陳國鋒 汲長遠 吳友亮 徐肖鋒

（第七一五研究所，杭州，310023）

吸聲圓錐均采用高阻尼的丁基橡膠或鹵化丁基橡膠為原膠，通過配方設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)不同頻段的吸聲性能[1]。消聲水池是換能器標定測試及其他水下聲學產(chǎn)品測試的主要場所。為在有限的空間內(nèi)模擬海洋廣闊環(huán)境，目前國內(nèi)消聲水池都敷設(shè)吸聲圓錐，吸聲材料主要為330 nm和470 nm兩種型號。

聲波入射到吸聲材料內(nèi)部，在傳播過程中能量不斷轉(zhuǎn)變成熱能損耗，達到吸聲目的，但要首先保證聲波能夠無反射的傳入基體材料內(nèi)部[2-3]。兩種媒質(zhì)間特性聲阻抗失配越大，聲波的透射就越少。因此水下吸聲材料首先要求材料的特性阻抗同相鄰介質(zhì)（水）的阻抗匹配，使聲能無反射（或盡可能少反射）地進入材料內(nèi)部。在吸聲圓錐 SA-Y330（330 nm）配方設(shè)計中，增塑劑、云母粉和滑石粉的添加量不僅能夠影響材料內(nèi)部粘滯吸收和波形轉(zhuǎn)換帶來的能量損耗，還決定了材料密度和聲速，繼而決定了聲阻抗是否與水相匹配。本文針對增塑劑、蛭石粉和滑石粉添加量進行研究，確定最佳配比。

1 方案設(shè)計

本次試驗需要安排對增塑劑（石蠟油，工業(yè)級）用量、蛭石粉（10目，工業(yè)級）[4]用量、滑石粉（800目，工業(yè)級）用量三個因素確認，每個因素3個水平值。實驗因素變量：增塑劑添加量5 phr、10 phr、15 phr，蛭石粉和滑石粉添加量30 phr、45 phr、60 phr。對于此9個實驗變量，通?？捎煤唵伪容^法、全面試驗法或正交試驗三種方式進行實驗研究，優(yōu)缺點如下：

（1）簡單比較法以三個因素的最優(yōu)值為試驗結(jié)果，試驗次數(shù)少，僅需9次試驗。但這種試驗方法誤差較大，試驗結(jié)果往往不夠精確：在改變因素3的三次實驗中，固定因素1、2，從而獲得因素3的最優(yōu)解，但如果因素1或因素2固定值不同，對應(yīng)因素3的最優(yōu)解會產(chǎn)生變化。這種方法隨意性較高。

（2）全面試驗法數(shù)據(jù)點分布的均勻性極好，因素和水平的搭配十分全面。缺點是實驗次數(shù)多達33＝27次（指數(shù)3代表3個因素，底數(shù)3代表每因素有3個水平值）。

（3）正交試驗設(shè)計方法，不僅兼有簡單比較法和全面實驗法的優(yōu)點，而且實驗次數(shù)少，數(shù)據(jù)點分布均勻，結(jié)論的可靠性較好，因此本次試驗研究采用正交試驗法，具體試驗組合如表1所示。

表1 正交試驗法組合

2 試驗研究

2.1 阻抗匹配研究

按照表1填充比煉制混煉膠，制取厚度30 mm、直徑56 mm圓柱試樣，測試試樣的密度ρ和50 kHz頻率點的聲速c，計算特性阻抗與水特性阻抗偏差如圖1所示。圖1中，3、7試樣與水的特性阻抗偏差較小，說明 3、7試樣與水阻抗匹配較好。特性阻抗偏差：（ρ1с1-ρ0с0）/ρ0с0，其中ρ1為圓錐密度，с1為聲波在圓錐中傳播速率，ρ0為水的密度，с0為聲波在水中速率。特性阻抗單位g/cm2·s。

圖1 1～9試樣與水的特性阻抗偏差

2.2 聲性能研究

按照表1填充比煉制混煉膠，制取 SA-Y330圓錐，測試在2、3、4、5 kHz頻率點吸聲性能，如圖2所示。圖中，在2、3 kHz較低頻率點，3、7試樣吸聲性能明顯好于1、2、4、5、6、8、9試樣。在2 kHz頻率點，3、7試樣吸聲系數(shù)≥95%；在3 kHz頻率點，3、7試樣吸聲系數(shù)≥99%；在 4、5 kHz頻率點，1、2、3、4、5、6、7、8、9 吸聲性能總體較好，均能滿足≥99%。

圖2 1～9試樣在2～5 kHz 4個頻率點的吸聲系數(shù)

2.3 機械性能研究

按照表1填充比煉制混煉膠，按照GB/T531.1-2008、GB/T533-2008、GB/T528-2009等標準文件分別制取硬度、密度、拉伸強度和永久形變試樣，測試各編號機械性能，如表2所示。

表2 試樣機械性能

目前國內(nèi)水下吸聲橡膠產(chǎn)品基本機械性能：硬度（邵氏 A，23℃）：60±5，參照 GB/T531.1-2008執(zhí)行；密度：1300～1400 kg/m3，參照GB/T533-2008執(zhí)行；拉伸強度：≥5.5 MPa，參照 GB/T528-2009執(zhí)行；扯斷永久變形：≤50%，參照GB/T528-2009執(zhí)行。而最關(guān)鍵指標為拉伸強度和永久形變，從表2中數(shù)據(jù)可知，試樣1～9拉伸強度和永久形變性能均滿足指標要求。

3 總結(jié)

（1）經(jīng)過對各配比條件下阻抗性能和聲性能對比，試樣 3（增塑劑、蛭石粉和滑石粉配比為5,60,60）和試樣 7（增塑劑、蛭石粉和滑石粉配比為15,30,60）與水阻抗匹配性好，試樣在2、3 kHz低頻率點吸聲性能最優(yōu)。其中在2 kHz頻率點，試樣3、7吸聲系數(shù)≥95%；在3 kHz頻率點，試樣3、7吸聲系數(shù)≥99%。

（2）除試樣 3硬度較高外，其他試樣性能指標均滿足目前國內(nèi)消聲水池用吸聲圓錐機械性能指標要求。