一种声学滤波器的研制

    1 引言

在众多水声材料性能测量装置中，为了实现小水域低频测量，多应用截断参量阵技术[1-2]，原理示意图见图 1。高频换能器发出两种不同频率的高频简谐波，由于非线性作用，频率较低的差频波被激发出来。高频波幅度大而差频波信号小，为了获取低频波，同时消除高频波的影响，通常在发射换能器与水听器之间插入声学滤波器。它能有效吸收高频原波，并使低频差频波顺利透过。

    在我们新建的粘弹材料剪切模量水下测试系统中，对声学滤波器提出了更高的技术要求：在频率 500 kHz 时的插入损失大于 20 dB，即透射系数小于 10%，而在 30 kHz 时的插入损失小于 2 dB，即透射系数大于 70%。本文主要研制了多款声学滤波器，通过性能对比，寻求出符合技术条件的最优声学滤波器。

    2 研发过程

    2.1 选材及配方设计

    2.1.1 主体材料及配合剂

   （1） 主体材料 丁苯橡胶强度高，耐磨蚀性极好，吸水率低，适合做纯橡胶制品。除此之外，由于滤波器低频透射要求较高，丁苯橡胶能够满足要求。

   （2） 配合剂 选用硫磺及氧化锌配合体系做硫化剂，炭黑、碳酸钙做补强体系，以及其它防老剂和软化剂组成基本配方[3]。

    2.1.2 声性能材料

   查阅文献资料[4]，选定软木粉作为声性能材料。软木粉决定滤波器的声性能，因此通过不断试验确定软木粉的含量和颗粒大小为主要工作。

    2.2 工艺研究

    胶料在开炼机上进行混炼加料顺序为 SBR→防老剂、补强剂、增塑剂→硫化剂→促进剂，将丁苯橡胶混炼好后按比例加入软木粉。因为软木是主要声性能材料，在基材相同的情况下按不同比例加入橡胶中，硫化后测试声性能。

    2.3 样品尺寸设计

    考虑到滤波器实际使用情况，我们选择两种比较典型的样品厚度：15 mm、30 mm，而样品的大小为了配合测试需要制作成 300 mm×300 mm。

    2.4 性能测试

    由于滤波器技术指标要求中频率跨度较大，考虑到测量难度，我们通过两种装置来进行分段测量。水声材料样品声学性能压力罐自动测量装置[5]用于声学滤波器在 20 kHz～200 kHz 频率范围透射系数的测量。在内径 Φ800 mm、高 1600 mm、入口直径 Φ480 mm 的罐体内，建立符合测量要求的近似平面波声场，利用具有积分效应的透明 PVDF 薄膜水听器采集样品放入前后的直达信号与透射信号，进行频谱分析和计算得到结果。200 kHz～1000kHz 滤波器透射系数用高频水槽测量系统测量。在3 m×1 m×1.5 m 的消声水槽自由场环境中，系统自动完成信号反射，直达信号和透射信号采集，分析和结果计算。