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【摘 要】本文介绍了一种可在超声行业和高频声学测量系统内使用的高频橡胶吸声尖劈研制开发过程，简要叙述了吸声尖劈的结构设计、配方设计、工艺设计以及声性能参数等内容。
【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、结构设计和性能測试结果，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.
【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、结构设计和性能測试结果，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.