水声技术▏水声透声材料发展概述
在军事上，随着水下隐身技术的不断发展，水下武器装备的声波散射越来越小，越来越难以被发现和定位。而远距离、高精度地优先发现敌人是水下武器装备克敌制胜的关键，这对水下探测技术提出了更高的要求。水下探测主要依靠声纳基阵，换能器是声纳基阵的核心，而透声材料是保证换能器不受水流冲击和不被干扰的关键材料，常用作换能器的水密包覆层、声纳导流罩和鱼雷透声窗等。
在民用领域，水下透声材料常用于海底石油勘探、海洋捕捞、深井探测地声等方面。随着新型声纳系统不断被开发和应用，对水下透声材料也提出越来越高的要求。因此，研究开发新型水声透声材料，对未来海军建设和海洋资源开发利用都具有十分重要的意义。
影响水下透声材料发展的因素主要为材料体系和声学结构。通过研究水下材料的透声机理，综述国内外透声材料在声纳导流罩方面的应用情况，概括当前水声透声材料的主要研究方向和进展，提出水声透声材料未来发展趋势。
一、水声透声材料在声纳导流罩上的应用
水声透声材料一般作为水听器、换能器的包覆层，如舰船、潜艇、水下潜航器的声纳导流罩，以及其他水声换能器的透声窗。目前，已发展出金属、橡胶和玻璃钢复合材料等种类，并开发出一系列其他产品。
⒈金属
早期的金属透声材料用于舰艇的导流罩。最初的舰艇及水下潜航器的声纳导流罩采用合金钢板。直到20世纪60年代，声纳导流罩材料仍使用1.5～2mm厚的不锈钢。但是因不锈钢透声效率低、重量大、成本高、安装困难，不能满足水下武器装备日益发展的需要。
后来发展为钛合金导流罩，钛合金具有优良的耐海水腐蚀性能、高的比强度、无磁性等优点，逐渐被认可，并誉为“海洋金属”。新一代核潜艇多使用钛合金作为透声材料，如美国的CW- 35导流罩。俄罗斯“明斯克”号航母舰艘导流罩为双层钛合金薄板结构，罩内安装约4m×3.9m×0.52m平面声学基阵，工作频率为3000～3500Hz。
我国海军现役舰艇声纳导流罩选用的透声材料也多为不锈钢和钛合金。由于不锈钢导流罩的透声性能差，不能满足我国海军日益发展的需要，我国于“九五”期间开展了钛合金在舰船声纳导流罩上的应用研究，成功研制出舰艇球鼻艏钛合金声纳导流罩模拟体，并在试验船上成功应用。
金属合金导流罩一直存在透声效果差、成本高、密度大等问题，而且制造安装困难，成品率低，不易维修。随着技术的发展，金属透声材料逐渐被非金属材料所取代。
⒉橡胶
由于橡胶的声阻抗和海水接近，满足声学性能要求，且橡胶具有良好的密封、防水等性能，适合用作透声材料。随着橡胶工业的发展，橡胶作为透声材料也取得了长足发展。
最早的橡胶类透声材料是1927年美国Goodrich公司研制的RHO-C橡胶。材料采用天然橡胶为基材，利用适当尺寸的玻璃空心微珠以特定填充密度与橡胶混合，形成一种新型复合材料。这种复合材料的密度和声阻抗（在温度为25℃下约为1.55105kg/(m2·s))与海水（1.62106kg/(m2·s））相近，而且具有很高的强度，满足了大型深水自导鱼雷换能器和大型潜艇声纳导流系统发展的需要。随后被美国海军所采用，如SQS-26潜艇声纳导流罩，该罩长16m，壁厚约25mm，总重量70t。
我国对透声橡胶的研究始于1965年。经试验相继研制出以五种橡胶为基材的透声橡胶，分别为NR（天然胶），CR（氯丁胶），IIR（丁基胶）、CI-IR（氯化丁基胶）、PUR（浇注型聚氨酯橡胶），并制备版号为T801-T808的透声橡胶产品。
我国在固体透声橡胶的基础上，还发展了液体橡胶透声材料。液体透声橡胶因具有配方可调，工艺和声学性能可以满足换能器对水密透声材料的要求，对换能器的灵敏度和方向性没有不利影响的优点，引起人们的关注。我国已开发出XM-15液体聚硫橡胶和RTV-560室温硫化胶。然而，液体橡胶在应用过程中存在内部以及与复合层之间有气泡、分层等问题，在一定程度上对声纳系统的声学性能产生不利影响。
⒊玻璃钢
无论是金属材料还是非金属透声材料，采用单一介质结构均存在机械强度差的缺点。单一金属材料或非金属材料制造的声纳导流罩都有减振性不佳的问题，在声学和力学性能上只能偏重于其中一个方面，难以兼顾，无法满足声纳对导流罩的全面性能要求。随着高强度塑料与纤维增强塑料的发展，为兼顾声学性能和机械强度，玻璃钢类复合材料引起了广泛的关注。
玻璃钢透声材料因具有比不锈钢更好的透声性能和高的比强度，以及成型方便、造价低、耐海水腐蚀、易维修等优点，在20世纪50年代就被美国用于声纳导流罩。1963年美国制定了《潜艇玻璃纤维增强塑料声纳导流罩》军用规范。同时，其他国家也相继将玻璃钢应用于潜艇及大型舰船水面舰艇的声纳导流罩，如1984年英国皇家海军开工建设的23型导弹驱逐舰2050型LF声纳舰艏导流罩壳板由玻璃钢制成。玻璃钢透声性能好，但强度稍差，因此该导流罩使用桁架结构并进行相应的加强。2001年美国海军将玻璃钢复合材料用于“弗吉尼亚”级潜艇声纳导流罩，该产品长6.5m，重约25t，主要使用高强度玻璃纤维增强复合材料制成，外层粘贴一层50.8mm厚的橡胶保护罩，以增强导流罩的声学特性。
我国从20世纪60年代开始对环氧玻璃钢、不饱和聚酯玻璃和涤纶纤维、尼龙纤维、聚丙烯纤维等增强塑料以及部分热塑性塑料等材料的声学性能进行研究，并于60年代末建造了第一个玻璃钢声纳导流罩。经过十多年的使用，发现玻璃钢声纳导流罩的透声性能、耐海水老化性能、建造费用以及维修等方面都优于金属声纳导流罩。到目前为止，玻璃钢声纳罩仍在我国海军中使用。
二、水声透声材料的研究进展
为满足不断提高的声纳技术要求，材料学和声学专家在透声理论和材料结构设计方面开展了大量研究，目前的研究主要致力于三个方面：理论计算指导材料结构设计；提高材料透声性能；增加材料密封性能和耐海洋环境性能等方面。
⒈理论计算指导材料结构设计
材料的透声性能在很大程度上取决于其所处的声场环境。而透声材料制造的透声窗、声纳导流罩一般几何外形比较复杂，严格地计算水下航行器声纳自噪声比较困难。在工程应用中，常使用有限元和边界元方法计算和描述结构振动，但这两种方法仅适用于低频段，且计算量大。声纳噪声的计算一般采用简化模型。
俞孟萨等采用双重Fourier变换方法和波数－频谱分析，参照KO和Heatwole对柔性层流动噪声的分析与研究，建立平稳随机湍流脉动压力激励下三层夹心式透声窗在声纳基阵部位产生的自噪声计算方法，利用数值模型分析夹心式透声窗板厚、纵波和横波声速、阻尼因子等参数对自噪声的影响，提出夹心透声窗声学设计的方法和参数。Han等采用能量流分析方法，计算了弹性平板模型受湍流脉动压力在矩形腔内产生的噪声。Wu同样采用平板模型技术分析湍流边界层的影响，来确定夹心结构的几何和物理参数，使声纳导流罩噪声最低，透声性能最好。李科技等利用传递矩阵法建立平板夹心结构声学设计模型，设计出由两层钛板蒙皮，中间夹声橡胶并且无加强筋组成的复合透声材料。
⒉提高材料透声性能
国内外主要通过改性材料和使用合理声学结构来提高复合材料的透声性能。
通过合理的配方设计，NR、CR、IIR和聚氨酯橡胶等均能制成性能良好的透声材料，并兼有密封防水和透射声波双重功能。在5～45KHz、试样厚度为8mm的条件下，材料的透声系数在91％以上。范进梁等以CR透声材料为基体，研究CT和氯丁橡胶（BR）并用对透声性能的影响，得到玻璃化温度低，在0～40℃范围内储能模量稳定的CR/BR并用胶，并且橡胶表现出优良的透声性能和水密性能。
水下航行器在航行时受水流冲击，透声材料会产生自噪声。自噪声严重影响透声材料对特定频率声波的透过。基于此，国内外研究者通过对材料的声学结构进行设计，以控制自噪声。李源源等对新型金属双层壳导流罩的声学设计进行研究，以钛合金作为建造材料，设计出具有良好透声性能的双壳结构金属球鼻艏导流罩。俞孟萨等通过模拟计算和试验对比提出夹心式透声窗声学设计的方法和参数，研究结果表明，三层夹心透声材料的透声特性取决于夹心粘弹性层中纵波和横波传播的截止效应及阻抗失配效应。
⒊提高材料密封性能和耐腐蚀性能
透声复合材料不仅作为透声体，也作为包覆和承载结构。因此，对材料的密封性、耐腐蚀性也有一定要求。针对透声复合材料的耐水性和防腐问题，国内外研究人员一般通过在材料表面涂覆具有良好透声性能的防水层或防腐漆来解决。
申俊英研究了聚氨酯透声橡胶、氯丁透声橡胶和丁基防水橡胶涂层对降低橡胶透声材料的吸水及透声性的影响，其中丁基防水橡胶涂层可以使聚氨酯橡胶的透水系数下降98％，使氯丁橡胶的透水系数下降68％，在不减少透声率的同时显著地降低吸水和透水速度，大幅提高水密性。
为解决透声材料的耐海洋环境性，贺鹏利用聚脲弹性体具有吸水率低、耐海水浸泡、防腐性能好的特点，使用喷涂成型技术，形成连续的弹性涂层作为橡胶、玻璃钢透声材料的透声防腐涂层，具有良好的防腐效果。
三、结语与展望
目前，已形成了金属、橡胶、玻璃纤维增强复合材料为主的透声材料体系，并在此基础上发展出多种声学结构。新型的透声材料种类和透声结构也不断被推出。概括来说，现在水下透声材料研究仍存在以下问题及发展重点：①模型计算得到的材料性能和实际测试结果不能很好匹配，在一定程度上制约了透声材料的发展，亟需丰富、完善水下透声材料性能计算模型。②常用的水声透声材料在透声、耐压、减振、耐候性、耐腐蚀性等方面难以达到平衡，需要致力于开发性能均衡的透声材料。③我国现役潜艇声纳导流罩大多采用板筋结构和桁架结构的玻璃钢制作，玻璃钢全壳体声纳导流罩的研究还处于初级阶段，需要加大研制力度，缩短与发达国家的差距。
【作者简介】文/张春园 孟庆杰 闻婷婷 齐庆 郭世峰，均来自航天特种材料及工艺技术研究所；第一作者张春园，男，博士研究生，主要从事复合材料方面的研究；文章来自《材料导报》（2018年S2期），参考文献略，略作删选，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。
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