一种磁性水声吸声材料及其制备方法和应用

技术领域：

本发明涉及水声技术领域，具体讲是一种磁性水声吸声材料及其制备方法和应用。

背景技术：

水声技术领域中，吸声材料可以将声波转化为热能等其他形式的能量耗散，抑制或消除不必要的声信号，可以为水下航行器消除特征声信号，或者为水下工作的设备提供安静的工作环境。吸声的过程本质上是一个能量转化的过程，橡胶材料的模量低，容易发生形变，通过对材料进行适当的设计，可以充分利用橡胶的形变，通过橡胶内摩擦损耗能量，橡胶材料本身优良的阻尼性能可以制造宽带的吸声效果。然而，随着对控制声信号的要求越来越高，单纯利用橡胶材料本身损耗能量已不能满足对吸声材料能力的要求，需要引入新的吸声机理来拓展声能转化的途径。复合材料是进一步提升吸声材料能力的有效途径，将一些具有能量转化能力的材料引入橡胶材料，可以在不损失橡胶材料本身吸声能力的前提下，通过新的能力转化机理进一步增加能量损耗。

就复合材料提升吸声性能而言，引入具有压电功能的材料是一种行之有效的途径，具有代表性的相近技术如下:中国专利申请号为201510996720.2的专利申请公开的一种弹性消音涂料,描述了一种添加压电陶瓷粉末的涂料，中国专利申请号为201110454853.9的专利申请则公开了一种低频高阻尼橡胶基压电复合材料及其制备方法,是一种添加压电陶瓷粉末的橡胶材料，上述两种技术利用压力生电的方式转化能量，含压电陶瓷粉末和导电胶,主要是对振动的抑制和消除。而就磁性材料吸声而言，具有代表性的相近技术如下:中国专利申请号为201510996720.2的专利申请公开了一种磁力负刚度吸声装置及吸声方法,其描述了一种利用磁力吸声的装置，虽然具有吸声效果,但其无法承受水压，只能用于空气中的吸声。

因此,针对陶瓷粉末与橡胶复合吸声材料制备工艺繁复、工作频段偏向高频等问题,亟待一种新的吸声材料来解决现有技术的不足。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种磁性水声吸声材料，通过用磁性材料替代压电陶瓷，解决压电陶瓷材料需要极化的问题，降低了工艺的复杂程度。在配方中免除了导电材料，简化配方降低成本，同时利用声波作用下，磁性橡胶材料磁极之间的相斥或相吸，实现消声。

本发明的技术解决方案是，提供一种磁性水声吸声材料,所述吸声材料为复合层结构，包括底层，底层为透声橡胶层，底层上层叠有若干磁性材料层和透声橡胶层，磁性材料层和透声橡胶层从下到上依次交错设置，且交错设置的磁性材料层和透声橡胶层的顶层为透声橡胶层。

作为优选，相邻的磁性材料层相互靠近的一侧其磁极相同。利用相同磁极间的斥力，促进磁性材料层间受迫剪切，实现更好地耗散声能的目的。

作为优选，透声橡胶层由聚氨酯、聚硫橡胶、硅橡胶或改性环氧中的一种或几种的组合制作而成。由于针对低频水声的吸声，因此优选采用透声性能好的高分子材料作为封装材料，作为声波的入射面，减少声波反射。

作为优选，透声橡胶层由聚氨酯制作而成。

作为优选，磁性材料层为硬质磁体或高分子材料和磁性粉末混合的复合材料制作而成。

作为优选，磁性材料层为高分子材料和磁性粉末混合的复合材料制作而成。

本发明利用压力引发磁机间斥力的变化转化能量，配方中不含压电陶瓷粉末，也无需导电胶。

本发明还提供一种如上述的磁性水声吸声材料的制备方法，包括以下步骤，

步骤1、灌注模具预处理；

步骤2、选用制备透声橡胶层的封装液体橡胶，并置于与其固化温度相同的环境中2小时以上备用；

步骤3、在灌注模具底部注入一层备用的封装液体橡胶，加热固化至凝胶点；

步骤4、在固化的透声橡胶层上放入磁性材料层后再次注入备用的封装液体橡胶，并加热固化，然后重复该步骤，直至满足厚度要求；

步骤5，脱模、修边。

进一步的，本发明还提供另一种如上述的磁性水声吸声材料的制备方法，包括以下步骤，

步骤1、灌注模具预处理；

步骤2、选用制备透声橡胶层的封装液体橡胶，并置于与其固化温度相同的环境中2小时以上备用；

步骤3、在灌注模具底部注入一层备用的封装液体橡胶，加热固化至凝胶点；

步骤4、在固化的透声橡胶层上先将所需层数的磁性材料层叠放好，相邻的磁性材料层层间以橡胶材料垫块隔开，为对抗磁片间的作用力，可以采用502或其他胶水固定相关垫块，然后注胶并加热固化，当然，垫块的高度应该与预设的注胶成型的透声橡胶层的单层厚度一致或小；

步骤5，脱模、修边。

最后，本发明还提供一种上述磁性水声吸声材料的应用，可用于水下吸声构件，抑制或消除不必要的声信号，可以为水下航行器消除特征声信号，或者为水下工作的设备提供安静的工作环境。

采用以上方案后与现有技术相比，本发明具有以下优点：

通过用磁性材料替代压电陶瓷，解决压电陶瓷材料需要极化的问题，降低了工艺的复杂程度。在配方中免除了导电材料，简化配方降低成本。同时，透声高分子弹性体作为封装材料，起到三种作用。第一，维持外形；第二，与外部介质阻抗匹配，引入声波，尽可能减小反射；第三，填充磁性材料层间的空隙，当磁性材料在声波的作用下相互接近或远离时，通过自身的内摩擦实现损耗声能的功能；并且，磁性材料层作为吸声功能材料，作用是感知声波，并促使材料作出反应。磁性材料的斥力与层间距离相关，当层间距离发生变化时，斥力发生相应变化，吸声材料作出响应，这种变化是与声波的频率对应的，这一特征为本发明带来了宽频带吸声的效果。

附图说明：

图1为本发明的磁性水声吸声材料组成示意图。

具体实施方式：

下面结合附图就具体实施方式对本发明作进一步说明：

如图1所示，一种磁性水声吸声材料,所述吸声材料为复合层结构，包括底层，底层为透声橡胶层1，底层上层叠有若干磁性材料层2和透声橡胶层1，磁性材料层2和透声橡胶层1从下到上依次交错设置，且交错设置的磁性材料层和透声层中的最上层为透声橡胶层1。

作为优选的实施方式，相邻的磁性材料层相互靠近的一侧其磁极相同。利用相同磁极间的斥力，促进磁性材料层间受迫剪切，实现更好地耗散声能的目的。

其中，透声橡胶层固化后其声学特征阻抗与工作介质(可以是水或油)相近。透声橡胶层可由聚氨酯、聚硫橡胶、硅橡胶或改性环氧中的一种或几种的组合制作而成，其初始状态优选为液体橡胶。由于针对低频水声的吸声，因此优选采用透声性能好的高分子材料作为封装材料，作为声波的入射面，可减少声波反射。

本实施例中，透声橡胶层由聚氨酯制作而成。

磁性材料层可以是硬质磁体也可以是高分子材料和磁性粉末混合的复合材料，为减少反射，优选高分子材料和磁性粉末混合的复合材料，其混合比例可根据实际需要进行针对性选择。

如上述的磁性水声吸声材料的制备方法，包括以下步骤，

步骤1、灌注模具预处理；包括清洗灌注模具，模具内表面涂敷脱模剂，若模具本身为聚四氟乙烯材质或表面喷涂聚四氟乙烯，可免涂脱模剂；

步骤2、选用制备透声橡胶层的封装液体橡胶，并置于与其固化温度相同的环境中2小时以上备用；

步骤3、在灌注模具底部注入一层备用的封装液体橡胶，加热固化至凝胶点；

步骤4、在固化的透声橡胶层上放入磁性材料层后再次注入备用的封装液体橡胶，并加热固化，然后重复该步骤，直至满足厚度要求；磁性材料层为片状结构的磁片；

步骤5，脱模、修边。

该方法中，磁片逐层装入，并分次注胶，等待上一次胶料凝胶后，进行下一次注胶，因此需多次固化，且最后一次应当充分固化。

当然，也可以采用另一种如上述的磁性水声吸声材料的制备方法，包括以下步骤，

步骤1、灌注模具预处理；该步骤具体如上所述；

步骤2、选用制备透声橡胶层的封装液体橡胶，并置于与其固化温度相同的环境中2小时以上备用；

步骤3、在灌注模具底部注入一层备用的封装液体橡胶，加热固化至凝胶点；

步骤4、在固化的透声橡胶层上先将所需层数的磁性材料层叠放好，相邻的磁性材料层层间以橡胶材料垫块隔开，为对抗磁片间的作用力，可以采用502或其他胶水固定相关垫块，然后注胶并加热固化，当然，垫块的高度应该与预设的注胶成型的透声橡胶层的单层厚度一致或小；

步骤5，脱模、修边。

本方法中，采用一次成型，注胶后根据胶料固化条件要求一次固化成型。

另外，上述磁性水声吸声材料可用于水下吸声构件，以抑制或消除不必要的声信号，可以为水下航行器消除特征声信号，或者为水下工作的设备提供安静的工作环境。

本发明利用声波作用下，磁性橡胶材料磁极之间的相斥或相吸，实现消声。省去了极化工艺，省去导电组分，配方简单、工艺便捷、成本低。同时，利用磁片之间的相吸相斥损耗声波能量，由于相同磁极产生的斥力与声波频率对应，可以实现宽带吸声的效果。

以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。凡是利用本发明说明书所做的等效结构或等效流程变换，均包括在本发明的专利保护范围之内。