王敏慧 胡健辉 王艳

（1.上海船舶电子设备研究所，上海，201108）（2.水声对抗技术重点实验室，上海，201108)

水声设备为了实现收发合置的功能，要求收发换能器系统具有良好的声隔离性能[1-2]。除了拉大收/发换能器之间的距离提高声隔离效果以外，在设计换能器时，可采用有效的反声障板结构设计[3-4]，抑制圆柱换能器轴向声压，从而提高收、发换能器之间的隔离效果。国外针对收发合置系统的声隔离效果开展了研究，瑞典的Lars Gustavsson利用在收发换能器之间放置声障板的方式，通过对圆柱形发射和接收换能器轴向声压的抑制，获得了一定的声隔离效果[5]，其湖上测试结果见图1，使用障板后换能器径轴比α（不同材料障板的圆柱换能器径向声压与轴向声压的比值）可达15 dB。

图1 瑞典研究人员制作的声隔离系统指向性图

本文在探索反声障板对圆柱换能器轴向波束抑制技术研究的基础上[6]，进一步研究不同类型反声障板及不同障板组合安装对圆柱换能器轴向声压抑制效果的影响。主要以消声水池的实测数据为依据，通过径轴比α的对比分析，探索不同类型障板及组合方式对圆柱换能器轴向声压的抑制效果，从而指导工程应用。

1 反声障板理论

理想的反声材料是指声波入射到材料层上能无损耗地全部反射出去。用反声材料制作的各种类型的反声或隔声器件被称为声障板或声隔板，国外也称为声反射器。声障板在声呐工程中的主要作用是反声和声屏蔽，即增强有用信号和屏蔽噪声，其结果不仅可以提高声呐基阵的响应，同时还能改善基阵单元的指向性，从而增大信噪比，增加声呐作用距离。反声性能的优劣是以声压反射系数的大小衡量的。

图2 平面波在两种介质中的传播示意图

如图2所示，平面声波在无限均匀介质分界面的反射可以反映声反射的某些基本特征。在两种介质的分界面上，反射波声压(Pr) 与入射波声压(Pi) 的振幅比称为声压反射系数。即

式中，R为声压反射系数，A为入射波的声压振幅，B为反射波的声压振幅。根据定义可以导出

式中，Z1、ρ1、cl分别为第一种介质的特性阻抗、密度和声速；Z2、ρ2、c2分别为第二种介质的特性阻抗、密度和声速。式（2）表明，对于理想介质，Z1=ρ1c1,Z2=ρ2c2，反射系数完全取决于两种介质的特性阻抗，或者说介质的特性阻抗对声波的传播有很大影响。

当Z1=Z2时，R=0，表明声波没有反射，即全部透射。也就是说，即使存在着两种不同介质的分界面，只要两种介质的特性阻抗相等，那么对声波的传播来讲，分界面好像不存在一样。而当Z1≥Z2时，R≈1, 表明两种介质的特性阻抗相差越大，反射系数越高，反射波很强，越接近全反射。由此可以推论，与水的特性阻抗严重失配的材料可以用作反声材料。空气的声速( 340 m/s ) 远比海水的声速(约1 500 m/s) 小，其密度相对很低（分别为1.29 kg/m3和1 000 kg/m3），因此富含空气的泡沫材料往往被用作常压液体中优良的反声材料，其反射系数一般不低于80%，有的可达90%以上，这属于一种轻型的低阻抗失配材料。

无限大障板对换能器的反射作用相当于在障板的另一端有一个虚声源，其幅度等于入射波的幅度乘以障板的反射系数，障板作用下的声场见图3。

图3 反声障板对换能器的声场示意图

换能器声中心位置O，距声障板距离d，r满足远场距离条件，远场中P点声压由直达波和障板反射一次后的声波组成[7]。合成声压为：

式中，障板反射系数V(θ)为

式中

θ→90°时，则

在实际应用中，需考察换能器在各个方向上受障板的影响程度，以及不同材料、不同尺寸和不同安装距离的障板对圆柱换能器轴向声压的抑制效果。带障板的圆柱换能器结构示意见图4。其中障板直径为D，障板到换能器声中心的距离为d，障板厚度为h。

图4 带障板的圆柱换能器结构示意图

2 单一材料障板的影响

声障板的相对安装距离d和障板的直径D均对圆柱换能器轴向声压的抑制效果造成影响，且随着频率的变化其影响规律有所不同。本文主要探索在15 kHz时，障板厚度h=10 mm、直径D=200 mm（D=2λ）、距离d=100 mm（d=λ）的情况下，不同材料障板对圆柱换能器轴向声压的抑制。

用铝板、尼龙板、橡胶板和涂敷防水层的泡沫板四种不同材料的反声障板与圆柱换能器进行固定安装，并在消声水池中进行垂直指向性测试，障板实物见图5。

图5 四种不同材料障板实物图

由图6可知（为了避免误解，图中标明了障板的安装方向：对应0°方向。图9、11同上），四种障板对圆柱换能器在15 kHz的垂直波束影响不同，对轴向声压的抑制作用由弱到强依次为：尼龙板、橡胶板、铝板、泡沫板。其中铝板和尼龙板的指向性图相似，在0°方向声压起伏较小，径轴比在5 dB附近；在180°方向有声压增强效果，其中铝板的径轴比接近0 dB。橡胶板和泡沫板的指向性图相似，在0°方向声压起伏较大，径轴比在8 dB附近；在180°方向有声压相消的效果，径轴比接近20 dB。

图6 四种障板作用下圆柱换能器垂直指向性对比图

通过障板的反射作用，四种不同材料的障板在0°位置的声压抑制效果略有不同，在180°位置出现了两种不同的声压叠加效果，这种现象与障板的材料特性有关，四种障板的材料特性阻抗见表1。

表1 不同材料障板的阻抗特性对比表

依据平面波垂直入射时反射和透射理论中软边界和硬边界的概念，鉴于水的特性阻抗R水= 1.5×106N·s/m3，依据表1可知，R铝＞R水、R尼龙＞R水，铝和尼龙的边界为“硬边界”。此时反射波质点速度与入射波质点速度相位改变180°，反射波声压与入射波声压同相位。R泡沫＜R水、R橡胶＜R水，泡沫和橡胶的边界为“软边界”。在软边界上，反射波质点速度与入射波质点速度同相位，反射波的声压与入射波的声压相位改变180°。由此可知，当远离障板的一端出现了增强和减弱两种情况，入射波与反射波的相位差是造成这种现象的主要因素，其次也与障板的大小、反射能力和相对距离有关。

3 组合障板的影响

依据不同障板材料的声学特性进行声障板的组合应用研究，寻找抑制圆柱换能器轴向声压的主要因素。如图7所示，对不同材料障板组合的命名遵从由远离换能器到靠近换能器的顺序，图中障板组合命名为“橡胶+尼龙”组合。按照软边界和硬边界相互组合的方式粘接了四种组合型障板，并与单一障板的垂直指向性曲线进行对比。

图7 橡胶+尼龙障板组合示意图

3.1 铝板和泡沫板组合

带障板换能器实物见图8，消声水池垂直方向性测试曲线对比见图9。从图9中实测数据对比可知，在15 kHz时：（1）采用铝板+泡沫的障板组合方式，其指向性曲线与单一泡沫作为障板的指向性曲线相近，障板一侧（0°）有突起，反方向（180°）声压相消，相比而言，单一泡沫作障板的轴向抑制效果最好；（2）采用泡沫+铝板的障板组合方式，其指向性曲线与单一铝板作为障板的指向性曲线相近，泡沫+铝板的障板组合方式轴向抑制效果较好；（3）对比四条垂直方向性曲线，单一泡沫作障板的轴向抑制效果最好。

图8 铝板与泡沫板的障板组合应用实物图

图9 铝板与泡沫的组合障板垂直指向性对比图

3.2 尼龙板和橡胶板组合

带障板换能器实物见图10，消声水池垂直方向性测试曲线对比见图11。从图11的实测数据对比可知，在15 kHz时：（1）采用尼龙+橡胶的障板组合方式，其指向性曲线与单一橡胶作为障板的指向性曲线相近，障板一侧（0°）有突起，反方向（180°）声压相消，其中单一橡胶作障板的轴向抑制效果更好；（2）采用橡胶+尼龙的障板组合的方式，其指向性曲线与单一尼龙的指向性曲线相近，障板一侧有突起，反方向声压增加，橡胶+尼龙的轴向抑制效果较好；（3）对比四条垂直方向性曲线，单一橡胶作障板的轴向抑制效果最好。

通过对比以上数据可知，组合障板的主要性能是由最接近换能器的障板材料声特性决定的，与多个障板组合的关系不大。其中采用单一泡沫作为障板对圆柱换能器垂直波束中轴向声压（0°和180°）的综合抑制效果最好。

图10 尼龙与橡胶的组合应用实物图

图11 尼龙与橡胶的组合障板垂直指向性对比图

4 结论

本文主要通过试验，研究厚度为10 mm、直径200 mm、距离换能器声中心100 mm的不同材料障板和不同障板组合的作用下，障板对圆柱换能器在15 kHz时轴向声压的抑制。通过试验数据可知：在圆柱形换能器的轴向安装该结构形式的障板，可以获得较好的轴向波束抑制，且声软障板比声硬障板的抑制效果更佳。对于不同障板组合的情况，最接近换能器的障板材料声特性是决定组合式反声障板对圆环换能器轴向声压抑制的主要因素，与多个障板组合时的整体性能关系不大。