CN106008896A - 一种水中声波用聚氨酯宽频吸声层 - Google Patents

一种水中声波用聚氨酯宽频吸声层 Download PDF

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Abstract

一种水中声波用聚氨酯宽频吸声层，吸声层为至少两层复合结构，吸声层由聚氨酯基体以及镶嵌在聚氨酯基体中的吸声填料组成，通过在不同分层中改变吸声填料的粒径大小、吸声填料的容积率、聚氨酯基体的硬度中的一种或多种方式组合的方法，使吸声层构成非均质的声学梯度渐变层；吸声层由聚氨酯基体50~80%，吸声填料20~50%组成，聚氨酯基体由聚合物多元醇15~25%、二异氰酸酯20~30%、小分子多元醇35~61%和增塑剂4~10%组成。本发明可直接在材料内部形成分散的任意孔径声学空腔；吸声层具有一定声学梯度渐变结构，实现声波逐渐入射到材料内部，并在材料内部形成多层次的声反射，增加声损耗行程，提高吸声性能。

Description

一种水中声波用聚氨酯宽频吸声层
技术领域
本发明涉及水声工程技术领域，具体涉及一种水中声波用聚氨酯宽频吸声层。
背景技术
至今为止，用于水中声波的吸声结构通常由具有高损耗的橡胶材料或聚氨酯材料组成，制作成板状或圆锥形状，圆锥形状的尖端为声波入射端。通过材料及结构优化调整后，此类结构会在一定频带内获得优良的吸声性能。但是此类结构吸声频带较窄，若想获取宽频带吸声效果，其结构厚度或长度必须足够长。特别是为了增强低频吸声能力，结构内部往往需要额外开有声学空腔结构，但该种方式声学空腔形式单一，空腔数量有限，导致有效的吸声频段较窄。且传统的吸声结构多为材质均匀一致结构，在吸声层与水分界面处容易发生声反射，内部声波有效的损耗声程小，不利于吸声性能的提高和吸声频带的拓展。
发明内容
本发明为了克服现有水声用吸声结构吸声频带窄的问题，提供一种水中声波用聚氨酯宽频吸声层。
本发明为解决上述问题所采用的技术方案为：一种水中声波用聚氨酯宽频吸声层，吸声层为至少两层复合结构，吸声层由聚氨酯基体以及镶嵌在聚氨酯基体中的吸声填料组成，通过在不同分层中改变吸声填料的粒径大小、吸声填料的容积率、聚氨酯基体的硬度中的一种或多种方式组合的方法，使吸声层构成非均质的声学梯度渐变层；其中，组成吸声层的各物料的重量百分比为：聚氨酯基体50~80%，吸声填料20~50%，二者重量百分比的总和为100%；所述的聚氨酯基体由聚合物多元醇、二异氰酸酯、小分子多元醇和增塑剂组成，聚氨酯基体中各物料的重量占聚氨酯基体总重量的百分比为：聚合物多元醇15~25%、二异氰酸酯20~30%、小分子多元醇35~61%和增塑剂4~10%。
本发明中，从吸声层的声波入射端面起始至其末端，逐层中的吸声填料的粒径逐渐增大，且吸声层中的吸声填料包含大颗粒、中颗粒填料或小颗粒填料中的两种及两种以上，其中，大颗粒填料的粒径为0.5~5.0mm，中颗粒填料的粒径为150~600μm，小颗粒填料的粒径为2~150μm。
进一步地，所述的大颗粒填料为片状或球状的蛭石、聚苯乙烯微球、塑料微球、聚氨酯泡沫塑料中的一种或多种组合；所述的中颗粒填料为片状或球状的玻璃鳞片、蛭石、石墨中的一种或多种组合；所述的小颗粒填料为云母、中空玻璃微珠、金属粉末、陶瓷微珠、滑石粉中的一种或多种组合。
本发明中，从吸声层的声波入射端面起始至其末端，逐层中的吸声填料的容积率逐渐增大，位于声波入射端面的吸声层中的吸声填料容积率为10~20%，位于声波末端的吸声层中的吸声填料容积率为40~60%。
进一步地，吸声层为等距的三层复合结构，从吸声层的声波入射端面起始至其末端，逐层中的吸声填料的容积率分别为10~15%、15~20%、40~60%。
本发明中，从吸声层的声波入射端面起始至其末端，逐层中的聚氨酯基体的硬度逐渐增大，位于声波入射端面的吸声层中的聚氨酯基体的硬度（邵氏A）为35~50度，位于声波末端的吸声层中的聚氨酯基体的硬度（邵氏A）为55~70度。
进一步地，吸声层为等距的三层复合结构，从吸声层的声波入射端面起始至其末端，逐层中聚氨酯基体的硬度分别为硬度（邵氏A）35~40度、45~50度、55~60度。
本发明中，吸声层的密度为800~1500kg/m3，吸声层的声阻抗与水相匹配，在20KHz声激励频率下，吸声层的纵波声速为1100~2200m/s。
本发明中，所述的聚氨酯基体具有一定的阻尼内耗，在25℃条件下，10~300Hz频段内，聚氨酯基体的损耗因子不小于0.3，其中的聚合物多元醇为耐水解的聚醚多元醇，相对分子量为800~2000。
本发明中，吸声层的结构为平板状、尖劈状或圆锥状。
有益效果：（1）、本发明通过在聚氨酯基体中镶嵌不同类型或不同粒径吸声填料，可直接在材料内部形成分散的任意孔径声学空腔，可大大提高材料在吸声的吸声频带。
（2）、通过分层加入不同粒径和/或不同类型的吸声填料，并可调控吸声填料在各层中的容积率，使吸声层成为具有一定声学梯度渐变的结构，实现声波逐渐入射到材料内部，并在材料内部形成多层次的声反射，增加声损耗行程，从而进一步提高吸声性能。
（3）、本发明的吸声层的声学梯度渐变层，每个分层搭接界面并无明显分界限；聚氨酯吸声层在厚度方向分为渐变的多层，每层填充声学填料粒子，通过吸声填料粒径大小、吸声填料容积率、聚氨酯基体硬度的优化组合搭配，实现长度方向等效模量的梯度变化，从而形成非均质的声学梯度渐变结构。并且该发明材料成型工艺简单，只需要浇注成型或分批次浇注成型即可，简化了工艺流程，可实现高效率批量化生产。
（4）、本发明可在2KHz-100KHz宽频内达到优良的吸声性能，长度约为330 mm的圆锥状吸声层，在低频段2-5KHz即吸声系数可达到93%以上，5KHz以上频率吸声系数可达到97%以上。
附图说明
图1为本发明实施例1的示意图；
图2为本发明实施例2的示意图；
图3为本发明实施例3的示意图；
图4为本发明实施例4的示意图；
图5为本发明实施例5的示意图；
图6为本发明实施例6的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
一种水中声波用聚氨酯宽频吸声层，吸声层为至少两层复合结构，吸声层由聚氨酯基体以及镶嵌在聚氨酯基体中的吸声填料组成，通过在不同分层中改变吸声填料的粒径大小、吸声填料的容积率、聚氨酯基体的硬度中的一种或多种方式组合的方法，使吸声层构成非均质的声学梯度渐变层；其中，组成吸声层的各物料的重量百分比为：聚氨酯基体50~80%，吸声填料20~50%，二者重量百分比的总和为100%；所述的聚氨酯基体由聚合物多元醇、二异氰酸酯、小分子多元醇和增塑剂组成，聚氨酯基体中各物料的重量占聚氨酯基体总重量的百分比为：聚合物多元醇15~25%、二异氰酸酯20~30%、小分子多元醇35~61%和增塑剂4~10%。
并且该发明材料成型工艺简单，只需要浇注成型或分批次浇注成型即可，简化了工艺流程，可实现高效率批量化生产。即将聚氨酯基体和吸声填料按照比例混合后，采用分散工艺将填料分散在聚氨酯基体中，引发交联并抽真空，倒入预热模具中进行固化、脱模，后固化处理，得到本发明的吸声层材料。
其中，从吸声层的声波入射端面起始至其末端，逐层中的吸声填料的粒径逐渐增大，且吸声层中的吸声填料包含大颗粒、中颗粒填料或小颗粒填料中的两种及两种以上，其中，大颗粒填料的粒径为0.5~5.0mm，中颗粒填料的粒径为150~600μm，小颗粒填料的粒径为2~150μm；从吸声层的声波入射端面起始至其末端，逐层中的吸声填料的容积率逐渐增大，位于声波入射端面的吸声层中的吸声填料在该层中的容积率为10~20%，位于声波末端的吸声层中的吸声填料在该层中的容积率为40~60%；从吸声层的声波入射端面起始至其末端，逐层中的聚氨酯基体的硬度逐渐增大，位于声波入射端面的吸声层中的聚氨酯基体的硬度（邵氏A）为35~50度，位于声波末端的吸声层中的聚氨酯基体的硬度（邵氏A）为55~70度。
实施例1
一种水中声波用聚氨酯宽频吸声层，如图1所示，吸声层的结构为尖劈状或圆锥状，吸声层为等距的三层复合结构，吸声层由聚氨酯基体以及镶嵌在聚氨酯基体中的吸声填料组成。
其中，组成吸声层的各物料的重量百分比为：聚氨酯基体72%，吸声填料28%；聚氨酯基体由聚合物多元醇、二异氰酸酯、小分子多元醇和增塑剂组成，聚氨酯基体中各物料的重量占聚氨酯基体总重量的百分比为：聚醚多元醇22%、二异氰酸酯30%、小分子多元醇44%和增塑剂4%。吸声层的密度为1100kg/m3，吸声层的声阻抗与水相匹配，在20KHz声激励频率下，吸声层的纵波声速为1500m/s，聚氨酯基体具有一定的阻尼内耗，在25℃条件下，10~300Hz频段内，聚氨酯基体的损耗因子为0.3~0.7。
该实施例通过在不同分层中改变吸声填料的粒径大小，使吸声层构成非均质的声学梯度渐变层，从吸声层的声波入射端面起始至其末端，逐层中的吸声填料的粒径逐渐增大，位于声波入射端面的吸声层中的吸声填料为50μm粒径的云母粉，相邻层中的吸声填料为400μm粒径的玻璃鳞片，位于声波末端的吸声层中的吸声填料为1~3mm粒径的塑料微球。各层吸声填料的分布，保证了入射声方向阻抗的逐步过渡，片状与球状填料的共同作用，能够分散声能，使纵波变为剪切波，增加声波损耗。
实施例2
一种水中声波用聚氨酯宽频吸声层，如图2所示，吸声层的结构为尖劈状或圆锥状，吸声层为非等距的两层复合结构，吸声层由聚氨酯基体以及镶嵌在聚氨酯基体中的吸声填料组成。
其中，组成吸声层的各物料的重量百分比为：聚氨酯基体80%，吸声填料20%；聚氨酯基体由聚合物多元醇、二异氰酸酯、小分子多元醇和增塑剂组成，聚氨酯基体中各物料的重量占聚氨酯基体总重量的百分比为：聚醚多元醇15%、二异氰酸酯20%、小分子多元醇61%和增塑剂4%。吸声层的密度为1000kg/m3，吸声层的声阻抗与水相匹配，在20KHz声激励频率下，吸声层的纵波声速为1800m/s，聚氨酯基体具有一定的阻尼内耗，在25℃条件下，10~300Hz频段内，聚氨酯基体的损耗因子为0.3~0.7。
该实施例通过在不同分层中改变吸声填料的粒径大小，使吸声层构成非均质的声学梯度渐变层，位于声波入射端面的吸声层中的吸声填料为40μm粒径的金属粉末，位于声波末端的吸声层中的吸声填料为0.5~3mm粒径的聚苯乙烯微球和蛭石的混合，聚苯乙烯微球和蛭石的重量比为1：1。
实施例3
一种水中声波用聚氨酯宽频吸声层，如图3所示，吸声层的结构为尖劈状或圆锥状，吸声层为非等距的三层复合结构，吸声层由聚氨酯基体以及镶嵌在聚氨酯基体中的吸声填料组成。
其中，组成吸声层的各物料的重量百分比为：聚氨酯基体50%，吸声填料50%；聚氨酯基体由聚合物多元醇、二异氰酸酯、小分子多元醇和增塑剂组成，聚氨酯基体中各物料的重量占聚氨酯基体总重量的百分比为：聚醚多元醇25%、二异氰酸酯30%、小分子多元醇35%和增塑剂10%。吸声层的密度为1500kg/m3，吸声层的声阻抗与水相匹配，在20KHz声激励频率下，吸声层的纵波声速为1100m/s，聚氨酯基体具有一定的阻尼内耗，在25℃条件下，10~300Hz频段内，聚氨酯基体的损耗因子为0.3~0.7。
该实施例通过在不同分层中改变吸声填料的粒径大小和容积率，使吸声层构成非均质的声学梯度渐变层，位于声波入射端面的吸声层中的吸声填料为1mm粒径的塑料微球，塑料微球的占该层的容积率为10~15%；其次为2mm粒径的塑料微球，塑料微球的占该层的容积率为15~20%；位于声波末端的吸声层中的吸声填料为3mm粒径的塑料微球，塑料微球的占该层的容积率为40~60%。
实施例4
一种水中声波用聚氨酯宽频吸声层，如图4所示，吸声层的结构为尖劈状或圆锥状，吸声层为等距的三层复合结构，吸声层由聚氨酯基体以及镶嵌在聚氨酯基体中的吸声填料组成。
其中，组成吸声层的各物料的重量百分比为：聚氨酯基体65%，吸声填料35%；聚氨酯基体由聚合物多元醇15~25%、二异氰酸酯20~30%、小分子多元醇35~61%和增塑剂4~10%组成。吸声层的密度为800kg/m3，吸声层的声阻抗与水相匹配，在20KHz声激励频率下，吸声层的纵波声速为2200m/s，聚氨酯基体具有一定的阻尼内耗，在25℃条件下，10~300Hz频段内，聚氨酯基体的损耗因子为0.3~0.7。
该实施例通过在不同分层中改变聚氨酯基体的硬度，使吸声层构成非均质的声学梯度渐变层，位于声波入射端面的吸声层中的聚氨酯基体的硬度（邵氏A）35~40度，对应的该层的聚氨酯基体的成分为：聚合物多元醇25%、二异氰酸酯20%、小分子多元醇45%和增塑剂10%，标记为基体1；其次为45~50度（邵氏A），对应的该层的聚氨酯基体的成分为：聚合物多元醇20%、二异氰酸酯26%、小分子多元醇49%和增塑剂5%，标记为基体2；位于声波末端的吸声层中的聚氨酯基体的硬度（邵氏A）55~60度，对应的该层的聚氨酯基体的成分为：聚合物多元醇16%、二异氰酸酯30%、小分子多元醇50%和增塑剂4%，标记为基体3。其中，每层中均镶嵌20~40μm粒径的云母粉。
实施例5
一种水中声波用聚氨酯宽频吸声层，如图5所示，该实施例中，吸声层结构外形分为多层，不仅限于二层或三层，可在长度方向进行任意分割，每层的分割可为非等间距分隔，每个分层的聚氨酯基体硬度不同或填充的吸声填料的粒径不同或两者均不同，通过调配二异氰酸酯、小分子多元醇和增塑剂三者的比例实现不同的聚氨酯基体硬度。其中，从吸声层的声波入射端面起始至其末端，逐层中的吸声填料的粒径逐渐增大，逐层中的聚氨酯基体的硬度逐渐增大。
实施例6
一种水中声波用聚氨酯宽频吸声层，如图6所示，吸声层的结构为平板状，吸声层为等距的三层复合结构，吸声层由聚氨酯基体以及镶嵌在聚氨酯基体中的吸声填料组成。其中，组成吸声层的各物料的重量百分比为：聚氨酯基体60%，吸声填料40%；聚氨酯基体由聚合物多元醇15~25%、二异氰酸酯20~30%、小分子多元醇35~61%和增塑剂4~10%组成。吸声层的密度为1100kg/m3，吸声层的声阻抗与水相匹配，在20KHz声激励频率下，吸声层的纵波声速为1500m/s，聚氨酯基体具有一定的阻尼内耗，在25℃条件下，10~300Hz频段内，聚氨酯基体的损耗因子为0.3~0.7。
该实施例通过在不同分层中改变吸声填料的粒径大小、聚氨酯基体的硬度，使吸声层构成非均质的声学梯度渐变层，从吸声层的声波入射端面起始至其末端，逐层中的吸声填料的粒径逐渐增大，位于声波入射端面的吸声层中的吸声填料为2~10μm粒径的陶瓷粉和滑石粉的混合，相邻层中的吸声填料为150~200μm粒径的蛭石和石墨的混合，位于声波末端的吸声层中的吸声填料为3~5mm粒径的聚氨酯泡沫塑料；位于声波入射端面的吸声层中的聚氨酯基体的硬度（邵氏A）35~40度，对应的该层的聚氨酯基体的成分为：聚合物多元醇25%、二异氰酸酯20%、小分子多元醇46%和增塑剂9%；其次为45~50度（邵氏A），对应的该层的聚氨酯基体的成分为：聚合物多元醇17%、二异氰酸酯25%、小分子多元醇52%和增塑剂6%；位于声波末端的吸声层中的聚氨酯基体的硬度（邵氏A）55~70度，对应的该层的聚氨酯基体的成分为：聚合物多元醇15%、二异氰酸酯30%、小分子多元醇51%和增塑剂4%。
实施例7
一种水中声波用聚氨酯宽频吸声层，该实施例的吸声层结构同实施例4，通过在不同分层中改变吸声填料的容积率和聚氨酯基体的硬度，使吸声层构成非均质的声学梯度渐变层。从吸声层的声波入射端面起始至其末端，位于声波入射端面的吸声层中的吸声填料容积率为10~15%，相邻层中的吸声填料容积率为15~20%，位于声波末端的吸声层中的吸声填料容积率为40~60%；对应各层的聚氨酯基体的成分和硬度同实施例4。
实施例8
一种水中声波用聚氨酯宽频吸声层，该实施例的吸声层同实施例7。其中，在非均质的声学梯度渐变层的吸声层中，从吸声层的声波入射端面起始至其末端，位于声波入射端面的吸声层中的吸声填料为100~150μm的云母、金属粉末和滑石粉的混合，相邻层中的吸声填料为500~600μm的玻璃鳞片、蛭石和石墨的混合，位于声波末端的吸声层中的吸声填料为1.0~5.0mm的蛭石、聚苯乙烯微球、和聚氨酯泡沫塑料的混合。
实施例9
一种水中声波用聚氨酯宽频吸声层，该实施例中，吸声层结构外形分为多层，不仅限于二层或三层，可在长度方向进行任意分割，每层的分割可为等间距分隔，聚氨酯基体材料同实施例1，其中，从吸声层的声波入射端面起始至其末端，逐层中的吸声填料的容积率不同。
以上各实施例的吸声层的吸声系数如下表1所示：

Claims (10)

1.一种水中声波用聚氨酯宽频吸声层，其特征在于：吸声层为至少两层复合结构，吸声层由聚氨酯基体以及镶嵌在聚氨酯基体中的吸声填料组成，通过在不同分层中改变吸声填料的粒径大小、吸声填料的容积率、聚氨酯基体的硬度中的一种或多种方式组合的方法，使吸声层构成非均质的声学梯度渐变层；其中，组成吸声层的各物料的重量百分比为：聚氨酯基体50~80%，吸声填料20~50%，二者重量百分比的总和为100%；所述的聚氨酯基体由聚合物多元醇、二异氰酸酯、小分子多元醇和增塑剂组成，聚氨酯基体中各物料的重量占聚氨酯基体总重量的百分比为：聚合物多元醇15~25%、二异氰酸酯20~30%、小分子多元醇35~61%和增塑剂4~10%。
2.根据权利要求1所述的一种水中声波用聚氨酯宽频吸声层，其特征在于：从吸声层的声波入射端面起始至其末端，逐层中的吸声填料的粒径逐渐增大，且吸声层中的吸声填料包含大颗粒、中颗粒填料或小颗粒填料中的两种及两种以上，其中，大颗粒填料的粒径为0.5~5.0mm，中颗粒填料的粒径为150~600μm，小颗粒填料的粒径为2~150μm。
3.根据权利要求2所述的一种水中声波用聚氨酯宽频吸声层，其特征在于：所述的大颗粒填料为片状或球状的蛭石、聚苯乙烯微球、塑料微球、聚氨酯泡沫塑料中的一种或多种组合；所述的中颗粒填料为片状或球状的玻璃鳞片、蛭石、石墨中的一种或多种组合；所述的小颗粒填料为云母、中空玻璃微珠、金属粉末、陶瓷微珠、滑石粉中的一种或多种组合。
4.根据权利要求1所述的一种水中声波用聚氨酯宽频吸声层，其特征在于：从吸声层的声波入射端面起始至其末端，逐层中的吸声填料的容积率逐渐增大，位于声波入射端面的吸声层中的吸声填料容积率为10~20%，位于声波末端的吸声层中的吸声填料容积率为40~60%。
5.根据权利要求4所述的一种水中声波用聚氨酯宽频吸声层，其特征在于：吸声层为等距的三层复合结构，从吸声层的声波入射端面起始至其末端，逐层中的吸声填料的容积率分别为10~15%、15~20%、40~60%。
6.根据权利要求1所述的一种水中声波用聚氨酯宽频吸声层，其特征在于：从吸声层的声波入射端面起始至其末端，逐层中的聚氨酯基体的硬度逐渐增大，位于声波入射端面的吸声层中的聚氨酯基体的硬度（邵氏A）为35~50度，位于声波末端的吸声层中的聚氨酯基体的硬度（邵氏A）为55~70度。
7.根据权利要求6所述的一种水中声波用聚氨酯宽频吸声层，其特征在于：吸声层为等距的三层复合结构，从吸声层的声波入射端面起始至其末端，逐层中聚氨酯基体的硬度分别为硬度（邵氏A）35~40度、45~50度、55~60度。
8.根据权利要求1所述的一种水中声波用聚氨酯宽频吸声层，其特征在于：吸声层的密度为800~1500kg/m3，吸声层的声阻抗与水相匹配，在20KHz声激励频率下，吸声层的纵波声速为1100~2200m/s。
9.根据权利要求1所述的一种水中声波用聚氨酯宽频吸声层，其特征在于：所述的聚氨酯基体具有一定的阻尼内耗，在25℃条件下，10~300Hz频段内，聚氨酯基体的损耗因子不小于0.3，其中的聚合物多元醇为耐水解的聚醚多元醇，相对分子量为800~2000。
10.根据权利要求1所述的一种水中声波用聚氨酯宽频吸声层，其特征在于：吸声层的结构为平板状、尖劈状或圆锥状。
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