摘要對相同尺寸和距離、不同材料的聲障板對圓柱換能器軸向聲壓的抑制效果開展了研宄。通過對帶有鋁板、尼龍板、橡膠板和泡沫板四種不同材料聲障板的圓柱換能器的垂直指向性測試數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：與材料特性阻抗較“硬”的障板相比，較“軟”障板對圓柱換能器的軸向聲壓抑制效果更佳。不同材料障板組合應(yīng)用時(shí)，最接近圓柱換能器的障板材料決定了障板對聲壓的抑制效果。

　　關(guān)鍵詞：聲障板;圓柱換能器;特性阻抗;徑軸比

　　《微細(xì)加工技術(shù)》創(chuàng)刊于1983年，是國家科委和國家新聞出版署批準(zhǔn)，國內(nèi)外公開發(fā)行的中央級重要科技期刊。

　　水聲設(shè)備為了實(shí)現(xiàn)收發(fā)合置的功能，要求收發(fā)換能器系統(tǒng)具有良好的聲隔離性能。除了拉大收/發(fā)換能器之間的距離提高聲隔離效果以外，在設(shè)計(jì)換能器時(shí)，可采用有效的反聲障板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，抑制圓柱換能器軸向聲壓，從而提高收、發(fā)換能器之間的隔離效果。國外針對收發(fā)合置系統(tǒng)的聲隔離效果開展了研究，瑞典的Lars Gustavsson利用在收發(fā)換能器之間放置聲障板的方式，通過對圓柱形發(fā)射和接收換能器軸向聲壓的抑制，獲得了一定的聲隔離效果，其湖上測試結(jié)果見圖1，使用障板后換能器徑軸比a(不同材料障板的圓柱換能器徑向聲壓與軸向聲壓的比值)可達(dá)15 dB。

　　本文在探索反聲障板對圓柱換能器軸向波束抑制技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究不同類型反聲障板及不同障板組合安裝對圓柱換能器軸向聲壓抑制效果的影響。主要以消聲水池的實(shí)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過徑軸比a的對比分析，探索不同類型障板及組合方式對圓柱換能器軸向聲壓的抑制效果，從而指導(dǎo)工程應(yīng)用。

　　1反聲障板理論

　　理想的反聲材料是指聲波入射到材料層上能無損耗地全部反射出去。用反聲材料制作的各種類型的反聲或隔聲器件被稱為聲障板或聲隔板，國外也稱為聲反射器。聲障板在聲吶工程中的主要作用是反聲和聲屏蔽，即增強(qiáng)有用信號和屏蔽噪聲，其結(jié)果不僅可以提高聲吶基陣的響應(yīng)，同時(shí)還能改善基陣單元的指向性，從而增大信噪比，增加聲吶作用距離。反聲性能的優(yōu)劣是以聲壓反射系數(shù)的大小衡量的。

　　如圖2所示，平面聲波在無限均勻介質(zhì)分界面的反射可以反映聲反射的某些基本特征。在兩種介質(zhì)的分界面上，反射波聲壓(Pr)與入射波聲壓(Pi)的振幅比稱為聲壓反射系數(shù)。即式中，A為聲壓反射系數(shù)，A為入射波的聲壓振幅，B為反射波的聲壓振幅。根據(jù)定義可以導(dǎo)出式中，Z1、p1、c1分別為第一種介質(zhì)的特性阻抗、密度和聲速;Z2、p2、c2分別為第二種介質(zhì)的特性阻抗、密度和聲速。式(2)表明，對于理想介質(zhì)，Z1=p1C1，Z2=p2c2，反射系數(shù)完全取決于兩種介質(zhì)的特性阻抗，或者說介質(zhì)的特性阻抗對聲波的傳播有很大影響。

　　當(dāng)Z1=Z2時(shí)，R=0，表明聲波沒有反射，即全部透射。也就是說，即使存在著兩種不同介質(zhì)的分界面，只要兩種介質(zhì)的特性阻抗相等，那么對聲波的傳播來講，分界面好像不存在一樣。而當(dāng)Z1≥Z2時(shí)，R≈1，表明兩種介質(zhì)的特性阻抗相差越大，反射系數(shù)越高，反射波很強(qiáng)，越接近全反射。由此可以推論，與水的特性阻抗嚴(yán)重失配的材料可以用作反聲材料。空氣的聲速(340 m/s)遠(yuǎn)比海水的聲速(約1 500 m/s)小，其密度相對很低(分別為1.29kg/m3和1 000 kg/m3)，因此富含空氣的泡沫材料往往被用作常壓液體中優(yōu)良的反聲材料，其反射系數(shù)一般不低于80%，有的可達(dá)90%以上，這屬于一種輕型的低阻抗失配材料。

　　無限大障板對換能器的反射作用相當(dāng)于在障板的另一端有一個(gè)虛聲源，其幅度等于入射波的幅度乘以障板的反射系數(shù)，障板作用下的聲場見圖3。

　　換能器聲中心位置O，距聲障板距離d，r滿足遠(yuǎn)場距離條件，遠(yuǎn)場中P點(diǎn)聲壓由直達(dá)波和障板反射一次后的聲波組成。合成聲壓為：

　　在實(shí)際應(yīng)用中，需考察換能器在各個(gè)方向上受障板的影響程度，以及不同材料、不同尺寸和不同安裝距離的障板對圓柱換能器軸向聲壓的抑制效果。帶障板的圓柱換能器結(jié)構(gòu)示意見圖4。其中障板直徑為D，障板到換能器聲中心的距離為d，障板厚度為k。

　　2單一材料障板的影響

　　聲障板的相對安裝距離d和障板的直徑D均對圓柱換能器軸向聲壓的抑制效果造成影響，且隨著頻率的變化其影響規(guī)律有所不同。本文主要探索在15kHz時(shí)，障板厚度h=10mm、直徑D=200mm(D=22)、距離d=100mm(d=λ)的情況下，不同材料障板對圓柱換能器軸向聲壓的抑制。

　　用鋁板、尼龍板、橡膠板和涂敷防水層的泡沫板四種不同材料的反聲障板與圓柱換能器進(jìn)行固定安裝，并在消聲水池中進(jìn)行垂直指向性測試，障板實(shí)物見圖5。

　　由圖6可知(為了避免誤解，圖中標(biāo)明了障板的安裝方向：對應(yīng)0°方向。圖9、11同上)，四種障板對圓柱換能器在15 kHz的垂直波束影響不同，對軸向聲壓的抑制作用由弱到強(qiáng)依次為：尼龍板、橡膠板、鋁板、泡沫板。其中鋁板和尼龍板的指向性圖相似，在0°方向聲壓起伏較小，徑軸比在5 dB附近;在180°方向有聲壓增強(qiáng)效果，其中鋁板的徑軸比接近0 dB。橡膠板和泡沫板的指向性圖相似，在0°方向聲壓起伏較大，徑軸比在8 dB附近;在180°方向有聲壓相消的效果，徑軸比接近20 dB。

　　通過障板的反射作用，四種不同材料的障板在0°位置的聲壓抑制效果略有不同，在180°位置出現(xiàn)了兩種不同的聲壓疊加效果，這種現(xiàn)象與障板的材料特性有關(guān)，四種障板的材料特性阻抗見表1。

　　依據(jù)平面波垂直入射時(shí)反射和透射理論中軟邊界和硬邊界的概念，鑒于水的特性阻抗R水=1.5×106N·s/m3，依據(jù)表1可知，R鋁>R水、R尼龍>R水，鋁和尼龍的邊界為“硬邊界”。此時(shí)反射波質(zhì)點(diǎn)速度與入射波質(zhì)點(diǎn)速度相位改變180°，反射波聲壓與入射波聲壓同相位。R泡沫水、R橡膠水，泡沫和橡膠的邊界為“軟邊界”。在軟邊界上，反射波質(zhì)點(diǎn)速度與入射波質(zhì)點(diǎn)速度同相位，反射波的聲壓與入射波的聲壓相位改變180°。由此可知，當(dāng)遠(yuǎn)離障板的一端出現(xiàn)了增強(qiáng)和減弱兩種情況，入射波與反射波的相位差是造成這種現(xiàn)象的主要因素，其次也與障板的大小、反射能力和相對距離有關(guān)。