郝浩琦 羅馬奇 汲長遠

（第七一五研究所，杭州，310023）

水聲材料是水下聲系統(tǒng)能力形成的基礎，任何一個聲系統(tǒng)（小到單個換能器、水聽器等，大到聲學基陣乃至整個水下聲系統(tǒng)）均可看成是由敏感器件和無源部件兩部分組成。其中，敏感器件的主要作用是實現(xiàn)電（磁）-機-聲能量的轉換，是實現(xiàn)聲信號發(fā)送或感知的核心器件，制造敏感器件的材料一般稱為有源材料（也稱功能材料）；無源部件則不直接參與電聲轉換，但對有源部件的功能起到控制或保障作用，用來制造無源部件的材料則定義為無源材料。

無源材料在聲系統(tǒng)中起到的作用差異極大，可從不同維度予以定義和分類。從換能器與聲基陣功能實現(xiàn)的視角來看，可分為以下幾類：一是直接參與振動的金屬/非金屬材料，其作用是與有源材料共同構成諧振系統(tǒng)，實現(xiàn)特定形式的結構振動及聲輻射；二是水密封裝材料，其作用是實現(xiàn)敏感器件的結構封裝與水密，確保換能器水下長期可靠工作；三是各類聲學構件（反聲/吸聲/隔聲等），其作用是實現(xiàn)對聲場的調控，如調節(jié)換能器指向性、提高靈敏度、抑制背向噪聲等；四是減隔振材料，其作用是實現(xiàn)對“有害”振動的隔離及吸收衰減，從而提升感知聲信號的信噪比，或提高發(fā)射換能器的電聲效率。無源材料及構件的種類繁多、應用面廣，本文結合此前項目研制基礎，選取幾類典型的無源材料及構件，簡述其功能特性、具體作用、工程應用中存在的問題及解決思路。

1 水密材料

水密可靠性是換能器設計中必須考慮的重要問題，換能器防水性能的好壞直接決定了換能器的性能及使用壽命。在換能器的結構中，水密材料介于外部介質（一般為海水）和有源器件之間，除具有優(yōu)異的防水性能外，作為有源器件的聲學負載，水密材料性能與換能器的性能密切相關，要求其特性阻抗與海水的特性阻抗具有良好的匹配，同時材料需具有較低的聲傳輸損耗。工程上常用的水密材料包括硫化橡膠與液體聚氨酯兩大類，在換能器設計時，應根據(jù)換能器工作環(huán)境、內部結構、封裝方式等選取適合的水密材料及封裝工藝。

1.1 硫化橡膠的應用

橡膠類高分子材料具有優(yōu)異的防水、電絕緣和粘接性能，在型號裝備中得到了廣泛應用，常用類型有氯丁橡膠、丁苯橡膠等。但其制作需經過高溫高壓熟化，對器件內部產生較大的應力沖擊，特別是對于空氣背襯式換能器，在硫化工藝設計時需充分考慮內部有源器件的應力承受極限，避免應力集中造成損壞。以彎曲圓盤換能器為例，該類型換能器特點是利用壓電陶瓷激勵簡支邊界條件的薄金屬板彎曲振動，從而實現(xiàn)小尺寸低頻聲輻射。該類換能器的薄板空氣腔結構造成其對外部應力較為敏感，若硫化時局部應力過大，容易造成陶瓷元件開裂、脫粘等不利影響。

圖1所示的彎曲圓盤換能器在研制初期成品率偏低，表現(xiàn)在故障換能器的靈敏度及電容等參數(shù)明顯偏低。經分析后發(fā)現(xiàn)是硫化時局部應力影響導致陶瓷元件破裂。通過硫化模具優(yōu)化設計、填膠量及升溫速度精確控制、加壓/卸壓曲線改進等手段，最大程度上降低硫化時對換能器內部有源器件的沖擊，解決了硫化造成的成品率下降問題。硫化工藝改進后制作的換能器，經多次水壓試驗和高低溫循環(huán)試驗，未發(fā)現(xiàn)有陶瓷元件開裂情況。

圖1 彎曲圓盤換能器結構圖

硫化橡膠應用中另一個需注意的是溫度穩(wěn)定性問題，氯丁橡膠低溫易結晶[1]。當水溫跨越氯丁橡膠的溫變區(qū)間后，換能器的性能往往發(fā)生變化。以縱振復合棒換能器為例，其結構是陶瓷堆的伸縮帶動喇叭狀前蓋板的縱向振動，前蓋板外側包覆的氯丁橡膠作為負載的一部分，其彈性模量、密度等參數(shù)的變化直接導致?lián)Q能器輻射阻抗的變化，進而影響換能器諧振頻率、發(fā)送響應等參數(shù)。

圖2中的縱振換能器隨著水溫下降出現(xiàn)了諧振頻率下降、電導峰值下降的現(xiàn)象，進而導致發(fā)送電壓響應的降低。為此，我們通過氯丁橡膠與順丁橡膠/丁苯橡膠等膠種的共混改性，破壞氯丁橡膠的結晶度，獲得具有較好溫度穩(wěn)定性的硫化橡膠。同時，針對前蓋板去耦罩材料，通過新型高衰減阻尼橡膠、金屬諧振腔等新材料新結構的研究，解決了原有多孔材料溫度穩(wěn)定性差的問題。相關成果應用于某新型縱振換能器研制，其不同溫度下的性能如圖3所示。

圖2 縱振換能器不同溫度下的導納曲線

圖3 換能器不同溫度下的性能

硫化密封往往涉及多種不同材質界面間的粘接，例如金屬與非金屬之間、高分子材料之間等，粘接劑的選取及表面處理工藝、模具的設計等對水密可靠性至關重要，大部分水密問題往往是源于粘接面失效而非硫化橡膠本身。目前市面上常規(guī)的熱硫化型膠黏劑有 CHEMLOK、CHEMOSIL等系列硫化膠黏劑，由丁腈橡膠、氯丁橡膠等混煉橡膠與相應溶劑泡制的橡膠型膠黏劑。其針對粘結界面為金屬、極性高分子材料等界面，技術較為成熟，粘結效果良好。

聚烯烴類高分子材料強度高，是國內外水下零浮力拖纜外護套的主體材料。此類材料表面張力低，惰性強，很難與其它物質發(fā)生化學反應或物理吸附，這就給水下硫化密封帶來了很大困難。國內外關于烯烴類材料粘結性能的文獻多以進行表面極化為主，但在實際應用中發(fā)現(xiàn)，該類方法在粘結性能上提升非常有限。中船第七一五研究所從粘結機理、浸潤理論以及高分子相溶性理論等方面考慮，通過準確測定界面表面張力、溶解度參數(shù)，研制出CES-H熱硫化膠黏劑。該膠黏劑對幾種烯烴類材料粘結強度如表1所示，與傳統(tǒng)的氯丁橡膠粘接劑相比，粘接強度大幅提升。

表1 兩類粘接劑剝離強度對比

1.2 液體聚氨酯的應用

另一類廣泛使用的水密材料為液體聚氨酯，澆注型聚氨酯具有硬度和彈性模量可調范圍寬、成型工藝簡單、可低溫低壓（或常壓）硫化，十分適合結構復雜、不耐高溫和高壓沖擊的換能器或水聽器結構件的水密封裝，尤其對于大型陣元模塊的封裝具備明顯的優(yōu)勢。澆注型聚氨酯在國外換能器的封裝上有著成熟的運用。我國在20世紀70年代中期開始研制液體聚氨酯透聲橡膠，其中最具代表性的是由山西省化工研究所研制的 JA-2型聚氨酯透聲橡膠[2]，該膠以四氫呋喃-環(huán)氧丙烷共聚醚二醇為基礎，采用預聚體法合成的澆注型聚氨酯彈性材料，具有良好的工藝可操作性，成型后具備優(yōu)異的物理機械性能、透聲性能和電性能，達到了國外同類產品Hyprene U-30的水平。

聚醚型聚氨酯透水率一般約 5.0×10-7g·cm/(cm2·h·mmHg)， 而氯丁橡膠約6.45×10-8g·cm/(cm2·h·mmHg)。對于需長期浸泡海水使用的換能器，設計時原則上應避免單純使用聚醚類聚氨酯水密方案。例如，對于海底測繪領域常使用的深水多波束測深系統(tǒng)，國外廠商此前在該領域占據(jù)壟斷地位，其聲基陣多采用澆注型聚氨酯灌注成型，由于聲基陣安裝在船底，常年浸泡在海水中，特別是對于南海等水溫較高海域，長期使用可靠性較低。國內“大洋一號”安裝的EM120系統(tǒng)，約4～5年后系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，廠家檢測結論為發(fā)射基元損壞約3.8%，分布在17個換能器模塊中；接收基元損壞32個基元，占 25%?！跋蜿柤t 10號”新安裝的Seabeam3012系統(tǒng)，裝船兩年多即出現(xiàn)接收模塊絕緣電阻下降現(xiàn)象。中船第七一五研究所自研的深水多波束測深系統(tǒng)水下聲基陣（圖4），采用局部硫化+模塊整體聚氨酯澆鑄成型工藝，具有極高的可靠性，裝船近8年性能無明顯下降。

圖4 深水多波束測深系統(tǒng)發(fā)射模塊

為解決高透水問題，一種可行方法是在聚氨酯表面涂覆約0.05～0.2 mm厚的防水膠層[3]，也可通過以共聚醚作為主要軟段，加入環(huán)氧樹脂作為第三組分進行改性，使聚氨酯的透水率有較明顯的改善[4]，可低至 3.2×10-7g·cm/(cm2·h·mmHg)。采用端羥基液體聚丁二烯作為軟段制成的聚氨酯，再加入疏水的改性劑也可有效改善透水率[5]，可低至 0.42×10-7g·cm/(cm2·h·mmHg)。

中船第七一五研究所開展了新型低透水防污聚氨酯的研制及試驗，采用低聚物多元醇合成預聚體與納米土復合材料，實現(xiàn)透水率的大幅降低，通過添加環(huán)保型復合防污劑提高聚氨酯的耐海生物能力。對比試驗采用常見的圓管水聽器，在其外側灌注5 mm厚度的兩種聚氨酯膠體，海水中浸泡4個月后，普通型聚氨酯封裝的水聽器絕緣電阻由1000 MΩ下降至50 MΩ，而新型聚氨酯封裝的水聽器絕緣電阻仍維持在1000 MΩ以上。圖5中的普通聚氨酯澆注層表面長滿了海生物，而新型聚氨酯澆注層表面基本沒長海生物。

圖5 兩種聚氨酯膠防海生物能力對比（上為普通聚氨酯）

2 反聲材料及構件

反聲障板的特性阻抗要求與海水的特性阻抗失配，遠遠大于（聲硬障板）或者遠遠低于（聲軟障板）海水的特性阻抗，從而達到聲波在其表面盡可能多的反射的效果。由于高阻抗材料笨重而且成本高，在實際應用中多采用低密度材料制作的特性阻抗值很低的聲軟障板。

在聲吶系統(tǒng)中，反聲障板起到增強有用信號（如提高接收靈敏度）、屏蔽有害信號（如隔離船體的輻射噪聲）和改善陣上基元指向性等作用。常用的反聲障板包括聚氨酯泡沫障板[7]、多層通道結構橡膠反聲障板[8]等。

2.1 反聲障板對陣元指向性的影響

可以利用分層介質中波的傳播理論來計算反聲障板的聲特性[9]。根據(jù)組成材料的不同，將聲障板看成一組n-1層的彈性層系，該層系的上、下方分別與液體半空間（第n+1層）和固體半空間（第1層）為界，如圖6所示。

圖6 聲波在任意多層的彈性層系上的反射

聲波在層與層之間的分界面處都發(fā)生反射，在每一層固體彈性層中，將出現(xiàn)一對縱波和一對橫波，每對波分別向上和向下傳播。分別計算每一層的位移和應力張量，再利用介質分界面上的位移和應力連續(xù)性邊界條件，可求得任意層上表面和下表面應力和應變的遞推關系式，反復應用迭代，即可求得對于一個n層的彈性層，其上表面和下表面的表面位移和應力關系式，進而得出障板的反聲系數(shù)和透射系數(shù)。獲知障板的反射系數(shù)幅值和相位后，可以根據(jù)射線聲學和虛源法，計算處在無限大平面障板面前點源的聲場[10]。

采用上述方法可計算水聽器與障板間距離和聲波頻率等因素對指向性影響，進而獲得聲吶系統(tǒng)所需的陣元指向性（圖7～8）。例如，在深水多波束測深基陣研制中，需實現(xiàn)平面聲基陣陣元寬指向性覆蓋。經理論計算和試驗測試可知，隨著水聽器到障板距離d的增大，其指向性波束寬度逐漸變寬，0°方向聲壓值不斷降低直至出現(xiàn)凹谷；對于同樣的距離d，隨著水聽器工作頻率的增大，在所計算頻率范圍內（10～15 kHz）其指向性波束寬度逐漸變寬。根據(jù)上述規(guī)律，即可針對性的采取換能器與聲障板一體化設計，從而拓寬平面陣上基元指向性。

圖7 不同距離對指向性影響（單位：mm）

圖8 不同頻率對指向性影響（單位：kHz）

2.2 反聲障板增益的影響因素

值得注意的是，通常使用反射系數(shù)等參數(shù)評估障板性能。實際應用中，障板的實際增益受到障板自身的聲特性、換能器到障板的距離、聲波入射角度、聲波頻率等眾多因素的影響，反射系數(shù)很高的反聲障板，實際增益卻可能為負。文獻[11]使用相對靈敏度級（RsL）來衡量反聲障板的“真實”增益（圖9～10），論述了相對靈敏度級的計算方法，對影響反聲障板增益的因素進行了研究。指出在實際應用中，可根據(jù)具體需求而設計使用反聲障板，得到較高的增益，避免了反射系數(shù)很高的障板實際增益卻很低（甚至為負增益）的情況。

圖9 不同反射系數(shù)對障板增益的影響

圖10 不同安裝距離對障板增益的影響

因此，在設計大型接收聲基陣時，必須綜合考慮陣上基元性能，評估水聽器安裝環(huán)境下綜合“障板”效應對性能的影響，在水聽器樣品測試時盡量模擬最終“上陣”后的聲學環(huán)境，從而準確為最終的方案選取提供支撐?？梢哉f，陣上基元的性能是“水聽器自由場性能”與“綜合聲障板性能”兩大因素共同作用的結果，考慮到水聽器性能受各頻率影響相對較小（視為點元、遠離諧振等），陣上基元的性能主要由“綜合聲障板”因素決定，這其中與水聽器到障板的距離、障板不同頻率的反射系數(shù)密切相關。

實際應用中，由于接收基陣的工作頻段極寬，而水聽器到障板的安裝距離固定不變，造成無法確保全頻段完全一致的聲學性能，必然造成不同頻率下“障板增益”、“指向性”、“后向輻射”等方面巨大的差異，在整陣設計時必須考慮系統(tǒng)需求與實際安裝條件（尺寸、重量、結構等）之間的平衡，選取最優(yōu)方案。圖11為聲基陣實際安裝條件下障板相對靈敏度級的理論計算和實測結果對比，障板增益隨頻率降低而下降，在2 kHz以上的頻率，障板可實現(xiàn)正增益；而對于2 kHz以下的頻率，障板負增益最大達-16 dB左右。這是由于水聽器與障板的距離為一固定值，特定頻率時障板反射聲與直達波反相，造成水聽器接收靈敏度的大幅降低?？赏ㄟ^調整水聽器與障板間距、優(yōu)化障板結構、采用分頻段反聲/吸聲組合等方式，將障板負增益“凹谷”調節(jié)至工作頻段之外，從而獲得較好的接收陣寬帶工作效果。

圖11 聲基陣障板增益的計算與實測對比

2.3 反聲障板在發(fā)射換能器上的應用

反聲障板也常常應用于發(fā)射換能器。文獻[12]對縱彎換能器和匹配層換能器帶障板的性能進行了計算和測試，表明發(fā)射換能器帶障板的聲場特性受換能器本身的近場特性影響較大，不同的發(fā)射換能器帶障板性能也有較大的區(qū)別。障板增益在換能器工作頻段內存在一個凹點（即較大負增益），隨著安裝距離的增大，凹點對應的頻率逐漸下移，換能器在凹點頻率的指向性得到展寬。在實際工作中，如果需要工作頻段內具有較高的障板增益，應盡量避開凹谷位置；如需要寬指向性工作，或者利用障板增益調節(jié)發(fā)送電壓響應，則可以通過改變障板安裝距離，拉平發(fā)送電壓響應，展寬換能器指向性。

文獻[13]通過采用換能器與聲障板一體化設計，實現(xiàn)了耐高靜水壓低后輻射寬帶換能器，其障板采用多層橡膠-鋼板復合圓形障板（圖12），起到了良好的抑制換能器后向輻射效果。換能器后向輻射由常規(guī)的縱彎換能器的30%（相對于主波束方向最大聲壓）下降至 10%，后向輻射抑制能力達-20 dB，最大工作深度達1000 m以上。

圖12 低后輻射深水換能器

3 吸聲材料及構件

吸聲材料通常采用共振式吸聲結構或漸變過渡層結構。吸聲材料在工程中的應用很廣，最典型應用是作為消聲水池的吸聲覆蓋物，消除散射波從而模擬自由場條件。此外還廣泛應用于潛艇表面消聲瓦、水聲對抗器材、接收聲基陣等。

隨著對環(huán)境保護的重視，除要求具有良好的吸聲性能外，還要求吸聲材料能夠滿足長時間在水中浸泡不污染水質。傳統(tǒng)的吸聲橡膠產品多將聲性能作為主要研究對象，長時間水中使用時，其它添加成分易慢慢析出，造成水體細菌滋生，嚴重破壞水質。中船第七一五研究所開展了環(huán)保型水聲吸聲材料的研究[14]，通過準確測定增塑體系三維溶解度參數(shù)，增加材料間相溶性，減少浸泡析出；以鹵化酚醛樹脂配合促進劑的硫化體系替代傳統(tǒng)的硫磺/TMTD硫化體系，有效杜絕了硫化物析出所形成的硫化氫“臭雞蛋”氣味污染；研制出了搭配低、中、高頻段不同型號的平行通道型吸聲橡膠產品。以地表水三類水為參考依據(jù)，環(huán)保型吸聲橡膠產品水質指標均滿足要求；非環(huán)保型吸聲橡膠產品的硫化物、溶解氧、化學需要量、總磷和石油類等指標均超標明顯。

圖13對比了環(huán)保型與非環(huán)保型材料所制成吸聲尖劈的性能。SA-J100環(huán)保型吸聲尖劈，250 mm×250 mm×105 mm，采用阻抗逐漸過渡的平行通道結構，吸聲性能與相同結構的非環(huán)保型吸聲尖劈相當，部分頻率優(yōu)于非環(huán)保型。

圖13 SA-J100吸聲性能

近年來，水聲裝備加快向大深度、低頻化方向發(fā)展，對吸聲材料及構件的研制提出巨大挑戰(zhàn)。一方面是隨著靜水壓力的提升，常規(guī)的發(fā)泡型多孔吸聲材料性能明顯下降，文獻[15]對氣泡粘彈性材料和加筋雙層鋼板兩種非均勻結構的水下隔聲性能進行了研究，結果表明：隨著壓力的增加，發(fā)泡材料隔聲效果急劇下降，靜水壓力從常壓增加到 3 MPa，插入損失從8 dB下降至4 dB以下。加筋鋼板的隔聲效果受材料的筋骨、蓋板、空氣腔體積等參數(shù)影響較大，筋板等設計不當會形成聲橋失去隔聲材料的作用。文獻[16]探討了靜水壓力下高分子材料黏彈性動力學參數(shù)測量和計算方法，指出靜水壓力對橡膠材料彈性模量影響較大，彈性模量及損耗因子隨靜壓升高分別呈增加、減小的特點?？偟膩碚f，目前行業(yè)多通過采用高強度材料作為承力骨架，內部填充粘彈性材料或者聲學空腔等方案，實現(xiàn)具有一定耐壓能力的復合結構吸聲材料，工作深度＜450 m。我們需要從吸聲機理、材料特性、結構形式等方面著手，研制可工作于千米級乃至更大深度的高性能吸聲構件，以滿足深遠海聲學設備的需求。

另一個方面，傳統(tǒng)的吸聲構件低頻性能不足，特別是對于數(shù)百赫茲乃至幾十赫茲的低頻段，在設備平臺安裝尺寸受限的前提下，如何實現(xiàn)小尺寸高效低頻吸聲構件成為當前的研究熱點。例如聲學超材料等方面的研究。超材料的概念首先起源于電磁波領域，近年來在空氣聲學中應用研究較多，多用于振動阻隔、隔聲等方面，在水聲中則相對較少。文獻[17]探討了聲學超材料局部共振微結構的機理及常見類型，指出與聲子晶體不同的是聲學超材料基于局部共振原理形成帶隙分布，而聲子晶體則基于布拉格散射機制形成帶隙。由于聲子晶體對布拉格散射機制的依賴使之不適宜低頻域下的波處理和振動隔離。這是由于低頻下波長較大，會導致聲子晶體的結構非常龐大，使之很難在小尺寸得到低頻帶隙。而對于局域共振型超材料，禁帶的位置和寬度主要是散射體的局域共振特性決定的，與它們的排列方式無關。通過引進特殊設計的局部共振微結構，超材料帶隙可以在一個較低的頻域下產生，這樣所能控制的波長可以遠大于超材料微結構本身。局域共振型超材料的類型主要有：彈簧質量型微結構、穿孔微結構、薄膜型微結構及亥姆霍茲型等。

文獻[18]開展了局域共振聲子木堆和聲子玻璃兩種不同類型的水下吸聲構件。其中，局域共振聲子木堆（Locally Resonant Phononic Woodpile,LRPW）可以實現(xiàn) 8～30 kHz范圍內吸聲系數(shù)超過0.8的寬頻吸聲效果（圖14）。結合局域共振型聲子晶體和多尺度互穿網(wǎng)絡玻璃態(tài)結構，制作了一種被稱作聲子玻璃的復合材料，它擁有高機械強度和優(yōu)異水下吸聲能力，1 cm厚無缺陷聲子玻璃樣品可以在 12～25 kHz頻率范圍內實現(xiàn)水下吸聲系數(shù)超過0.9的寬頻吸聲效應；2 cm厚有缺陷聲子玻璃樣品雖然在吸聲系數(shù)上下降明顯，但在低頻段體現(xiàn)出一個較寬的聲吸收峰（圖15），其作用機理及實際應用可行性有待進一步研究。

圖14 相同尺度的LRPW和其它材料吸聲系數(shù)對比

圖15 有缺陷與無缺陷聲子玻璃樣品吸聲系數(shù)對比

4 柔性體積障板

柔性體積障板多應用于帶液腔的發(fā)射換能器，與反聲/吸聲障板的機理不同，柔性體積障板主要起到調節(jié)液腔阻抗特性、提高發(fā)射效率等作用。典型的一種結構是空腔結構的金屬順性管，文獻[19]提出了一種扁平型鈦合金順性管的設計方法，分析了其壓縮系數(shù)、應力分布和最大變形等。金屬順性管多應用于亥姆霍茲換能器、Janus-Helmholtz換能器等，其作用是降低諧振腔內流體的剛性（提供順性），從而達到降低諧振頻率、增大輻射阻抗、提高聲源級等效果。

柔性體積障板的另一個應用方向是溢流式彎張換能器。與亥姆霍茲換能器不同，溢流式彎張換能器并不利用液腔諧振工作，其諧振頻率取決于彎張殼體與驅動振子構成彈性體的本征頻率，主要工作在彎張殼體的一階彎曲模態(tài)。彎張換能器的工作機理是由驅動振子在長度方向的伸縮激勵殼體的彎曲振動，將振子縱向較小的位移轉化為殼體橫向較大幅度的彎曲應變，獲得數(shù)倍的位移放大效果，從而實現(xiàn)小尺寸低頻聲輻射。常見的彎張換能器多采用空氣背襯式，由于殼體自身強度、殼體受壓后形變導致的驅動振子應力釋放等問題，工作深度一般不大于300 m。為實現(xiàn)大深度工作，需采用溢流式方案，將外部海水引入換能器結構內部，實現(xiàn)換能器殼體內外側的壓力平衡，從而大大提升換能器的工作深度。由于彎張換能器的尺寸遠小于波長，當采用溢流式設計后，其殼體短軸方向單側構成偶極子振動模式，內外側的振速反向造成聲輻射效率的大幅度降低，更為嚴重地是，短軸方向兩側殼體進而構成四極子輻射，造成其聲輻射效率的進一步降低。同等規(guī)格的 IV型彎張換能器，溢流式方案比空氣背襯方案聲源級下降20 dB以上。

文獻[20]利用體積位移相等的原理，將無障板的溢流式 IV型彎張換能器等效為擺動球，將空氣背襯式 IV型彎張換能器等效為脈動球，計算了這兩種換能器的輻射阻抗值，指出兩類換能器性能差異輻射阻抗差別主要是由二者的不同輻射方式引起的，空氣背襯式是殼體外側的“脈動”輻射；溢流式是內外側“擺動”輻射。兩者比對結果見表2。

表2 兩類彎張換能器輻射阻抗對比 N·s/m

圖16 不同類型障板對溢流式彎張換能器性能影響

為提高溢流式彎張換能器的性能，一種解決方案是在內外側間的液腔中插入柔性體積障板，降低液腔的順性，實現(xiàn)換能器內部與外部的阻抗“失配”，從而獲得較大的體積位移，提高聲輻射效率。柔性體積障板的特性對溢流式彎張換能器性能影響極大，中船第七一五研究所采用“諧振腔”型柔性體積障板方案提升溢流式彎張換能器性能，具體結構為上中下三層金屬板與橡膠支撐件圍合而成的彈性體，其諧振頻率與前述驅動振子-振動外殼組合體諧振頻率相近，實現(xiàn)了構成耦合諧振峰拓寬帶寬、消除驅動殼體內側“有害”體積位移，從而提高聲輻射效率。與常見的全金屬柔性管相比，金屬板與橡膠支撐件耦合的“三明治”式設計可大大降低彈性體諧振頻率，使其與彎張換能器諧振頻率相近，從而可起到普通柔性管不能提供的拓寬頻帶效果；另一方面，橡膠支撐件的引入可有效降低彎張換能器內腔整體剛性，提升輻射效率。此外，全金屬圍合的柔性管在配合溢流式換能器使用時，由于其振動衰減慢，常導致?lián)Q能器發(fā)射波形的“拖尾”現(xiàn)象，金屬板與橡膠耦合的諧振腔組件則通過橡膠材料的高阻尼實現(xiàn)快速“止振”，從而提高了換能器發(fā)射波形質量。

5 結論與展望

近年來，水聲裝備的發(fā)展日新月異，工作深度從數(shù)百米提升至千米級乃至全海深，工作頻率從千赫茲級下探至數(shù)百赫茲乃至幾十赫茲級，對水下聲系統(tǒng)提出了更高要求。對水聲材料及構件而言，如何實現(xiàn)高靜水壓、低溫環(huán)境下高效穩(wěn)定工作，以及如何以較小的尺寸實現(xiàn)低頻聲學性能，是亟待解決的兩大難題。

實際工程應用中，由于行業(yè)分工的原因，聲系統(tǒng)的設計者往往對水聲材料的特性和發(fā)展現(xiàn)狀了解不夠深入，未能充分發(fā)揮新型水聲材料的性能；水聲材料的設計者也往往僅著眼于材料本身的特性，對如何更好的適配聲系統(tǒng)需求并不了解。上述情況嚴重制約了水聲系統(tǒng)的發(fā)展，迫切需要促進不同專業(yè)間的交流，從聲系統(tǒng)整體能力提升的層面提出對不同專業(yè)發(fā)展的需求，打通從總體需求到部件設計再到材料研究的傳遞鏈條，共同促進水聲裝備的能力提升。