【作者简介】文章作者为郝浩琦，工作单位为第七一五研究所，本篇文章节选自论文《典型水声材料及声学构件的应用》，发表于《声学与电子工程》，2021年，第4期。
【摘要】从换能器与声基阵设计的视角出发，选取水密材料、反声材料及构件、吸声材料及构件、柔性体积障板等四个方面阐述了水声材料的应用及发展需求，并对现阶段存在的问题进行了总结，对未来的技术发展方向进行了展望。【关键词】水声材料；反声障板；吸声材料；水密材料；柔性体积障板
0.引言
水声材料是水下声系统能力形成的基础，任何一个声系统(小到单个换能器、水听器等，大到声学基阵乃至整个水下声系统)均可看成是由敏感器件和无源部件两部分组成。其中，敏感器件的主要作用是实现电(磁)-机-声能量的转换，是实现声信号发送或感知的核心器件，制造敏感器件的材料一般称为有源材料(也称功能材料)；无源部件则不直接参与电声转换，但对有源部件的功能起到控制或保障作用，用来制造无源部件的材料则定义为无源材料。无源材料在声系统中起到的作用差异极大，可从不同维度予以定义和分类。从换能器与声基阵功能实现的视角来看，可分为以下几类：一是直接参与振动的金属/非金属材料，其作用是与有源材料共同构成谐振系统，实现特定形式的结构振动及声辐射；二是水密封装材料，其作用是实现敏感器件的结构封装与水密，确保换能器水下长期可靠工作；三是各类声学构件(反声/吸声/隔声等)，其作用是实现对声场的调控，如调节换能器指向性、提高灵敏度、抑制背向噪声等；四是减隔振材料，其作用是实现对“有害”振动的隔离及吸收衰减，从而提升感知声信号的信噪比，或提高发射换能器的电声效率。无源材料及构件的种类繁多、应用面广，本文结合此前项目研制基础，选取几类典型的无源材料及构件，简述其功能特性、具体作用、工程应用中存在的问题及解决思路。1.水密材料
水密可靠性是换能器设计中必须考虑的重要问题，换能器防水性能的好坏直接决定了换能器的性能及使用寿命。在换能器的结构中，水密材料介于外部介质(一般为海水)和有源器件之间，除具有优异的防水性能外，作为有源器件的声学负载，水密材料性能与换能器的性能密切相关，要求其特性阻抗与海水的特性阻抗具有良好的匹配，同时材料需具有较低的声传输损耗。工程上常用的水密材料包括硫化橡胶与液体聚氨酯两大类，在换能器设计时，应根据换能器工作环境、内部结构、封装方式等选取适合的水密材料及封装工艺。1.1 硫化橡胶的应用橡胶类高分子材料具有优异的防水、电绝缘和粘接性能，在型号装备中得到了广泛应用，常用类型有氯丁橡胶、丁苯橡胶等。但其制作需经过高温高压熟化，对器件内部产生较大的应力冲击，特别是对于空气背衬式换能器，在硫化工艺设计时需充分考虑内部有源器件的应力承受极限，避免应力集中造成损坏。以弯曲圆盘换能器为例，该类型换能器特点是利用压电陶瓷激励简支边界条件的薄金属板弯曲振动，从而实现小尺寸低频声辐射。该类换能器的薄板空气腔结构造成其对外部应力较为敏感，若硫化时局部应力过大，容易造成陶瓷元件开裂、脱粘等不利影响。图1所示的弯曲圆盘换能器在研制初期成品率偏低，表现在故障换能器的灵敏度及电容等参数明显偏低。经分析后发现是硫化时局部应力影响导致陶瓷元件破裂。通过硫化模具优化设计、填胶量及升温速度精确控制、加压/卸压曲线改进等手段，最大程度上降低硫化时对换能器内部有源器件的冲击，解决了硫化造成的成品率下降问题。硫化工艺改进后制作的换能器，经多次水压试验和高低温循环试验，未发现有陶瓷元件开裂情况。
图1 弯曲圆盘换能器结构图
硫化橡胶应用中另一个需注意的是温度稳定性问题，氯丁橡胶低温易结晶[1]。当水温跨越氯丁橡胶的温变区间后，换能器的性能往往发生变化。以纵振复合棒换能器为例，其结构是陶瓷堆的伸缩带动喇叭状前盖板的纵向振动，前盖板外侧包覆的氯丁橡胶作为负载的一部分，其弹性模量、密等参数的变化直接导致换能器辐射阻抗的变化，进而影响换能器谐振频率、发送响应等参数。图2中的纵振换能器随着水温下降出现了谐振频率下降、电导峰值下降的现象，进而导致发送电压响应的降低。为此，我们通过氯丁橡胶与顺丁橡胶/丁苯橡胶等胶种的共混改性，破坏氯丁橡胶的结晶度，获得具有较好温度稳定性的硫化橡胶。同时，针对前盖板去耦罩材料，通过新型高衰减阻尼橡胶、金属谐振腔等新材料新结构的研究，解决了原有多孔材料温度稳定性差的问题。相关成果应用于某新型纵振换能器研制，其不同温度下的性能如图3所示。
图2 纵振换能器不同温度下的导纳曲线
图3 换能器不同温度下的性能硫化密封往往涉及多种不同材质界面间的粘接，例如金属与非金属之间、高分子材料之间等，粘接剂的选取及表面处理工艺、模具的设计等对水密可靠性至关重要，大部分水密问题往往是源于粘接面失效而非硫化橡胶本身。目前市面上常规的热硫化型胶黏剂有CHEMLOK、CHEMOSIL等系列硫化胶黏剂，由丁腈橡胶、氯丁橡胶等混炼橡胶与相应溶剂泡制的橡胶型胶黏剂。其针对粘结界面为金属、极性高分子材料等界面，技术较为成熟，粘结效果良好。聚烯烃类高分子材料强度高，是国内外水下零浮力拖缆外护套的主体材料。此类材料表面张力低，惰性强，很难与其它物质发生化学反应或物理吸附，这就给水下硫化密封带来了很大困难。国内外关于烯烃类材料粘结性能的文献多以进行表面极化为主，但在实际应用中发现，该类方法在粘结性能上提升非常有限。中船第七一五研究所从粘结机理、浸润理论以及高分子相溶性理论等方面考虑，通过准确测定界面表面张力、溶解度参数，研制出CES-H热硫化胶黏剂。该胶黏剂对几种烯烃类材料粘结强度如表1所示，与传统的氯丁橡胶粘接剂相比，粘接强度大幅提升。
表1 两类粘接剂剥离强度对比
1.2 液体聚氨酯的应用另一类广泛使用的水密材料为液体聚氨酯，浇注型聚氨酯具有硬度和弹性模量可调范围宽、成型工艺简单、可低温低压(或常压)硫化，十分适合结构复杂、不耐高温和高压冲击的换能器或水听器结构件的水密封装，尤其对于大型阵元模块的封装具备明显的优势。浇注型聚氨酯在国外换能器的封装上有着成熟的运用。我国在20世纪70年代中期开始研制液体聚氨酯透声橡胶，其中最具代表性的是由山西省化工研究所研制的JA-2型聚氨酯透声橡胶[2]，该胶以四氢呋喃-环氧丙烷共聚醚二醇为基础，采用预聚体法合成的浇注型聚氨酯弹性材料，具有良好的工艺可操作性，成型后具备优异的物理机械性能、透声性能和电性能，达到了国外同类产品HypreneU-30的水平。聚醚型聚氨酯透水率一般约5.0×10-7g·cm/(cm2·h·mmHg)，而氯丁橡胶约6.45×10-8g·cm/(cm2·h·mmHg)。对于需长期浸泡海水使用的换能器，设计时原则上应避免单纯使用聚醚类聚氨酯水密方案。例如，对于海底测绘领域常使用的深水多波束测深系统，国外厂商此前在该领域占据垄断地位，其声基阵多采用浇注型聚氨酯灌注成型，由于声基阵安装在船底，常年浸泡在海水中，特别是对于南海等水温较高海域，长期使用可靠性较低。国内“大洋一号”安装的EM120系统，约4～5年后系统稳定性下降，厂家检测结论为发射基元损坏约3.8%，分布在17个换能器模块中；接收基元损坏32个基元，占25%。“向阳红10号”新安装的Seabeam3012系统，装船两年多即出现接收模块绝缘电阻下降现象。中船第七一五研究所自研的深水多波束测深系统水下声基阵(图4)，采用局部硫化+模块整体聚氨酯浇铸成型工艺，具有极高的可靠性，装船近8年性能无明显下降。
图4 深水多波束测深系统发射模块为解决高透水问题，一种可行方法是在聚氨酯表面涂覆约0.05～0.2mm厚的防水胶层[3]，也可通过以共聚醚作为主要软段，加入环氧树脂作为第三组分进行改性，使聚氨酯的透水率有较明显改善[4]，可低至3.2×10-7 g·cm/(cm2·h·mmHg)。采用端羟基液体聚丁二烯作为软段制成的聚氨酯，再加入疏水的改性剂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开展了新型低透水防污聚氨酯的研制及试验，采用低聚物多元醇合成预聚体与纳米土复合材料，实现透水率的大幅降低，通过添加环保型复合防污剂提高聚氨酯的耐海生物能力。对比试验采用常见的圆管水听器，在其外侧灌注5mm厚度的两种聚氨酯胶体，海水中浸泡4个月后，普通型聚氨酯封装的水听器绝缘电阻由1000MΩ下降至50MΩ，而新型聚氨酯封装的水听器绝缘电阻仍维持在1000MΩ以上。图5中的普通聚氨酯浇注层表面长满了海生物，而新型聚氨酯浇注层表面基本没长海生物。
图5 两种聚氨酯胶防海生物能力对比(上为普通聚氨酯)2.反声材料及构件
反声障板的特性阻抗要求与海水的特性阻抗失配，远远大于(声硬障板)或者远远低于(声软障板)海水的特性阻抗，从而达到声波在其表面尽可能多的反射的效果。由于高阻抗材料笨重而且成本高，在实际应用中多采用低密度材料制作的特性阻抗值很低的声软障板。在声呐系统中，反声障板起到增强有用信号(如提高接收灵敏度)、屏蔽有害信号(如隔离船体的辐射噪声)和改善阵上基元指向性等作用。常用的反声障板包括聚氨酯泡沫障板[7]、多层通道结构橡胶反声障板[8]等。2.1 反声障板对阵元指向性的影响可以利用分层介质中波的传播理论来计算反声障板的声特性[9]。根据组成材料的不同，将声障板看成一组n-1层的弹性层系，该层系的上、下方分别与液体半空间(第n+1层)和固体半空间(第1层)为界，如图6所示。
图6 声波在任意多层的弹性层系上的反射声波在层与层之间的分界面处都发生反射，在每一层固体弹性层中，将出现一对纵波和一对横波，每对波分别向上和向下传播。分别计算每一层的位移和应力张量，再利用介质分界面上的位移和应力连续性边界条件，可求得任意层上表面和下表面应力和应变的递推关系式，反复应用迭代，即可求得对于一个n层的弹性层，其上表面和下表面的表面位移和应力关系式，进而得出障板的反声系数和透射系数。获知障板的反射系数幅值和相位后，可以根据射线声学和虚源法，计算处在无限大平面障板面前点源的声场[10]。采用上述方法可计算水听器与障板间距离和声波频率等因素对指向性影响，进而获得声呐系统所需的阵元指向性(图7～8)。例如，在深水多波束测深基阵研制中，需实现平面声基阵阵元宽指向性覆盖。经理论计算和试验测试可知，随着水听器到障板距离d的增大，其指向性波束宽度逐渐变宽，0°方向声压值不断降低直至出现凹谷；对于同样的距离d，随着水听器工作频率的增大，在所计算频率范围内(10～15kHz)其指向性波束宽度逐渐变宽。根据上述规律，即可针对性的采取换能器与声障板一体化设计，从而拓宽平面阵上基元指向性。
图7不同距离对指向性影响(单位：mm)
图8不同频率对指向性影响(单位：kHz)2.2 反声障板增益的影响因素值得注意的是，通常使用反射系数等参数评估障板性能。实际应用中，障板的实际增益受到障板自身的声特性、换能器到障板的距离、声波入射角度、声波频率等众多因素的影响，反射系数很高的反声障板，实际增益却可能为负。文献[11]使用相对灵敏度级(RsL)来衡量反声障板的“真实”增益(图9～10)，论述了相对灵敏度级的计算方法，对影响反声障板增益的因素进行了研究。指出在实际应用中，可根据具体需求而设计使用反声障板，得到较高的增益，避免了反射系数很高的障板实际增益却很低(甚至为负增益)的情况。
图9 不同反射系数对障板增益的影响
图10 不同安装距离对障板增益的影响因此，在设计大型接收声基阵时，必须综合考虑阵上基元性能，评估水听器安装环境下综合“障板”效应对性能的影响，在水听器样品测试时尽量模拟最终“上阵”后的声学环境，从而准确为最终的方案选取提供支撑。可以说，阵上基元的性能是“水听器自由场性能”与“综合声障板性能”两大因素共同作用的结果，考虑到水听器性能受各频率影响相对较小(视为点元、远离谐振等)，阵上基元的性能主要由“综合声障板”因素决定，这其中与水听器到障板的距离、障板不同频率的反射系数密切相关。实际应用中，由于接收基阵的工作频段极宽，而水听器到障板的安装距离固定不变，造成无法确保全频段完全一致的声学性能，必然造成不同频率下“障板增益”、“指向性”、“后向辐射”等方面巨大的差异，在整阵设计时必须考虑系统需求与实际安装条件(尺寸、重量、结构等)之间的平衡，选取最优方案。图11为声基阵实际安装条件下障板相对灵敏度级的理论计算和实测结果对比，障板增益随频率降低而下降，在2kHz以上的频率，障板可实现正增益；而对于2kHz以下的频率，障板负增益最大达-16dB左右。这是由于水听器与障板的距离为一固定值，特定频率时障板反射声与直达波反相，造成水听器接收灵敏度的大幅降低。可通过调整水听器与障板间距、优化障板结构、采用分频段反声/吸声组合等方式，将障板负增益“凹谷”调节至工作频段之外，从而获得较好的接收阵宽带工作效果。
图11 声基阵障板增益的计算与实测对比2.3 反声障板在发射换能器上的应用反声障板也常常应用于发射换能器。文献[12]对纵弯换能器和匹配层换能器带障板的性能进行了计算和测试，表明发射换能器带障板的声场特性受换能器本身的近场特性影响较大，不同的发射换能器带障板性能也有较大的区别。障板增益在换能器工作频段内存在一个凹点(即较大负增益)，随着安装距离的增大，凹点对应的频率逐渐下移，换能器在凹点频率的指向性得到展宽。在实际工作中，如果需要工作频段内具有较高的障板增益，应尽量避开凹谷位置；如需要宽指向性工作，或者利用障板增益调节发送电压响应，则可以通过改变障板安装距离，拉平发送电压响应，展宽换能器指向性。文献[13]通过采用换能器与声障板一体化设计，实现了耐高静水压低后辐射宽带换能器，其障板采用多层橡胶-钢板复合圆形障板(图12)，起到了良好的抑制换能器后向辐射效果。换能器后向辐射由常规的纵弯换能器的30%(相对于主波束方向最大声压)下降至10%，后向辐射抑制能力达-20dB，最大工作深度达1000m以上。
图12 低后辐射深水换能器3.吸声材料及构件
吸声材料通常采用共振式吸声结构或渐变过渡层结构。吸声材料在工程中的应用很广，最典型应用是作为消声水池的吸声覆盖物，消除散射波从而模拟自由场条件。此外还广泛应用于潜艇表面消声瓦、水声对抗器材、接收声基阵等。随着对环境保护的重视，除要求具有良好的吸声性能外，还要求吸声材料能够满足长时间在水中浸泡不污染水质。传统的吸声橡胶产品多将声性能作为主要研究对象，长时间水中使用时，其它添加成分易慢慢析出，造成水体细菌滋生，严重破坏水质。中船第七一五研究所开展了环保型水声吸声材料的研究[14]，通过准确测定增塑体系三维溶解度参数，增加材料间相溶性，减少浸泡析出；以卤化酚醛树脂配合促进剂的硫化体系替代传统的硫磺/TMTD硫化体系，有效杜绝了硫化物析出所形成的硫化氢“臭鸡蛋”气味污染；研制出了搭配低、中、高频段不同型号的平行通道型吸声橡胶产品。以地表水三类水为参考依据，环保型吸声橡胶产品水质指标均满足要求；非环保型吸声橡胶产品的硫化物、溶解氧、化学需要量、总磷和石油类等指标均超标明显。图13对比了环保型与非环保型材料所制成吸声尖劈的性能。SA-J100环保型吸声尖劈，250mm×250mm×105mm，采用阻抗逐渐过渡的平行通道结构，吸声性能与相同结构的非环保型吸声尖劈相当，部分频率优于非环保型。
图13 SA-J100吸声性能
近年来，水声装备加快向大深度、低频化方向发展，对吸声材料及构件的研制提出巨大挑战。一方面是随着静水压力的提升，常规的发泡型多孔吸声材料性能明显下降，文献[15]对气泡粘弹性材料和加筋双层钢板两种非均匀结构的水下隔声性能进行了研究，结果表明：随着压力的增加，发泡材料隔声效果急剧下降，静水压力从常压增加到3MPa，插入损失从8dB下降至4dB以下。加筋钢板的隔声效果受材料的筋骨、盖板、空气腔体积等参数影响较大，筋板等设计不当会形成声桥失去隔声材料的作用。文献[16]探讨了静水压力下高分子材料黏弹性动力学参数测量和计算方法，指出静水压力对橡胶材料弹性模量影响较大，弹性模量及损耗因子随静压升高分别呈增加、减小的特点。总的来说，目前行业多通过采用高强度材料作为承力骨架，内部填充粘弹性材料或者声学空腔等方案，实现具有一定耐压能力的复合结构吸声材料，工作深度<450m。我们需要从吸声机理、材料特性、结构形式等方面着手，研制可工作于千米级乃至更大深度的高性能吸声构件，以满足深远海声学设备的需求。另一个方面，传统的吸声构件低频性能不足，特别是对于数百赫兹乃至几十赫兹的低频段，在设备平台安装尺寸受限的前提下，如何实现小尺寸高效低频吸声构件成为当前的研究热点。例如声学超材料等方面的研究。超材料的概念首先起源于电磁波领域，近年来在空气声学中应用研究较多，多用于振动阻隔、隔声等方面，在水声中则相对较少。文献[17]探讨了声学超材料局部共振微结构的机理及常见类型，指出与声子晶体不同的是声学超材料基于局部共振原理形成带隙分布，而声子晶体则基于布拉格散射机制形成带隙。由于声子晶体对布拉格散射机制的依赖使之不适宜低频域下的波处理和振动隔离。这是由于低频下波长较大，会导致声子晶体的结构非常庞大，使之很难在小尺寸得到低频带隙。而对于局域共振型超材料，禁带的位置和宽度主要是散射体的局域共振特性决定的，与它们的排列方式无关。通过引进特殊设计的局部共振微结构，超材料带隙可以在一个较低的频域下产生，这样所能控制的波长可以远大于超材料微结构本身。局域共振型超材料的类型主要有：弹簧质量型微结构、穿孔微结构、薄膜型微结构及亥姆霍兹型等。文献[18]开展了局域共振声子木堆和声子玻璃两种不同类型的水下吸声构件。其中，局域共振声子木堆(Locally Resonant Phononic Woodpile, LRPW)可以实现8～30kHz范围内吸声系数超过0.8的宽频吸声效果(图14)。结合局域共振型声子晶体和多尺度互穿网络玻璃态结构，制作了一种被称作声子玻璃的复合材料，它拥有高机械强度和优异水下吸声能力，1cm厚无缺陷声子玻璃样品可以在12～25kHz频率范围内实现水下吸声系数超过0.9的宽频吸声效应；2cm厚有缺陷声子玻璃样品虽然在吸声系数上下降明显，但在低频段体现出一个较宽的声吸收峰(图15)，其作用机理及实际应用可行性有待进一步研究。
图14 相同尺度的LRPW和其它材料吸声系数对比
图15 有缺陷与无缺陷声子玻璃样品吸声系数对比
4.柔性体积障板
柔性体积障板多应用于带液腔的发射换能器，与反声/吸声障板的机理不同，柔性体积障板主要起到调节液腔阻抗特性、提高发射效率等作用。典型的一种结构是空腔结构的金属顺性管，文献[19]提出了一种扁平型钛合金顺性管的设计方法，分析了其压缩系数、应力分布和最大变形等。金属顺性管多应用于亥姆霍兹换能器、Janus-Helmholtz换能器等，其作用是降低谐振腔内流体的刚性(提供顺性)，从而达到降低谐振频率、增大辐射阻抗、提高声源级等效果。柔性体积障板的另一个应用方向是溢流式弯张换能器。与亥姆霍兹换能器不同，溢流式弯张换能器并不利用液腔谐振工作，其谐振频率取决于弯张壳体与驱动振子构成弹性体的本征频率，主要工作在弯张壳体的一阶弯曲模态。弯张换能器的工作机理是由驱动振子在长度方向的伸缩激励壳体的弯曲振动，将振子纵向较小的位移转化为壳体横向较大幅度的弯曲应变，获得数倍的位移放大效果，从而实现小尺寸低频声辐射。常见的弯张换能器多采用空气背衬式，由于壳体自身强度、壳体受压后形变导致的驱动振子应力释放等问题，工作深度一般不大于300m。为实现大深度工作，需采用溢流式方案，将外部海水引入换能器结构内部，实现换能器壳体内外侧的压力平衡，从而大大提升换能器的工作深度。由于弯张换能器的尺寸远小于波长，当采用溢流式设计后，其壳体短轴方向单侧构成偶极子振动模式，内外侧的振速反向造成声辐射效率的大幅度降低，更为严重地是，短轴方向两侧壳体进而构成四极子辐射，造成其声辐射效率的进一步降低。同等规格的IV型弯张换能器，溢流式方案比空气背衬方案声源级下降20dB以上。文献[20]利用体积位移相等的原理，将无障板的溢流式IV型弯张换能器等效为摆动球，将空气背衬式IV型弯张换能器等效为脉动球，计算了这两种换能器的辐射阻抗值，指出两类换能器性能差异辐射阻抗差别主要是由二者的不同辐射方式引起的，空气背衬式是壳体外侧的“脉动”辐射；溢流式是内外侧“摆动”辐射。两者比对结果见表2。表2 两类弯张换能器辐射阻抗对比N·s/m
为提高溢流式弯张换能器的性能，一种解决方案是在内外侧间的液腔中插入柔性体积障板，降低液腔的顺性，实现换能器内部与外部的阻抗“失配”，从而获得较大的体积位移，提高声辐射效率。柔性体积障板的特性对溢流式弯张换能器性能影响极大，中船第七一五研究所采用“谐振腔”型柔性体积障板方案提升溢流式弯张换能器性能，具体结构为上中下三层金属板与橡胶支撑件围合而成的弹性体，其谐振频率与前述驱动振子-振动外壳组合体谐振频率相近，实现了构成耦合谐振峰拓宽带宽、消除驱动壳体内侧“有害”体积位移，从而提高声辐射效率。与常见的全金属柔性管相比，金属板与橡胶支撑件耦合的“三明治”式设计可大大降低弹性体谐振频率，使其与弯张换能器谐振频率相近，从而可起到普通柔性管不能提供的拓宽频带效果；另一方面，橡胶支撑件的引入可有效降低弯张换能器内腔整体刚性，提升辐射效率。此外，全金属围合的柔性管在配合溢流式换能器使用时，由于其振动衰减慢，常导致换能器发射波形的“拖尾”现象，金属板与橡胶耦合的谐振腔组件则通过橡胶材料的高阻尼实现快速“止振”，从而提高了换能器发射波形质量。
图16 不同类型障板对溢流式弯张换能器性能影响
5.结论与展望
近年来，水声装备的发展日新月异，工作深度从数百米提升至千米级乃至全海深，工作频率从千赫兹级下探至数百赫兹乃至几十赫兹级，对水下声系统提出了更高要求。对水声材料及构件而言，如何实现高静水压、低温环境下高效稳定工作，以及如何以较小的尺寸实现低频声学性能，是亟待解决的两大难题。实际工程应用中，由于行业分工的原因，声系统的设计者往往对水声材料的特性和发展现状了解不够深入，未能充分发挥新型水声材料的性能；水声材料的设计者也往往仅着眼于材料本身的特性，对如何更好的适配声系统需求并不了解。上述情况严重制约了水声系统的发展，迫切需要促进不同专业间的交流，从声系统整体能力提升的层面提出对不同专业发展的需求，打通从总体需求到部件设计再到材料研究的传递链条，共同促进水声装备的能力提升。
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