水聲管高壓密封性能試驗(yàn)研究?

付宜風(fēng) 彭一明

（江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212013）

水聲材料是提高水下艦艇隱身性和生存能力的重要保障。由于水聲材料長(zhǎng)時(shí)間服役于海洋環(huán)境下，腐蝕、高壓、海洋附著物等惡劣環(huán)境的耦合作用對(duì)水聲材料提出了更高的要求，尤其深海化對(duì)水下聲學(xué)測(cè)試方面提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前水聲材料主要通過(guò)水聲管、壓力罐、消聲水池或自由場(chǎng)法進(jìn)行測(cè)試，其中水聲管適用于小樣品測(cè)量、操作方便、性價(jià)比高，得到了更廣泛的運(yùn)用［1］。水聲材料目前常用的測(cè)量方法有基于水聲管的傳遞函數(shù)法和聲脈沖法，基本原理都是在一個(gè)剛性管內(nèi)生成一維平面波，通過(guò)測(cè)試樣品在垂直入射情況下的復(fù)數(shù)反射系數(shù)和透射系數(shù)來(lái)計(jì)算材料的吸聲系數(shù)［2］。目前，絕大部分水聲管的研究都只關(guān)注于常壓下的水聲材料測(cè)試、水聲管設(shè)計(jì)和新的測(cè)試方法，而關(guān)于高壓水聲管的研究較少［3－4］。空氣聲管也是成熟的測(cè)試設(shè)備，但也幾乎不關(guān)注高壓測(cè)試［5］。

事實(shí)上，隨著艦艇在海洋中深度的增加，水壓不斷增大。潛艇通常的工作深度會(huì)達(dá)到300 m 以上，對(duì)應(yīng)的水壓為3 MPa［6］。水聲管要模擬深海的測(cè)試環(huán)境，必須進(jìn)行高壓密封設(shè)計(jì)。水聲管的密封連接主要存在于水聽(tīng)器的安裝部位和上下端法蘭接口，尤其是水聽(tīng)器的安裝部位。在測(cè)試過(guò)程中水聽(tīng)器需要經(jīng)常拆裝，因此需要兼顧密封的牢固和長(zhǎng)久性，以及拆裝的便捷性。O 形環(huán)是一種普遍使用的密封裝置［7］，然而傳統(tǒng)水聲管中的水聽(tīng)器采用O 形環(huán)進(jìn)行密封，在高壓下很難保證密封性，會(huì)出現(xiàn)漏水和泄壓的情況［8］。關(guān)于上下端法蘭的密封，部分聲管設(shè)備中的壓力封頭采用了伍德式封頭和密封膠圈。然而這種設(shè)計(jì)在長(zhǎng)時(shí)間擠壓后很容易導(dǎo)致密封性下降，甚至出現(xiàn)漏水的現(xiàn)象［9］。

目前關(guān)于水聲管設(shè)計(jì)和新測(cè)試方法的文獻(xiàn)很多，但很少提及高壓密封問(wèn)題。因此，有必要針對(duì)高壓水聲管的高壓密封進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并進(jìn)行密封性能檢測(cè)試驗(yàn)研究［10］。本文作者針對(duì)管壁水聽(tīng)器的安裝密封采用了套管密封設(shè)計(jì)，針對(duì)水聲管頂端樣品安裝段和底端水下?lián)Q能器段法蘭的密封采用了O 形環(huán)的設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了在3.15 MPa 壓力作用下水聲管體的密封性，以及在1.5 MPa 下的水聲測(cè)試性能。

1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)水下聲學(xué)測(cè)試和高壓環(huán)境模擬，水聲管包括管體系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、水下聲源系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)，其中管體系統(tǒng)包含高壓密封設(shè)計(jì)。水聲管設(shè)計(jì)原理如圖1 所示［11］。

1.1 管體設(shè)計(jì)

阻抗管通常為不銹鋼管，應(yīng)為直的且截面均勻（直徑或交叉尺寸在±0.2%以內(nèi)），并具有剛性、光滑、無(wú)孔的壁，在測(cè)試段無(wú)孔或縫（水聽(tīng)器位置除外）；壁厚應(yīng)足夠大，使其不受聲音信號(hào)激勵(lì)振動(dòng)，在工作頻率范圍內(nèi)無(wú)振動(dòng)共振。對(duì)于含有空氣的金屬壁，對(duì)于圓形管［2］，建議厚度約為直徑的5%；對(duì)于含水的金屬壁，需要增加厚度。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［12］和GB／T 14369—2011［1］的建議，厚度與內(nèi)半徑之比不小于1。對(duì)于文中的設(shè)計(jì)，內(nèi)徑為120 mm，所以厚度不小于60 mm，故外徑選為250 mm。由此可以確定聲管測(cè)試的上截止頻率fu：

式中：cw是水中的聲速；a是內(nèi)部半徑。

計(jì)算可得上截止頻率約為7 000 Hz。

管體的長(zhǎng)度由下截止頻率fl決定。對(duì)于傳遞函數(shù)法，fl受到信號(hào)處理設(shè)備精度的限制，并避免非平面波傳播的發(fā)生，使聲源與樣品之間形成平面波，并且水聽(tīng)器測(cè)量點(diǎn)應(yīng)在平面波場(chǎng)中。對(duì)于脈沖法，聲管必須足夠長(zhǎng)，以容納測(cè)量所需的駐波的那一部分，即它的長(zhǎng)度必須包含至少1 個(gè)和2 個(gè)更可取的聲壓最小值。為保證管內(nèi)至少能觀察到2 個(gè)極小值，其長(zhǎng)度應(yīng)滿足式（2）。

式中：l是管的長(zhǎng)度；d是管的內(nèi)部直徑。

文中研究參照文獻(xiàn)［6，13－14］，下截止頻率選為1 000 Hz，計(jì)算得出管的長(zhǎng)度為1.2 m。

1.2 高壓密封設(shè)計(jì)

管體上需要安裝2 個(gè)水聽(tīng)器作為傳感器，上端需要安裝一個(gè)試樣夾具，下端需要安裝一個(gè)水下?lián)Q能器作為聲源，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。設(shè)計(jì)的試驗(yàn)壓力范圍為0～2 MPa，保壓時(shí)間為1 h，因此這些安裝部件需要進(jìn)行高壓密封設(shè)計(jì)。

水聽(tīng)器的安裝密封設(shè)計(jì)如圖3 所示，水聽(tīng)器的安裝和密封由封固管和套管組成。水聽(tīng)器的外圈本身包括了一個(gè)密封環(huán)，通過(guò)與封固管的配合可以保證這兩者間的密封；然后通過(guò)套管與封固管之間的配合，將水聽(tīng)器安裝到水聲管管壁上；套管有鎖緊設(shè)置，通過(guò)上緊螺紋可以將封固管和套管之間的縫隙完全消除。與簡(jiǎn)單的O 形環(huán)密封相比，該設(shè)計(jì)方案不存在泄壓和漏水的隱患，并且具有安裝和拆卸方便快捷的優(yōu)點(diǎn)。

圖3 水聽(tīng)器管壁安裝及套管密封示意Fig.3 Sketch of hydrophone mounting and tube sealing

水聲管底部和頂部的法蘭有大面積的接觸，可以通過(guò)O 形環(huán)進(jìn)行密封。為滿足設(shè)計(jì)壓力的要求，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選定O 形圈內(nèi)徑為133.35 mm，外徑為146.05 mm。對(duì)應(yīng)的密封槽壓蓋深度為5.74 mm，槽寬為9.65 mm。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)帶O 形環(huán)的法蘭如圖4 所示。

圖4 底部法蘭的O 形環(huán)密封Fig.4 O－ring sealing of bottom flange

1.3 其他子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

靜水壓可使用電動(dòng)泵或手動(dòng)泵產(chǎn)生，為便于控制，文中測(cè)試平臺(tái)使用了手動(dòng)試壓泵。連接管路要能平衡樣品上、下靜水壓，否則會(huì)變動(dòng)樣品位置狀態(tài)，妨礙測(cè)試結(jié)果。為便于控制必須配以若干截止閥。

文中研制的水聲管要求有寬的頻率范圍，為達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需要選取合適的水下聲源系統(tǒng)。為了產(chǎn)生聲源信號(hào)，需要信號(hào)發(fā)生器、水下?lián)Q能器及功率放大器。文中利用MATLAB 編程以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸入。

聲管內(nèi)的聲壓是測(cè)試平臺(tái)要測(cè)量的物理量，所使用的傳感器為水聽(tīng)器。將水聽(tīng)器接收到的聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，通過(guò)電纜輸入采集系統(tǒng)，經(jīng)計(jì)算機(jī)采集并分析處理。測(cè)量系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、水聽(tīng)器、放大器、信號(hào)源、供電源。

為了實(shí)現(xiàn)水聲管的所有功能，還需要其他的輔助系統(tǒng)，比如操作臺(tái)架、供水和排水設(shè)施等。聲管內(nèi)使用的水為凈化后的超純水，以減少水中微氣泡對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，同時(shí)減少由于使用自來(lái)水引起的水垢沉淀物，并減少由于經(jīng)常換水引起的氣泡。

2 試驗(yàn)裝置的應(yīng)用

2.1 試驗(yàn)方案

搭建的試驗(yàn)裝置如圖5 所示。為了驗(yàn)證其高壓密封性能，設(shè)計(jì)了靜水壓力測(cè)試和高壓水聲測(cè)試。靜水壓力測(cè)試選取3 種壓力，分別為3.15、2.1、1.5 MPa。其中2.1 MPa 是設(shè)計(jì)的最大工作壓力；3.15 MPa 是1.5 倍的最大工作壓力，作為測(cè)試的最大壓力；1.5 MPa 是水下?lián)Q能器可以承受的最大壓力，即為水聲管的實(shí)際最大工作壓力。首先通過(guò)手動(dòng)加壓泵將水聲管內(nèi)部注滿超凈水，等待24 h 消除注水過(guò)程中混入的氣泡后，開(kāi)始靜水壓力試驗(yàn)。樣品背襯為空氣軟背襯，高壓下水壓縮量很小幾乎可以忽略，不影響背襯條件。將水聲管的內(nèi)部壓力增大到3.15 MPa，每隔10 min 記錄一次壓力值，試驗(yàn)時(shí)間為1 h。因?yàn)樗挛暡牧系臏y(cè)試操作基本可以在1 h 之內(nèi)完成，所以選取1 h 的靜水壓力測(cè)試完全可以滿足真實(shí)的測(cè)試需求。試驗(yàn)過(guò)程中觀察水聲管的整體狀況，尤其關(guān)注各個(gè)密封接縫處是否存在漏水的情況。此后，進(jìn)行靜水壓力為2.1、1.5 MPa 的測(cè)試，按照同樣的操作步驟，并記錄下測(cè)試結(jié)果。

圖5 水聲管現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置Fig.5 Testing device of water－filled impedance tube

高壓水聲測(cè)試對(duì)象為實(shí)驗(yàn)室自制的納米復(fù)合材料樣品，直徑為120 mm。該材料在常壓下具有良好的吸聲性能，因此文中測(cè)試了該樣品在0、1.5 MPa 下的吸聲性能變化，測(cè)試頻率范圍為1 500～7 000 Hz。測(cè)試的方法為傳遞函數(shù)法，在聲管中選取2 個(gè)點(diǎn)，獲取對(duì)應(yīng)位置處聲壓，就可以計(jì)算得到傳遞函數(shù)和反射系數(shù)r。樣品的吸聲系數(shù)α為

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

靜水壓力測(cè)試結(jié)果如圖6 所示，3 次不同靜水壓力的測(cè)試中水聲管壓力均保持穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的壓力下降。當(dāng)測(cè)試壓力為1.5 MPa 時(shí)，只在試驗(yàn)時(shí)間20 min 處出現(xiàn)了一次0.01 MPa 的壓力下降；當(dāng)測(cè)試靜水壓力為3.15 MPa 時(shí)，在試驗(yàn)時(shí)間10、30 min 處分別出現(xiàn)了0.01 MPa 的壓力下降，其他時(shí)間壓力都保持不變；當(dāng)測(cè)試壓力為2.1 MPa 時(shí)，在試驗(yàn)時(shí)間10、40 min 處出現(xiàn)在了0.01 MPa 的壓力下降。也就是說(shuō)在高壓力下更容易出現(xiàn)壓降，但整個(gè)壓力測(cè)試過(guò)程中，各個(gè)接口縫隙沒(méi)有出現(xiàn)漏水的情況。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，達(dá)到試驗(yàn)壓力后穩(wěn)壓15 min，壓力下降不超過(guò)0.03 MPa 時(shí)，壓力降試驗(yàn)合格［15］，由此可得文中水聲管滿足高壓水聲測(cè)試的要求。造成靜水壓力稍微下降的原因可能是部分溶解未析出的微氣泡在高壓下析出，以及管內(nèi)部分縫隙在高壓下滲入了少量的水。水聽(tīng)器和頂端的法蘭在反復(fù)拆裝后，仍能保持同樣良好的密封效果。

圖6 不同測(cè)試水壓下的靜水壓力變化Fig.6 Variation of hydrostatic pressure at different test pressures

自制和水下吸聲材料測(cè)試結(jié)果如圖7 所示。該材料在高壓下有著良好的吸聲性能，只在1 500～1 800 Hz 低頻段的吸聲系數(shù)低于0.8，在4 500～7 000 Hz 高頻段的吸聲系數(shù)都高于0.9，整體的平均吸聲系數(shù)也接近0.9。當(dāng)處于1.5 MPa 的靜水壓力下時(shí)，該水聲管可以測(cè)得穩(wěn)定準(zhǔn)確的水下吸聲系數(shù)，證明高壓下該水聲管內(nèi)壓力平穩(wěn)，內(nèi)部的聲場(chǎng)也很穩(wěn)定，完全滿足水下聲學(xué)的測(cè)試要求。與常壓下的水下吸聲系數(shù)相比，高壓下樣品的吸聲性能出現(xiàn)了明顯的下降，最低吸聲系數(shù)降為0.40，顯著低于常壓下的最低吸聲系數(shù)0.76；甚至最高吸聲系數(shù)也僅為0.68，低于常壓下的最低吸聲系數(shù)。高壓下的平均吸聲系數(shù)降為0.53，與常壓下的平均吸聲系數(shù)0.9 相比差距明顯。該測(cè)試結(jié)果也從側(cè)面證明了高壓對(duì)水下吸聲材料有著明顯的影響［16］。因此，水下吸聲材料的設(shè)計(jì)必須考慮高壓的影響，也必須進(jìn)行高壓水下吸聲性能的測(cè)試。

3 結(jié)論

研制一種高壓水聲管的密封裝置，其中水聽(tīng)器通過(guò)封固管和套管的配合實(shí)現(xiàn)密封的功能，上下端法蘭通過(guò)O 形環(huán)進(jìn)行密封，通過(guò)試驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)的密封裝置的可行性。靜水高壓試驗(yàn)表明，水聲管在3.15 MPa 下可保持良好的密封性能，沒(méi)有漏水的情況，壓力也可以長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定。高壓水聲測(cè)試表明，水下吸聲材料的平均吸聲系數(shù)由常壓下的0.9 下降到1.5 MPa 下的0.53，符合實(shí)驗(yàn)規(guī)律，進(jìn)一步表明水聲管可以滿足高壓水下吸聲材料的測(cè)試。該裝置為高壓水聲管的密封設(shè)計(jì)與改良提供了試驗(yàn)依據(jù)，并為評(píng)價(jià)水聲管的密封性能提供了試驗(yàn)手段。