一种有效减小换能器温飘的反声材料

　　1 引言

　　在海洋中，受不同海域和季节变化的影响，水温会在一定范围内波动。水温的变化会导致海水的声速发生变化，也会导致水声换能器中使用的各种材料物理及声学性能发生变化，特别是无源高分子材料特性阻抗与海水特性阻抗的匹配值发生变化，造成换能器的谐振频率、电导等发生变化，即产生所谓换能器温飘现象。严重时会影响到声纳系统性能的有效发挥。由于水声换能器中广泛采用橡胶作为包覆、反声和去耦材料，橡胶材料的自身特性决定了其特性阻抗会受到温度、压力的影响。在常压状态下，温度影响是引起换能器谐振频率、电导变化的主要原因。虽然换能器声波辐射面透声橡胶层也会随温度变化而对谐振频率、电导产生影响，但在频率较低和胶层较薄的情况下，其影响相对较小，本文仅对反声材料作一些研讨。作为换能器的反声材料，由于它是由骨架材料(橡胶或塑料等)填充空气组成的复合体，其特性阻抗更易受温度的影响。因此，通过降低换能器反声材料温度敏感性的方法来减小换能器的温飘会更加有效。软木的声速很低，是良好的去耦、反声材料。因此，我们以软木为主体材料，通过配方及工艺调整，设计出各项性能满足特定换能器指标要求的反声材料。为了尽量减小换能器辐射面透声橡胶和压力对换能器谐振频率、电导等影响，我们选取某型换能器在水温7℃~33℃做常压对比试验，通过比较试验结果可以看出，采用软木复合材料反声罩的换能器谐振频率、电导的波动范围明显减小，较好地解决了换能器的温飘问题。

　　2 橡胶材料对水声换能器温飘的影响

　　由于橡胶类材料体积模量远大于剪切模量，泊松比近似为0.5，杨氏模量约为剪切模量的三倍，体积模量的损耗因子比剪切模量的小得多，纵波速度比剪切波速度大许多倍[1]，以及声学特性易控制和易加工性，因此在水声换能器中被广泛用作换能器防水包覆、声障板等材料。但橡胶存在较大的声衰减，在声频、超声频段的动态力学行为表现为粘弹性，且多数胶种具有冷结晶性质。所以声速及衰减常数受温度、压力的影响较大，一般当温度升高时，声速下降，衰减常数升高，增大压力可使其声速增大。因此，橡胶水声材料的特性阻抗会随这些因素的变化而变化，降低橡胶水声材料的特性阻抗受这些因素影响的敏感性，就可以有效提高换能器性能的稳定性。

　　由于水声换能器中使用的透声橡胶厚度一般远小于 1/4 波长，厚度一定时，低频时的透射系数高于高频时的透射系数，在换能器透声面胶层较薄和频率较低的情况下，胶层受外界因素影响对换能器的谐振频率、电导而产生的影响会相对小一些。换能器中使用的反声罩一般采用发泡橡胶或发泡塑料材料制作，它是由骨架(橡胶或塑料)与微孔内的气体组成的两相复合材料，因此，它具有两种组份的特性，其声学性质受温度影响时的变化情况更为复杂，对水声换能器的谐振频率、电导等会影响更大。发泡材料的声学性质随温度的变化，主要取决于骨架材料的性质，其次是微孔内的气体。一般来说，随温度的升高或降低，微孔内的气体对反声材料整体刚度的作用会有所影响。但在温度变化不太大的范围内，气孔的作用与骨架相比是很微小的。对橡胶反声材料而言，由于多数橡胶在低温时不同程度地存在冷结晶现象，当作为发泡结构的骨架时，会使反声材料收缩、刚度增加，表现为材料的密度增大、声速升高;当温度升高时，结晶现象减小或消失，又使反声材料膨胀、弹性增加，表现为材料的密度减小、声速降低。这些变化导致了反声材料的特性阻抗随温度的变化上下波动。当这些变化较大时，就会对水声换能器的谐振频率、电导等产生明显影响，严重时会造成换能器某些指标超差。