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1、http:/ 阻尼吸声材料及其在鱼雷上的应用 王绪文（洛阳船舶材料研究所 洛阳 471039）Email： 摘要：摘要：本文简单分析了现代鱼雷的噪声特点，扼要地介绍了阻尼吸声材料的声学理论基础以及材料的阻尼吸声原理，例举了阻尼吸声材料在鱼雷设计中的广泛应用，并且阐述了其在鱼雷应用上的设计要点。关键词：关键词：阻尼吸声材料；鱼雷；应用 中图分类号：中图分类号：TJ630.4；TB3 1.引言 1.引言 当前在以水声为主要探测手段的情况下，影响鱼雷作战使用的最主要因素是鱼雷自身的噪声水平1。鱼雷本身是一个由许多机械设备和运动构件所组成的水下航行体，结构非常复杂，特别是目前普遍使用的热动力鱼雷尤为复
2、杂，在热动力鱼雷推进系统中的各类泵、中频发电机和传动机构等，都是非常复杂的运动机械系统。在工作过程中，这些装置产生的振动较大，导致鱼雷的水下辐射噪声高2。另外，当鱼雷实航中机械振动源频率相耦合时，鱼雷壳体因谐振产生了强烈的振动。由于鱼雷是一个复杂的结构体，因此在多种振源的激励下既有壳体的总体振动，又有各种结构的局部振动，构成了频率成分复杂的宽带结构噪声谱3。目前世界海军大国都在大力开展鱼雷噪声的综合治理工作，力求降低鱼雷的噪声水平。在各种各样的降噪措施中，其中一个主要的措施就是通过阻尼吸声材料来控制和降低振动和噪声。阻尼吸声材料在经受交变应力作用时，由于材料的内耗，能把一部分或大部分振动能转变
3、为热能而消耗掉，从而起到阻尼吸声的作用。按吸声机理的差异，吸声体可分为多孔吸声材料和共振吸声结构两大类。本文所说的阻尼吸声材料就是具有较高阻尼特性的多孔吸声材料，它通过阻尼机理来减少结构的振动，又通过吸声机理来减少辐射噪声。2.阻尼吸声材料的原理 2.阻尼吸声材料的原理 2.1 阻尼吸声材料的声学理论基础 2.1 阻尼吸声材料的声学理论基础 声能的损耗主要是通过三种方式完成。其中在 18 世纪由斯托克斯和克希何夫提出并建立的流体的粘滞吸收和热传导吸收，被称为古典吸收。在此基础上，19 世纪提出了一种新的吸收理论分子驰豫吸收，也被称作超吸收。流体粘滞吸收是利用运动（由于摩擦）产生损耗，热传导是利
4、用热交换，使部分声能转变为介质分子的无规则运动的热能而产生的声能损耗；分子驰豫吸收是利用介质分子的振动能量与声波的传播周期不同，使声波在介质中传播时产生了声能的损耗4。2.2 阻尼吸声材料的原理 2.2 阻尼吸声材料的原理 吸声材料多为多孔材料，具有很多内外相通的微小间隙和连续空间。当声波沿着这些细孔进入材料内部引起孔内空气振动，产生与孔壁的摩擦，造成孔内空气运动速度的差异，因摩擦和粘滞力的作用而使相当一部分声能转化为热能耗散，从而使声波衰弱，反射声减弱达到吸声的目的。另外，空气绝热压缩时温度升高，绝热膨胀时温度降-1-http:/ DAMPING SOUND ABSORPTION MATER
5、IALS AND APPLICATIONS IN TORPEDOES Wang Xuwen（Luoyang Ship Material Research Institute,Luoyang 471039,China）Abstract The noisy characteristics of the modern torpedo are simply analyzed in the paper.The article also presents acoustics theoretic foundation and elements on damping sound absorption of t
6、he damping sound absorption material in brief,lists the comprehensive usage of the damping sound absorption material in the modern torpedo design and sets forth the design cruces in application of torpedo.Key words：damping sound absorption material；torpedo；application 作者简介：1979 年生，毕业于哈尔滨工业大学，现从事船舶非金
7、属的研究。-5-http:/ 低，由于热传导作用，在空气与孔壁之间不断发生热交换，也会使声能转化为热能。多孔性材料的吸声性能主要受材料的厚度、容重、流阻、孔隙率、结构因子、材料背后的介质层、材料表面的装饰处理以及使用外部条件等影响。一般来说，多孔性吸声材料对中、高频吸声效果较好，但有时采用加大厚度来提高低频吸声效果，增加容重也有利于低频吸声，背后的介质层与具有增加材料有效厚度的作用一样。在一定尺寸范围内，采用空腔的吸声结构既可以节省吸声材料，又可以提高低频吸声性能，空腔越大，吸声频率越低57。粘弹性阻尼材料主要由粘弹性聚合物构成。粘弹性聚合物由小而简单的化学单元重复聚合而成为长链大分子，分子量
8、一般超过 10,000。分子间除了相互缠绕外，还有化学键耦合，因而可以减缓和阻止分子之间的真正流动，使其在呈现出类似液体的粘性的同时，还具有一定的弹性。当它受到外力时，一方面分子链可以变形，如链节卷曲和伸展或某些构型的改变；另一方面会产生分子与分子之间链段的滑移。当外力除去后，变形的分子链恢复原位，释放外力作功，这就是粘弹体的弹性。但分子链段间的滑移不能完全恢复原位，产生了永久变形，这就是粘弹体的粘性。这一部分作的功就使机械振动能转变为热能，耗散于周围环境中。粘弹性高阻尼材料的弹性模量和结构损耗因子1E随温度和频率变化，在特定温度范围内具有较高的阻尼，粘弹性高阻尼材料的阻尼在玻璃化温度附近达到
9、最大。对使用者来说，希望材料的最大阻尼正好在使用的温度和频率范围内；同时还希望具有最大阻尼的玻璃化转变态越宽越好。阻尼吸声材料的主要性能指标有吸声系数、吸声谐振频率以及吸声的频带宽带。吸声系数吸声材料和吸声结构的吸声性能好坏，主要用其吸声系数的高、低来表示。吸声系数是指声波在物体表面反射时，其能量被吸收的百分率，通常用符号来表示，值越大，吸声性能越好。吸声系数用式（1）来计算。000EEEEERA=(1)式中：被吸收的声能 AE0E入射总声能 RE反射声能 同一种材料，对不同频率的声波，吸声系数往往也不同。因此，在实际应用中必须测得或给出几个主要频率的吸声系数，而用这些频率下的吸声系数的算术平
10、均值（用来表示）来表示材料的吸声系数。当大于0.2 的材料才被称为吸声材料。吸声的谐振频率（或最大吸声频率）即吸声材料吸声系数最大值时的频率。吸声的频带宽度吸声系数超过额定值（最小吸声系数）的频率范围，它决定于吸声设备频率特性8。作为水声吸声材料必须满足下列两个条件：（1）材料的特性声阻抗与介质水的特性声阻抗相匹配，使声波能无反射地进入吸声系统。（2）材料要有很高的内耗，使反射进来的声波在吸收系统中很快损耗而衰减9。某种材料的密度和声速的乘积称为该材料的特性声阻抗。介质的特性声阻抗可用式（2）来表示 000CZ=(2)当声波自空气中入射到特性阻抗不同的材料上要发生折射和反射。作为吸声材料，需要
11、其表面阻抗和波阻抗相匹配，而材-2-http:/ 料的阻抗Z和空气的特性阻抗C相近，如式（3）中所示。CZCZ+=(3)式中：空气密度；C声波在空气中的速度 当材料表面阻抗与波阻抗匹配时，反射系数趋于最小值 0，入射波几乎无反射地从介质中进入吸声材料，然后通过材料的内耗将声能转化为热能消耗掉。通常总希望吸声材料的损耗因子尽可能地大，声波进入材料后才会很快衰减10。3.阻尼吸声材料在鱼雷上的应用 3.阻尼吸声材料在鱼雷上的应用 3.1 阻尼吸声材料在鱼雷设计中的应用情况 3.1 阻尼吸声材料在鱼雷设计中的应用情况 根据研究资料表明，阻尼吸声材料已成功应用在鱼雷设计中。美国首先在鱼雷的推进系统上采
12、用阻尼材料，降低了推进系统的噪声。目前美国主要对 MR486AT 鱼雷进行了降噪改进，在该型鱼雷后段壳体上加了阻尼吸声层，大大降低了该型鱼雷的辐射噪声水平；瑞典研制的 2000 型鱼雷用阻尼材料将相连的发动机活塞与压气机活塞固定在壳体上，显著降低了该型鱼雷的辐射噪声；俄罗斯的部分鱼雷从 20 世纪 60 年代开始就已经应用了鱼雷自导减振器，用于降低振动噪声，“净化”鱼雷自导工作环境；在中国，刘秀研究了将阻尼橡胶与金属圆筒以螺旋式齿形结构相连接，并将此安装在鱼雷换能器部件的支撑板和基阵装置之间，经测试在中心频率为 2030KHz 范围内，吸声量达 201db。根据鱼雷振动特点及噪声机理，预计可以
13、从以下几个方面将阻尼材料应用在鱼雷设计中。（1）采用合适的新型的高阻尼吸声材料来制造螺旋桨。目前世界各国用复合碳纤维材料和玻璃钢材料等来制造螺旋桨，通过其力学性能优越的特点，控制螺旋桨叶片的变形，来减少空泡噪声，但阻尼性能差。如果采用智能型阻尼吸声材料，根据螺旋桨的实际应用情况调解其阻尼吸声性能，使其力学强度和损耗因子都能达到理想值，用于主动式螺旋桨的噪声控制。（2）在鱼雷壳体内部舱壁上粘贴阻尼吸声材料。（3）齿轮工作时将产生强噪声，是鱼雷的主要噪声源。为了降低这种噪声，除了改进齿轮设计，还可以在齿轮装置中采用阻尼材料，降低齿轮传动机构的噪声。（4）在鱼雷的管路上，可以采用阻尼吸声材料制成的软
14、管或在管上附加阻尼吸声材料，来降低和隔绝振动，以减小振动的辐射噪声。3.2 阻尼吸声材料在鱼雷上应用的设计要点 3.2 阻尼吸声材料在鱼雷上应用的设计要点 实际结构的阻尼吸声处理是比较复杂的，同一种结构，同一种工况，采用不同的阻尼吸声处理，减振降噪的效果可以大不相同，合理地选用阻尼吸声结构形式和阻尼吸声材料，是成败的关键。3.2.1 一般在阻尼吸声处理时，必须考虑以下几个问题。3.2.1 一般在阻尼吸声处理时，必须考虑以下几个问题。产生振动和噪声的原因，可否用其它措施来减少振动和噪声。部件和鱼雷系统的工况，这包括环境温度，系统的共振频率，边界条件等。阻尼吸声处理后预期要达到的目的。如结构损耗因
15、子 值的大小，噪声下降多少分贝等。3.2.2 当决定采用阻尼吸声处理后，其处理步骤如下：当决定采用阻尼吸声处理后，其处理步骤如下：-3-http:/ 分析部件或鱼雷系统的振动状况（即共振频率，结构损耗因子等）由于阻尼只对共振区有影响，因此必须了解这些参数。对于简单的结构，可以根据边界条件、几何参数、物理参数求出部件的共振频率，（一般手册上可以查到计算公式）也可以用各种测试方法测出部件或系统的共振率、结构损耗因子和吸声系数。对复杂的结构要用有限元方法计算结构的动力学特性，也可以用模态分析法测量结构的主振型、主质量、主刚度、主阻尼和主吸声系数。确定阻尼吸声材料和阻尼吸声结构。根据处理后的要求以及环
16、境温度、工况等，选择阻尼吸声材料的种类，然后再根据已知阻尼吸声材料的参数（gTE,）和,Q值，确定阻尼处理的形式（自由层或约束层处理）一般=10 左右用自由阻尼处理，Q10 或更高的采用约束层处理。确定几何参数QY，从求出的几何参数Y再计算阻尼层的厚度、约束板的厚度。对阻尼吸声处理的结构进行复测。在鱼雷设计中，所有的构件都需经过反复的结构和激振试验，以免产生局部振动和总振动。4.结束语 4.结束语 随着阻尼吸声材料技术研究的发展，对阻尼吸声材料的使用要求也越来越高，因此非常有必要发展高性能的阻尼吸声材料。而且随着理论研究和应用研究的深入，阻尼吸声材料必将得到快速发展。将阻尼吸声材料应用到现代新
17、型鱼雷的设计中，将极大的降低鱼雷的噪声，大大提高现代鱼雷的隐蔽性，从而提高现代鱼雷的设计水平，也会促使探测鱼雷的手段向非声化方向发展。参考文献：1 刘津.现代鱼雷的安静化J.鱼雷技术，2002，10（2）：1314.2 李溢池，王树宗等.现代鱼雷水下鱼雷M.北京：海洋出版社，1995.3 刘秀.减振器在自导系统结构设计中的应用J.鱼雷技术，2003，11（3）：3537.4 钟爱昊.耐压低频吸声方面的橡胶材料与结构J.制品与工艺，2001（2）：2130.5 周曦亚，凡波.吸声材料的研究进展J.中国陶瓷，2004，40（5）：2628.6 李思远，杨伟，等.降噪高分子材料及其应用J.工程塑料应用，2004，32（5）：7073.7 秦清明，贾一峰，等.减震、降噪、隔声复合材料及其在工程中的应用J.噪声与振动控制，1994，8（4）：27.8 何祚镛，赵月芳.声学理论基础.北京：国防工业出版社，1981.9 陈月辉.声学功能橡胶J.特种橡胶制品，2004，25（1）：5562.10 周洪，李波，等.高分子微粒吸声材料的声学特性J.高分子材料科学与工程，2004，20（3）：190193.-4-