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       就當今橡膠制品的發展狀況而言，許多傳統的制品開始轉向功能化和高性能化，而功能性橡膠制品正是目前橡膠工業中最具時代特征的一類高新技術產品。其中，水聲橡膠制品是這方面最具有代表性的例子之一。橡膠是一種重要的水聲材料，常用作消聲水池的襯里和水聲設備(如聲納)的導流罩。近年來，隨著彈道導彈核潛艇、大型軍艦、超級油船和客貨輪的數量越來越多，對水下聲音系統及水下噪聲控制的要求也越來越高。同時，導流罩、透聲窗、障板、反射器、消聲覆蓋層和體積吸聲器的種類也不斷增多，促進了水聲橡膠制品的發展。

1） 橡膠的水聲特性

       橡膠有優異的物理、化學性能以及易硫化成型等特點。尤其可貴的是通過選取不同的膠料及配合劑的種類和比例，能夠有效地控制其聲學特性和其他性能。因此，橡膠在水聲工程中是重要的聲學材料。在聲頻及超聲頻段，橡膠的動態力學行為表現出粘彈性，所以其聲速及衰減常數與溫度和頻率有關，而且受溫度的影響較大。一般當溫度升高時，聲速下降，而衰減常數有升高的趨勢；當頻率升高時，聲速和衰減常數都增加。另外，橡膠聲速還隨壓力的升高而緩慢增加。不同種類的橡膠，其物理、化學性能是不同的。即使是同類橡膠， 也因品種或填充劑的種類、含量、硫化程度不同，其聲學特性也有差異。因此， 在水聲橡膠制品的設計加工中，要充分考慮這些問題。水聲橡膠在水中對聲波的傳播起著重要作用，它可以消除聲的反射，降低噪聲，保持聲波的傳遞不失真，避免水下各種噪聲的干擾。根據水聲橡膠制品的不同作用，可將其分為三類，即水聲吸聲橡膠制品、水聲透聲橡膠制品和水聲反聲橡膠制品。

2）水聲吸聲橡膠制品

       水聲吸聲橡膠制品一般指在水聲工程中能吸收或耗散聲能的橡膠制品。聲能入射到制品上，首先要求與水介質的特性阻抗匹配，使聲波能無反射地進入吸聲系統；其次是制品所用材料要有大的衰減，使入射進來的聲能絕大部分被吸收。在結構設計上，通常采用共振式吸聲結構或漸變過渡層結構。前者是把帶孔的橡膠薄層粘在鋼板上，通過改變孔的大小和數量來調整橡膠的有效彈性模量和損耗；而后者則常把橡膠做成尖錐或尖劈狀，以實現橡膠聲學狀態的逐步過渡，達到阻抗匹配的目的。
       為了提高橡膠的內損耗，一般在配方中加入含大量氣泡的填料或填加金屬微珠等。水聲吸聲橡膠在水聲工程中的應用很廣泛，特別是作為消聲水池的吸聲覆蓋物，大都采用吸聲橡膠尖劈結構。當頻率較高時，一般采用小尖劈，窄頻帶用共振式吸聲結構，而平行通道型尖壁結構則可滿足寬頻帶要求。在聲納換能器基陣設計中，聲學后擋、基陣與導流罩間的聲場控制以及陣元之間的隔聲去耦等方面，也經常利用吸聲橡膠來改善陣的聲學性能。此外，在船舶的聲納導流罩內壁、非發射面上需要覆蓋一層吸聲橡膠，以消除聲反射和噪聲；在螺旋槳上貼上或填充吸聲橡膠，可降低噪聲。吸聲橡膠還可以用作防探測材料，如果把吸聲橡膠覆蓋在潛艇、水雷或水下目標的表面，可以對抗敵方聲納的探測。
       先進的潛艇外面都裝有橡膠制成的“消聲瓦”，對提高潛艇的隱身性能發揮了重要的作用。多年來國內外對水聲吸聲橡膠做了許多開發研究。早期，西德 E.Meger 等人用聚異丁烯加上石墨、鋸木屑等填料，做成了“發夫尼爾(Fafnir)” 吸聲尖劈，以后又加以改進制成襯墊板式橡膠尖劈，利用一長一短中間打孔的尖劈構成平行通道系統。這種吸聲結構的吸聲效果不錯，在 5-70kHz 頻率范圍內，吸聲系數大于 99%。美國古德里奇(Goodrich)公司生產的“蘇阿布(SOAB)” 吸聲橡膠，是由丁基橡膠加鋁粉等材料制成的，做成圓錐形或平行板形尖劈，在 10kHz 到數十 kHz 頻率范圍內，吸聲性能也較好，并將這些材料裝入消聲水池。另外，日本的橫濱橡膠公司也仿制生產 SOAB 吸聲橡膠。國內也研究出了適合水面艦艇、潛艇的水聲設備用的各種吸聲橡膠制品，如 5cm 長的寬帶水聲吸收器，特別適合于聲納罩的小空間使用。它用至石粉做填料與橡膠混合，形成尖劈群。這種結構吸聲性能好，同時也滿足寬帶特性要求。但是，隨著水下深度的增加，性能很快惡化。
       目前，水聲吸聲橡膠制品的開發研究向兩方面發展，即耐水壓和低頻。尤其在橡膠的耐水壓方面作了不少工作。C. A. Sasin 曾制作了一種鋸木-聚氨酯混合材料，密度為1.05×10^3kg/m^3 ，在5kHz 頻率時，衰減常數為14dB/m 。當水壓加至 14-28MPa 時，衰減為 5.5-9.4dB/m 。聲速值約為 1600m/s 左右， 隨壓力的變化也不大。另外，SOAB 類吸聲橡膠，在 70m 水深中就變成透聲材料了。因此，迫切需要研究深海中用的耐高壓吸聲橡膠。美國和日本都進行了不同程度的研究，J. M. McCool和 S. F. Sullivan在潛艇殼體聲納基陣中， 設計了一種吸聲復合物，這種復合材料是由許多低原子量的微金屬片懸浮在橡膠中制成的，工作深度可達 150m，每個波長的聲衰減為 40-80dB。為了提高吸聲橡膠的耐壓性能；利用剛性結構，填充普通吸聲橡膠材料，這也是常用的一種方法。S. F. Sullivan和 J. Whitehouse用鋁質蜂窩結構做芯材，蜂窩中填滿含鉛粉的聚氨酯或含鋁粉的橡膠，粘到厚鋁板上，表面蒙皮為 0.1mm的不銹鋼箔。這種復合材料實質上是由含鋁粉的橡膠在低壓條件下起吸聲作用的。這種結構可以在潛艇上采用，但工藝要求較高。另一方面，日本的奧島基良等人曾試驗將一定數量的鋼珠(φ=3mm)放在天然橡膠中，在 1.0MPa壓力的水中，測出 10kHz時衰減為 1.5dB/cm。R. W. Higgs和 J. Erikssou制作了鉛棉一聚氨酯混合物，含 15%鉛棉的聚氨酯，在 32-100kHz范圍中，不加水壓時，聲速為 1000-1500m/s，衰減為 4-8dB/cm；加水壓 7-14MPa后，100kHz時的衰減為 7-9dB/cm。

3）水聲透聲橡膠制品

       在水聲透聲橡膠制品上，聲波入射到材料上能夠無反射、無損耗地通過， 也就是特性阻抗與水匹配，衰減常數相當小。在水聲設備中，透聲橡膠常用作水聽器的包覆層，例如氯丁橡膠、丁基橡膠和近年來采用的澆注型聚氨酯橡膠。在水聲工程中，聲納、魚雷的導流罩或透窗都需要具有一定結構強度的透聲橡膠材料。例如，利用鋼絲增強透聲橡膠制作大型球鼻艏導流罩；或用玻璃增強塑料及其復合結構制作各種潛艇聲納罩等。在利用這種材料制作導流罩、透聲窗時，導流罩在流體作用下將發生彎曲振動，為了減少這種導流罩的自噪聲， 選擇透聲窗材料時，必須兼顧強度要求、透聲要求與材料的楊氏模量損耗或剪切損耗性能。
        一般來說，橡膠、塑料、玻璃鋼材料的抗彎曲振動和抑制殼體聲輻射的性能比金屬好。另外，還有一類透聲橡膠可用來制作聲透鏡。為了滿足折射要求，除阻抗匹配衰減極小外，還要求橡膠的聲速低于水的聲速。例如， 某些含填料的硅橡膠已制作成水聲橡膠。在水聲透聲橡膠制品方面，已做過不少研究。做水聽器的包覆層，必須滿足透聲、水密、粘接性好等諸多條件。以往大多采用氯丁橡膠作為水聽器的包覆材料，隨著技術的進步與軍事需要，高壓防水透聲橡膠的研究也隨之深入發展。美國海軍研究所水聲標準室與海軍應用科學研究所協作，采用丁基橡膠作透聲材料。T. A. Henriquez采用丁基橡膠作包覆層制作了一個聲頻、次聲頻高壓水聽器，工作頻率為 0.3-20kHz， 能在溫度 5-35℃、水壓 0-7MPa條件下使用。這種透聲橡膠水密性好，比一般的氯丁橡膠基滲水率小 47倍。A. C. Tims和 I. D. Groves也用丁基橡膠做水聽器的包覆層，實驗表明在 1Hz-200kHz頻率范圍內，這種透聲橡膠在溫度5-35℃、水壓 0-7MPa條件下，水密、氣密性能良好，而且耐蓖麻油。經長期使用考驗，透聲性能沒有什么變化。
      我國從上世紀六十年代就開始系統地開展透聲橡膠的研究，特別是研究了透聲橡膠在換能器中的應用。經多年的努力， 已研制出多種具有不同特點的透聲橡膠，如天津橡膠工業研究所、中國船舶工業總公司715研究所和中國科學院聲學研究所共同研制的T-801-T-808八種透聲橡膠，可以滿足各種換能器不同使用條件下的技術性能要求。當前，隨著核動力潛艇深潛能力的加強和海洋開發的需要，研究的重點在深水(數千米) 換能器的透聲材料上。據報道，美國海軍曾試制過一種透聲橡膠，用在魚雷被動式聲制導系統中，這種材料除具有透聲性能外，還具有爆炸性，可以增強魚雷的爆炸能力，因為橡膠中含有 15-85%高能量增塑劑，0-20%的惰性增塑劑， 10-50%的硝化纖維塑料溶合物。艦艇上的導流罩有用纖維增強透聲橡膠的， 如美國海軍的,AN/SQS-26聲納導流罩，長 16m，壁厚約 25mm，橡膠用鋼絲加強，故重達 70噸。固體透聲橡膠材料已為人們所熟知，近十多年來又發展了液體橡膠。譬如，若以丙三醇作固化劑與液體聚氨酯橡膠混合可制成液體醇固化聚氨酯橡膠，這種透聲橡膠的工藝特點與聲學性能，可以滿足換能器對透聲水密材料的要求，對換能器的靈敏度和方向性沒有不利的影響。是一種良好的透聲材料，可以用作換能器的灌注密封。XM-15液體聚硫橡膠和 RTV-560室溫硫化硅橡膠都可用作換能器的透聲、密封材料，國內已有人將其用于深水水聽器。

4）水聲反聲橡膠制品

       為了避免水下各種噪聲(包括一切不需要的信號)的干擾，在水聲設備上應采用反聲橡膠。理想的反聲橡膠應當使入射聲波 100%地被反射回去。實際上， 首先應當使材料的特性阻抗與水的特性阻抗嚴重失配；其次要求橡膠的衰減常數小，使入射聲波絕大部分被反射。這種橡膠在水聲工程中多用作聲納反射罩以及換能器基陣的反聲后擋等。在水面艦艇聲納中，常用泡沫橡膠作為反聲材料。但是，由于要求在潛艇聲納或其他深水水聲設備中的材料能夠耐高靜水壓，故日本和德國都研究以硬質開孔聚氨酯泡沫塑料為芯材，在 120℃溫度下澆注一層聚氨酯橡膠防護層做成的復合結構，這種結構可以耐很高的壓力，國內也有類似的報道，將密度為 200kg/m^3的聚氨酯硬質泡沫，經過預壓處理后， 再用澆注法聚氨酯彈性體整體包覆泡沫，形成防水橡膠層，即可制成“耐壓” 和“反聲”性能兼優的聲障板，它在水深300m以內、工作頻率 2-4kHz下，聲壓反射系數 R>180%。將其裝配在潛艇和聲納站等場所使用的大型聲納基陣外圍，能有效地隔除噪音，提高信噪比。軟木橡膠是人們盡知的水聲去耦材料， 國外稱柯普林(Corprene)，用于換能器裝置已三十來年。由于此類材料的聲阻抗較低，有時也可用作水聲反聲材料使用。它與不銹鋼板結合在一起制作性能良好的水聲反射罩。

5）結語

       綜上所述可知，水聲橡膠制品是一類與普通橡膠制品不同的高技術產品。普通的橡膠制品大多只需一般的物理機械性能，而水聲橡膠制品除了對物理機械性能的要求之外，還需考慮橡膠配方設計和聲學結構，才能確保產品符合使用要求。此外，水聲橡膠制品包括豐富的內容，除了吸聲、透聲和反聲之外， 有時還涉及消聲、去耦和隔聲等概念。特別是由于核潛艇的不斷發展及其他海洋開發的需求增大，水聲工程用橡膠制品也將獲得更大發展。