正交试验法研究SA-Y330吸声圆锥填充体系配比

陈国锋 汲长远 吴友亮 徐肖锋

（第七一五研究所，杭州，310023）

吸声圆锥均采用高阻尼的丁基橡胶或卤化丁基橡胶为原胶，通过配方设计和结构设计实现不同频段的吸声性能[1]。消声水池是换能器标定测试及其他水下声学产品测试的主要场所。为在有限的空间内模拟海洋广阔环境，目前国内消声水池都敷设吸声圆锥，吸声材料主要为330 nm和470 nm两种型号。

声波入射到吸声材料内部，在传播过程中能量不断转变成热能损耗，达到吸声目的，但要首先保证声波能够无反射的传入基体材料内部[2-3]。两种媒质间特性声阻抗失配越大，声波的透射就越少。因此水下吸声材料首先要求材料的特性阻抗同相邻介质（水）的阻抗匹配，使声能无反射（或尽可能少反射）地进入材料内部。在吸声圆锥 SA-Y330（330 nm）配方设计中，增塑剂、云母粉和滑石粉的添加量不仅能够影响材料内部粘滞吸收和波形转换带来的能量损耗，还决定了材料密度和声速，继而决定了声阻抗是否与水相匹配。本文针对增塑剂、蛭石粉和滑石粉添加量进行研究，确定最佳配比。

1 方案设计

本次试验需要安排对增塑剂（石蜡油，工业级）用量、蛭石粉（10目，工业级）[4]用量、滑石粉（800目，工业级）用量三个因素确认，每个因素3个水平值。实验因素变量：增塑剂添加量5 phr、10 phr、15 phr，蛭石粉和滑石粉添加量30 phr、45 phr、60 phr。对于此9个实验变量，通常可用简单比较法、全面试验法或正交试验三种方式进行实验研究，优缺点如下：

（1）简单比较法以三个因素的最优值为试验结果，试验次数少，仅需9次试验。但这种试验方法误差较大，试验结果往往不够精确：在改变因素3的三次实验中，固定因素1、2，从而获得因素3的最优解，但如果因素1或因素2固定值不同，对应因素3的最优解会产生变化。这种方法随意性较高。

（2）全面试验法数据点分布的均匀性极好，因素和水平的搭配十分全面。缺点是实验次数多达33＝27次（指数3代表3个因素，底数3代表每因素有3个水平值）。

（3）正交试验设计方法，不仅兼有简单比较法和全面实验法的优点，而且实验次数少，数据点分布均匀，结论的可靠性较好，因此本次试验研究采用正交试验法，具体试验组合如表1所示。

表1 正交试验法组合

2 试验研究

2.1 阻抗匹配研究

按照表1填充比炼制混炼胶，制取厚度30 mm、直径56 mm圆柱试样，测试试样的密度ρ和50 kHz频率点的声速c，计算特性阻抗与水特性阻抗偏差如图1所示。图1中，3、7试样与水的特性阻抗偏差较小，说明 3、7试样与水阻抗匹配较好。特性阻抗偏差：（ρ1с1-ρ0с0）/ρ0с0，其中ρ1为圆锥密度，с1为声波在圆锥中传播速率，ρ0为水的密度，с0为声波在水中速率。特性阻抗单位g/cm2·s。

图1 1～9试样与水的特性阻抗偏差

2.2 声性能研究

按照表1填充比炼制混炼胶，制取 SA-Y330圆锥，测试在2、3、4、5 kHz频率点吸声性能，如图2所示。图中，在2、3 kHz较低频率点，3、7试样吸声性能明显好于1、2、4、5、6、8、9试样。在2 kHz频率点，3、7试样吸声系数≥95%；在3 kHz频率点，3、7试样吸声系数≥99%；在 4、5 kHz频率点，1、2、3、4、5、6、7、8、9 吸声性能总体较好，均能满足≥99%。

图2 1～9试样在2～5 kHz 4个频率点的吸声系数

2.3 机械性能研究

按照表1填充比炼制混炼胶，按照GB/T531.1-2008、GB/T533-2008、GB/T528-2009等标准文件分别制取硬度、密度、拉伸强度和永久形变试样，测试各编号机械性能，如表2所示。

表2 试样机械性能

目前国内水下吸声橡胶产品基本机械性能：硬度（邵氏 A，23℃）：60±5，参照 GB/T531.1-2008执行；密度：1300～1400 kg/m3，参照GB/T533-2008执行；拉伸强度：≥5.5 MPa，参照 GB/T528-2009执行；扯断永久变形：≤50%，参照GB/T528-2009执行。而最关键指标为拉伸强度和永久形变，从表2中数据可知，试样1～9拉伸强度和永久形变性能均满足指标要求。

3 总结

（1）经过对各配比条件下阻抗性能和声性能对比，试样 3（增塑剂、蛭石粉和滑石粉配比为5,60,60）和试样 7（增塑剂、蛭石粉和滑石粉配比为15,30,60）与水阻抗匹配性好，试样在2、3 kHz低频率点吸声性能最优。其中在2 kHz频率点，试样3、7吸声系数≥95%；在3 kHz频率点，试样3、7吸声系数≥99%。

（2）除试样 3硬度较高外，其他试样性能指标均满足目前国内消声水池用吸声圆锥机械性能指标要求。