一种高频橡胶吸声尖劈研制

一种高频橡胶吸声尖劈研制

【关键词】高频；吸声尖劈；结构；配方

0.引言

吸声尖劈是一种良好的吸声结构，普遍应用于空气声学中的噪声控制、厅堂声学工程和水声学中的消声水池、高压消声水罐和声纳导流罩内壁等。根据吸声尖劈的工作环境、吸声频段和吸声效能要求设计吸声尖劈的材质和声学结构。

目前国内吸声橡胶材料大部分采用尖劈和圆锥结构，少部分采用空腔结构。这类产品均是采用丁基橡胶为基材，蛭石粉做声学填料，两者同时作用起吸声效果。查阅文献资料得知，国内已有的吸声尖劈均采用渐变式结构，使用频率范围在5khz～200khz，主要应用在消声水槽、导流罩等声场中；吸声圆锥适用频率为1～10khz左右低频范围，主要应用在低频消声中。而针对高频部分100khz以上的吸声材料很少或没有。根据调研，目前市场上对高频吸声材料需求有很多，包括超声清洗、超声波b超、高频声学测量系统等，均需要高频吸声材料进行声场处理。

本文详细介绍了一种高频橡胶吸声尖劈的研制过程和性能情况，高频橡胶吸声尖劈设计性能指标：在频率100khz以上，吸声系数大于99%。文章详细阐述了吸声尖劈的配方设计、结构设计和性能测试结果，以期高频橡胶吸声尖劈形成一定产业化，满足市场需求。

1.配方设计

1.1基材

根据水下吸声材料的基本要求，一般采用内耗大、阻尼性能好的高分子材料作为基材，如丁基橡胶、丁苯橡胶、聚氨酯橡胶等 [1]。查阅资料得知，丁基橡胶在常用水声橡胶中杨氏模量损耗因子为最高，表征粘弹性物质的物理量弹性恢复为最低，内耗最大。因此丁基橡胶是一种很好的阻尼材料。另外，丁基橡胶的耐老化和耐水性能优良，适宜于长期在水中使用[2]。据上所述，选用丁基橡胶为吸声橡胶圆锥基体材料。

1.2硫化体系

丁基橡胶一般采用的硫化体系有硫磺硫化体系、树脂硫化体系和醌二肟硫化体系三种。硫磺硫化体系中，采用硫磺为硫化剂，存在硫的污染。醌二肟硫化体系中，对苯醌二肟的价格太高，限制了应用。因此选用树脂硫化体系。

1.3吸声填料选择

为了材料有较大的声衰减性能，通常在橡胶中混入气泡性填料。在气泡性填料的选择上，木屑、铝粉、蛭石粉均可作为气泡性填料，其中蛭石粉使用效果较好。当蛭石粉的用量从0增减到50份时，材料的声阻抗率下降为原来的1/3，而有效损耗因子则提高了6倍[3]。

1.4配方

经过材料筛选和配方试验，确定高频橡胶吸声尖劈的最终配方为（质量份）：丁基橡胶 100、氧化锌 4～8、硬脂酸 1～2、增塑剂13～20、树脂10～15、蛭石粉30～50、碳黑及填料80～120。

2.结构设计

常用的吸声材料结构不外乎渐变式吸声结构和共振式吸声结构。根据高频橡胶吸声尖劈声学性能设计要求，应采用渐变式吸声结构。这种结构把橡胶等材料制成尖锥或尖劈状，以实现阻抗匹配。当声波入射到楔槽斜壁时，声波进入吸声材料，大多数被吸收，被反射的声波又入射到楔槽斜壁对面的吸声材料表面，进入部分大多数又被吸收，如此循环往复，声波逐渐衰减[1]。

高频橡胶吸声尖劈采用尖劈状结构，影响尖劈吸声性能的主要结构参数是过渡段长度，底座高度及两者之比值，以及底座宽度。通常尖劈过渡段高度应不小于截止频率波长的1/4，如取f=1khz，则尖劈过渡段高度l≥λ/4=0.375m[2]。

根据实际应用情况，最终设计出的高频橡胶吸声尖劈结构示意图见图1。

图1 高频橡胶吸声尖劈结构示意图

3.生产工艺

根据产品形状，模具设计成上、中、下模结构，方便尖劈的取出。产品的生产流程图见图2。

4.性能

4.1物理性能

混炼胶在165℃×15min下硫化，胶片物理性能情况见表1。

表1 吸声尖劈物理性能

4.2声学性能

由于高频橡胶吸声尖劈设计性能指标：在频率100khz以上，吸声系数大于99%。因此高频橡胶吸声尖劈需在水声材料自由场高频测量系统中测试，测试系统组成见图2。高频橡胶吸声尖劈测量时背面粘有钢背衬，反射系数测试结果见图3。

图3 测量系统组成框图

从测试结果看，高频橡胶吸声尖劈在60khz～1mhz范围内平均反射系数小于0.15，通过换算可知尖劈在频段内平均吸声系数在99%以上。

图4 高频橡胶吸声尖劈反射系数测量结果

5.讨论

（1）通过配方和结构设计、性能测试分析，确定了材料配方和尺寸，开发出的高频橡胶吸声尖劈满足设计要求。

（2）在高频橡胶吸声尖劈配方设计中，考虑环保性设计，硫化体系采用树脂硫化体系，导致胶料硫化时间偏长，根据理论研究，在这种情况下可采用氯化丁基橡胶为基材，可取得很好工艺效果。（3）由于测试系统局限，高频橡胶吸声尖劈研制过程中声学性能测试最高频段为1mhz，更高频段数据尚待测试和总结。

【参考文献】

[1]朱金华，王源升，文庆珍，姚树人.水声吸声高分子材料的发展及应用.高分子材料科学与工程，2005，21（4）.

[2]魏军光.消声水池用无硫吸声橡胶圆锥的研究. 造船技术，2002，5.

[3]张殿荣，马占兴，杨清芝.现代橡胶配方设计（第二版）.北京：化学工业出版社，2001.