)測得樣品的聲壓透射系數(shù)t，再由公式（1）算得樣品的隔聲量TL。

圖13 行波管示意圖

100 Hz～4 kHz頻率范圍內(nèi)，試樣在不同靜水壓力下隔聲性能的測量結(jié)果如圖14所示（點(diǎn)為測量值，實(shí)線為理論值）。從圖中可以看出，試樣在較低靜水壓力下具有良好隔聲性能，不同靜水壓力下的測量值與理論估算值吻合的較好。測量值在某些頻率點(diǎn)處有較大的跳躍，可能是試樣支架、試樣和管壁的縫隙等在一定程度上給試樣測量帶來較大的不確定性[8]，常壓下測量結(jié)果的跳躍還可能與試樣周圍存在氣泡有關(guān)。

圖14 試樣隔聲性能測量值和理論估算曲線（點(diǎn)為測量值，實(shí)線為理論值）

4 結(jié)論

通過隔聲性能的理論估算和分析，并與實(shí)測值進(jìn)行比較，我們可以得出以下結(jié)論：

（1）隔聲性能的估算結(jié)果與實(shí)測值吻合較好，在采用該類復(fù)合結(jié)構(gòu)作為隔聲材料構(gòu)件時(shí)，可事先通過靜態(tài)近似分析方法來估算是否能夠滿足使用要求，這將有助于節(jié)省研制成本。

（2）為提高復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔聲量，可通過調(diào)節(jié)單層橡膠的穿孔系數(shù)和厚度、以及增加復(fù)合結(jié)構(gòu)橡膠層的層數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

另外，本文在估算復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔聲性能時(shí)，并未考慮橡膠材料本身的密度、彈性模量（包括損耗系數(shù)）的變化所帶來的影響，在實(shí)際研制和運(yùn)用過程中應(yīng)給予考慮和重視。