Page 106 - 《应用声学》2025年第1期

102 2025 年 1 月

表 2 不同材料参数 析是此时换能器产生强烈耦合振动，因此 2.5 mm
Table 2 Parameters of different materials 厚度的不锈钢透声窗或可以用于低频声波测井。钛

304 钢 GFRP 橡胶 PEEK TC4 钛合金 合金材料具有较高的比强度，同时具有耐腐蚀的优
泊松比 0.3 0.2 0.47 0.38 0.34 点，从图 13 可看出钛合金的透声效果优于 304 不锈
杨氏模量/GPa 193 24 78.4 3.6 110 钢，在 12∼15 kHz 频率段基本上能保持不错的发射
密度/(kg·m −3 ) 7930 1650 1300 1290 4440 响应，整体趋势为厚度越薄透声效果越好，但响应频

2.2.2.2 透声窗不同材料与厚度模拟计算 率范围随之变窄，同时在低频段也有一定的响应放
大效果。
每种材料透声窗分别选取了 0.3 mm、0.5 mm、
160
0.8 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm、3 mm
150
的厚度进行模拟计算，以下分别对每种材料模拟结 140
130
果进行分析。 120 ௄ܦቔ
图 11 为不同厚度橡胶材料透声窗的发射响应 110 0.3 mm
100
频谱，灰色虚线为水域中只有压电陶瓷圆管的发射 ԧ࠱־ऄ/dB 90 0.5 mm
0.8 mm
80
响应频谱，以此作为参考标准。在 12∼15 kHz 的频 70 1.0 mm
1.5 mm
60
率范围内，0.8 mm厚度的橡胶材料能保持较好的发 50 2.0 mm
2.5 mm
射响应，透声效果较好，其余厚度均有明显的能量 40 3.0 mm
30
衰减。但橡胶材料作为透声窗存在机械强度差的缺 0 4 8 12 16 20 24 28 30
ᮠဋ/kHz
点，无法兼顾声学与力学性能。
图 12 不同厚度 304 钢透声窗发射响应频谱
160
150 Fig. 12 Emission response spectrum of 304 Steel
140
acoustically transparent window with different
130 ௄ܦቔ thicknesses
120
ԧ࠱־ऄ/dB 110 0.3 mm 160
100
0.5 mm
150
90
0.8 mm
80
130
1.5 mm
70 1.0 mm 140
60 2.0 mm
2.5 mm 110 ௄ܦቔ
50
3.0 mm 100 0.3 mm
40 ԧ࠱־ऄ/dB 120 0.5 mm
0 4 8 12 16 20 24 28 90 0.8 mm
80
ᮠဋ/kHz 1.0 mm
70 1.5 mm
60 2.0 mm
图 11 不同厚度橡胶材料透声窗的发射响应频谱 50 2.5 mm
40
Fig. 11 Emission response spectra of rubber ma- 3.0 mm
terials with different thicknesses of transmissive 0 4 8 12 16 20 24 28 30
ᮠဋ/kHz
windows
图 12 和图 13 显示了 304 钢材料和 TC4 钛合金 图 13 不同厚度 TC4 透声窗发射响应频谱
材料不同厚度透声窗的发射响应频谱，304 钢和 Fig. 13 Emission response spectra of TC4 trans-
missive windows of different thicknesses
TC4 钛合金都属于金属材料，相较于其他材料在强
度、刚度上具有优势。不锈钢是最早期用作透声窗 图14和图 15为PEEK材料和 GFRP材料不同
的材料 [16] ，但从图 12 中可见其透声效果不太理想， 厚度透声窗的发射响应频谱。PEEK 是一种高性能
不同厚度的304钢材料在 12∼15 kHz频率段声压值 的工程热塑性塑料，在高温高压下仍能保持较好的
均有明显降低，仅当厚度减小为 0.3 mm 时才能保 特性，由图 14 可见其也具有一定的透声效果，整体
持较好的透声效果，而目前的制作工艺较难使不锈 来看0.8 mm和2 mm厚度的透声效果较好，但当厚
钢材料达到 0.3 mm 厚度；特别的是，2.5 mm 厚度 度变薄时发射响应频谱出现干扰增多，尤其在低频
的不锈钢透声窗在低频时存在明显的响应放大，分 时出现较多杂乱共振峰。GFRP与PEEK同样具有