聚合物的水声声衰减能力与动态力学性能的关系

　　水声吸声聚合物在军事上和水声对抗、海洋资源勘测与开发、遥测遥控等水声系统中有着极其重要的应用价值[1,2],研究水声吸声材料声学性能所用的测试方法为脉冲法和双水听器法。上述方法不但对测试样品有严格的要求,制样成本高,而且装置复杂,测试成本高,这使对水声吸声材料的研究受到制约。对于阻尼式吸声聚合物材料,声能的耗散是依靠高分子链段运动的内摩擦将声能转变成热能,因此材料的动态力学性能对吸声性能起着决定性作用。基于材料的动态力学性能的研究有许多文献报道[3～6],且聚合物的动态力学性能测试方法简单,制样和测试成本低,因此研究建立聚合物的声衰减系数与动态力学性能之间的关系对于降低水声吸声材料的研究成本、指导材料的设计、促进吸声材料的研究发展具有重要意义。

　　1　实验部分

　　1.1　声学性能测试——双水听器法

　　按GB/T3674-1995规定的方法测试。声管管径为207mm,测试温度为室温,试样背衬为空气,加压时,背衬为玻璃钢。测试参数为材料的声衰减系数。

　　1.2　动态力学性能测试

　　仪器:DMTA IV型动态热机械分析仪,美国制造;测试方法和测试条件:按仪器要求制备样品,采用剪切法测试。在测试温度范围-50℃～+150℃、频率30 Hz、升温速度3℃/minHz的条件下测试试样的频率谱。

　　2　材料的声衰减系数与材料的动态力学性能

　　之间关系的建立

　　2.1　声波在均匀介质中的传播

　　设平面声波的波阵面与xy平面平行,声波沿z轴的负方向传播,则声波的声压可表示为[7]

　　并取其实部。式中:p0——声压的振幅;ω——圆频率,ω=2πf(f为声波的频率);kr——波数(它与声速Cr的关系为kr=ω/Cr,这里的kr和Cr均为实数)。声波在高分子材料中传播时,声压会由于材料的吸收而产生衰减。此时声压可表示为[8]

　　式中:β——材料的声衰减系数,记k=kr-iβ,它是复数,称为复波数。引进复波数后,在有吸收的介质中声压的表达式为

　　此式与无吸收时在形式上就统一起来,声压的衰减也包括在其中。

　　2.2　高聚物的本征方程及其解

　　描述高聚物松弛行为的模型[6,7]有三元模型(如Fig.1所示)、Cole-cole模型、Davidson-cole模型、Havriliak-Negami模型。其中Cole-cole模型更接近高聚物的实际松驰行为,三元模型较简单,但最为常用。本文用三元模型来表示高聚物的松弛行为,其本征方程为:

　　式中:τ=η/(G∞-G0);G∞——高聚物的松弛前(剪切)模量;G0——高聚物的松弛后(剪切)模量,G∞≥G0,σ、ε——应力、应变。