基于吸声材料的火箭整流罩噪声环境控制①

任 方，张正平，李海波，陈 璐，秦朝红，刘振皓

(北京强度环境研究所 可靠性与环境工程技术重点实验室，北京 100076)

基于吸声材料的火箭整流罩噪声环境控制①

任 方，张正平，李海波，陈 璐，秦朝红，刘振皓

(北京强度环境研究所 可靠性与环境工程技术重点实验室，北京 100076)

吸声材料是火箭常用的降噪方法之一。针对高速火箭整流罩，采用三聚氰胺泡沫塑料吸声材料开展了被动控制内声场降噪方法的实验和数值研究。首先，建立了阻抗管的实验平台，实验测量了吸声材料在不同厚度和表面处理下的吸声系数。然后，基于该材料设计了多种火箭整流罩的内声场降噪的方案，采用统计能量数值仿真方法及混响室噪声环境实验，研究了吸声材料厚度、表面处理及布局方式对整流罩降噪性能影响规律。结果表明，采用吸声材料能够有效降低整流罩内声场噪声，总声压级隔声量最大达5.5 dB，厚度增加和表面处理在一定程度上能够增加隔声量。

火箭整流罩；吸声材料；噪声控制；SEA方法

0 引言

火箭整流罩用于保护有效载荷，防止其受气动力、气动加热以及声振等环境的影响，是火箭不可缺少的部分。火箭的最恶劣噪声环境主要出现在2个阶段：一个是发射起飞阶段，噪声来源于大功率发动机喷出的强烈气流；另一个是主动飞行段，噪声来源于周围的脉动压力环境，尤其是在跨音速和最大动压阶段，整流罩外的脉动压力场最大，这些脉动压力场以宽频、随机噪声的形式作用在结构上。整流罩外的气动噪声通过透射与结构共振的传播转变为整流罩的内噪声[1]。恶劣的噪声环境有可能使有效载荷、电子设备和整体结构产生破坏，特别是会造成关键部件的疲劳破环，从而大大降低了整个系统的可靠性。因此，对整流罩内噪声环境进行控制，以保护有效载荷，是非常必要的。

整流罩的噪声环境控制技术通常分为主动控制和被动控制技术，常用的被动降噪技术包括多种吸声材料和吸声结构，阻性和抗性消声器等。这些无源降噪装置适合于降低中高频噪声，对低频噪声降噪效果一般。主动降噪技术主要是根据两个声波相消性干涉的原理，达到降噪效果,对低频噪声的降噪效果是较明显的。但实际飞行中，整流罩内噪声是宽频带的，要获得有效的主动降噪效果，主动控制系统结构十分复杂，重量相当可观[2]。根据国外的应用经验，使用吸声材料对整流罩内声场降噪是一种行之有效的方法[3]。

吸声材料的厚度、表面处理等直接影响吸声的性能和降噪的效果，同时材料的厚度对结构的质量影响较大，直接影响火箭的有效载荷。因此，本文基于三聚氰胺泡沫塑料吸声材料，开展了被动控制的整流罩内声场降噪方法研究，采用统计能量数值仿真方法和混响室噪声环境实验方法，研究了不同材料厚度和材料表面处理方法对模型整流罩降噪性能影响，证实了吸声材料在火箭整流罩噪声控制中的降噪效果。

1 吸声材料吸声理论

吸声材料可简化为大量微小空腔组成吸声体，每个空腔认为是很细小的孔，每个小孔从声学上可看做较短的细管，如图1所示。Crandall根据波动方程，求得其声阻抗率[4]：

(1)

(2)

式中 Δp为两端的声压差；u为管中的质量速度；ω为声波的角频率；k为传播常数；d为管的直径；μ为空气运动粘滞系数，μ=1.56×10-5m2/s，J1为第一类贝塞尔函数。

图1 吸声材料吸声结构示意图Fig.1 Schematic of noise-absorption material

材料的吸声是由于粘滞性、热传导性和分子吸收而转变为热能。在无限媒质中，阻抗与位置无关，阻抗率是材料的一个常数，称为波阻抗；自由空间的波阻抗为Z0=ρ0c0；通常声压和声速的相位不同。因此，波阻抗是一个复数量。

如图2所示，类比电学原理，P为声压，ZD为相对声阻抗率，ρ0c0为波阻抗，R为电路总阻抗，M为质量；如果吸声材料厚度为h，传播常数为k，当吸声材料粘贴端声阻抗率为Z2，则声波入射端的声阻抗率Z1由式(1)可简化为[4]

(3)

当吸声层的厚度无限大，Z2=Z0，当吸声材料安装在刚性墙上时，Z2=∞。

图2 吸声材料吸声原理和类比电路示意图Fig.2 Diagram of principle of sound absorption and analog circuit

当吸声材料安装在密闭结构内表面上时，其经受的是无规则入射的扩散噪声，在扩散声场中，各种入射角的声波是等概率的，其吸声系数为[4]

(4)

由于吸声系数表示单位面积的吸声量，所以吸声量A为

(5)

式中S为吸声材料的面积，m2。

2 实验和数值仿真

2.1 多孔吸声材料吸声系数实验

多孔材料是常用的飞行器噪声控制吸声材料，具有较好的吸声性能。当声波入射到多孔吸声材料表面时，激发起微孔内的空气振动，空气与固体筋络间产生相对运动，由于空气的粘滞性，在微孔内产生相应的粘滞阻力，使振动空气的动能不断转化为热能，从而使声能衰减。当空气绝热压缩时，空气与孔壁间不断发生热交换，由于热传导的作用，也会使声能转化为热能。同时，多孔吸声材料并不存在吸声上限频率，它具有较好的高频吸声性能[4]。

根据国内外应用现状研究，多孔吸声材料三聚氰胺泡沫塑料具有低密度、高吸声性能的优点，在国外航天领域有成功的应用经验。本文选用三聚氰胺泡沫塑料作为吸声材料，以厚度和表面处理作为对比因素，开展吸声系数测量实验，分析研究材料的吸声性能[4]。

本文给出的三聚氰胺吸声材料的有效吸声范围是100 Hz以上。在低频区，一般采用主动降噪技术和亥姆霍兹共鸣器进行降噪，主动降噪技术还处于基础研究阶段。因此，亥姆霍兹共鸣器是有效的解决手段，可针对较为突出的频率进行降噪。

采用传递函数法，利用双传声器对材料的吸声系数进行测量，实验系统由阻抗管、信号发生器、放大器、声源、传声器和频率分析器组成，如图3所示。

图3 阻抗管实验系统示意图Fig.3 Diagram of standing-wave-tube platform

测试材料为三聚氰胺泡沫塑料，材料密度为10 kg/m3，厚度分别为40、50、60 mm，对部分三聚氰胺泡沫塑料样品进行表面钻孔处理，钻孔深度为材料厚度的1/2。将待测样品切割至与阻抗管横截面大小相同，为50 mm×50 mm，如图4所示。实验时，样品紧贴阻抗管测试段底板安装。吸声系数测量选取3块材料样品进行实验，每块样品进行6次重复测量，通过多次测量取平均值的方法，消除随机误差。

2.2 基于统计能量方法的数值仿真

吸声材料的厚度和表面处理方式不仅影响降噪的性能，而且影响结构的质量。本文采用基于统计能量的数值仿真方法，研究了不同材料厚度和表面处理方式对火箭整流罩的内声场降噪性能的影响。依据材料厚度及表面处理方式，设计了6种降噪方案，见表1。

表1 不同结构形式降噪方案Table 1 Different plans of noise-reduction

根据上述的不同降噪方案，采用阻抗管的实验获得的材料吸声系数及声阻抗参数，在100 Hz～10 kHz频率范围内，运用统计能量分析方法[8]建立模型整流罩的降噪数值分析模型，如图5所示。对圆柱段内声场响应进行计算，对比降噪前后整流罩内声场的响应，分析各降噪方案的隔声量，并对不同降噪方案效果进行评价[5-7]。

图5 统计能量模型Fig.5 Statistical energy analysis model

2.3 模型整流罩降噪性能实验

混响室噪声环境实验研究是噪声性能研究的重要实验方法。本文利用混响室噪声环境实验，开展了基于三聚氰胺泡沫吸声材料的火箭整流罩的被动控制内声场降噪实验研究。吸声材料的安装要求是在飞行阶段不能脱落，且不能占用太多的有效空间。本文提出的方法中，吸声材料厚度不大于60 mm，总体积不超过整流罩空间的1%。

本实验的对象是以火箭整流罩为背景设计的模型整流罩，如图6所示。模型外部结构分为端头段、前锥段、圆柱段、尾锥段和仪器舱，内部结构包括转接段、卫星支架和模拟卫星。实验状态1为整流罩模型内未粘贴吸声材料，实验状态2选用60 mm厚度表面钻孔三聚氰胺泡沫塑料，实验状态3选用60 mm厚度表面未钻孔三聚氰胺泡沫塑料各降噪方案吸声材料均安装在模型整流罩的圆柱段，如图6(b)所示。

噪声实验系统包括信号控制系统、数据采集系统、噪声加载系统、气源系统、声源系统、测量系统等。声谱控制可通过噪声控制系统完成。控制系统由采集前端、控制计算机、声功放、电动气流扬声器、噪声传感器组成。噪声测量系统由传声器、前置放大器、传声器电源，数据采集系统组成。振动测量系统包括加速度传感器和数据采集系统组成。整流罩、模拟星、仪器舱组装完成后，用铸块进行弹性支撑，置于混响室中间，整流罩组合体用吊带进行保护，防止倾倒，如图7所示。

(a)实验模型 (b)在模型圆柱段粘贴吸声材料图6 混响室实验Fig.6 Reverberation chamber experiment

图7 实验系统示意图Fig.7 Diagram of reverberation chamber experimental setup

将内外声场分为7个测试区(图8)：前锥区(1区)，前锥与圆柱的过渡区(2区)，模拟星上部(3区)，模拟星中部(4区)，模拟星下部(5区)，尾锥区(6区)，外声场区(7区)。不同实验状态各传声器相对模型整流罩位置保持不变。外声场3个控制传声器，模拟星附近是高填充区域，需布置较多传声器加以特别关注。噪声实验控制测点psd和oct1/3如图8所示，外声场系统级噪声平均值为148.6 dB，具体见图9。

3 结果与分析

3.1 阻抗管传递函数法实验结果与分析

按图3布置方式进行阻抗管传递函数法实验。入射声压pI和反射声pR压分别可写为

(2)

(3)

2个传声器位置上的声压p1和p2分别为

(4)

(5)

式中l为靠近试件的传声器到试件表面的距离。

入射波的传递函数HI为

(6)

式中s为2个传声器之间的距离。

类似地，反射波的传递函数HR为

(7)

测得两传声器间的传递函数为

(8)

交换传声器后，测得两传声器间的传递函数为

(9)

计算校正因数：

(10)

对传声器响应失配进行校准后的传递函数为

(11)

图8 内噪声场测点布置示意图Fig.8 Diagram of observation points for internal noise field measurement

图9 噪声控制测点psd和oct1/3Fig.9 Psd and oct1/3 for noise control point

(12)

将HI与HR代入式(12)，得到声压反射系数r：

(13)

至此，基准面上声压反射系数可由测得的传递函数H12、距离S、l和波数k0确定。

通过计算，可得出法向入射吸声系数α：

(14)

将各实验状态测量得到的传递函数进行数据处理，获得100～2 000 Hz频率范围不同结构形式的三聚氰胺泡沫塑料的吸声系数,如图10所示。

(a)表面未钻孔

(b)表面钻孔图10 不同厚度材料吸声系数Fig.10 Acoustic absorption coefficient of melamine foam of different thickness

由图10(a)可见，在100～200 Hz频率范围内，厚度对材料的吸声系数影响较小，不同的厚度之间相差不大；从250 Hz开始，材料的吸声性能随着厚度的增加得到明显的提升，60 mm厚度材料的吸声系数明显高于40 mm厚度材料；在1 250 Hz附近，60 mm厚度材料的吸声系数曲线开始变的平缓，而40 mm、50 mm厚度材料的吸声系数曲线则继续上升，其吸声性能的差距逐渐减小。

图10(b)为不同厚度表面钻孔材料的吸声系数曲线。对比图10(a)可知，在40 mm厚度材料100～200 Hz频率范围、50 mm厚度材料300～1 000 Hz频率范围及60 mm厚度材料100～500 Hz频率范围，表面钻孔对材料的吸声性能有所提升，而在1 000 Hz以后的频率范围表面钻孔对材料吸声性能影响很小。这是因为低频处声波的波长较长，在材料表面钻孔可一定程度地增加低频声波透射量，从而吸收更多的低频声能。

3.2 整流罩降噪数值仿真结果与分析

根据仿真分析模型，采用上述实验获得的材料吸声系数及声阻抗参数对不同降噪方案进行分析。各降噪方案1/3倍频程圆柱段内声场响应及隔声量曲线如图11、图12所示。6种方案增加的总重量如表2所示。

图11 不同方案圆柱段内声场响应曲线Fig.11 Acoustic response curve of interior field sound field of cylinder part for each plan

图12 不同方案隔声量曲线Fig.12 Sound transmission loss curve for each plan表2 不同降噪方案重量增加Table 2 Increasement of weight for each plan

方案123456面积密度/(kg/m)20.360.40.450.50.540.6总质量/kg1.751.942.192.432.622.92

综上所述，6种降噪方案在整个频带都有较好的隔声效果。在100 Hz频率处，隔声量最小为14.5 dB，比降噪前7.3 dB提高了7.2 dB；从1 250 Hz开始的高频区，隔声量迅速增加，最大隔声量在10 kHz处，为39.3 dB；各方案总隔声量最高为方案5的18.1 dB，比降噪前11.2 dB增加6.9 dB。厚度对隔声量的提高主要体现在500～1 250 Hz的频率范围，在2 000 Hz以上的高频区各方案隔声量非常接近，其中，方案5的厚度60 mm表面钻孔吸声材料比方案1的厚度40 mm表面钻孔吸声材料总隔声量提高了0.6 dB。表面钻孔处理对隔声量提高较小，其总隔声量方案5比方案6提高了0.2 dB。由于厚度增加和表面钻孔处理对隔声量的提升较小，方案5比方案1增重0.87 kg，重量增加了50%。因此，在方案设计时，应综合考虑重量和降噪性能。3.3 模型整流罩降噪性能实验验证与分析

针对上述研究结果，采用混响室噪声环境实验方法，以方案5和方案6开展了模型整流罩降噪性能实验验证研究。并同无吸声材料的隔声量进行对比，分析吸声的效果。其中，实验状态1为整流罩模型内无吸声材料，实验状态2采用了方案5，实验状态3采用了方案6，各吸声材料均安装在模型整流罩的圆柱段。

对圆柱段内声场各测点响应取算术平均，即可得圆柱段内声场的平均声压谱。各实验状态1/3倍频程圆柱段内声场平均响应，将外声场声压谱减去圆柱段内声场声压谱，可获得圆柱段内声场隔声量(图13)。

表3给出了实验状态2和3在1/3倍频程频率处圆柱段降噪量。

(a)实验状态1 (b)实验状态2

(c)实验状态3图13 不同实验状态圆柱段内声场响应Fig.13 Acoustic response of interior field sound field of cylinder part for each experiment表3 各实验状态1/3倍频程圆柱段降噪量Table 3 One-third octave band noise reduction for cylinder part dB

频率/Hz方案2方案3频率/Hz方案2方案3100-8.9-7.9125010.512.81254.35.3160011.313160-0.3-0.2200010.8132001.62.9250010.512.82506.77.3315010.212.83152.64.240009.812.74007.58.750009.212.55008.99.363007.510.463010.512.5800071080010.312.2100006.59.2100010.212.1——————SPL4.45.5

图13中，实验状态1为整流罩模型内未粘贴吸声材料，其圆柱段总声压级隔声量为10.7 dB；实验状态2为粘贴60 mm厚度表面钻孔的三聚氰胺泡沫塑料，其隔声量为15.1 dB；实验状态3为粘贴60 mm厚度表面未钻孔的三聚氰胺泡沫塑料，其隔声量为16.2 dB。

本文使用的噪声测量系统精度在0.5 dB以内，在评估降噪效果时需考虑精度影响。结果表明，从125 Hz频率附近开始，降噪后的隔声量开始高于降噪前的隔声量，且随着频率的提高，差距逐渐增加。采用降噪方案的整流罩模型圆柱段总声压级隔声量分别提高了4.4、5.5 dB，降噪效果均较好。

4 结论

(1)探讨了安装吸声材料的整流罩内声场降噪技术，采用阻抗管法实验，分析了影响多孔吸声材料吸声性能的因素，获取了三聚氰胺泡沫塑料的吸声系数。

(2)运用统计能量法，探讨了吸声材料的不同厚度、表面处理及布局方式对整流罩降噪性能的影响。厚度增加和表面钻孔处理对隔声量的提升较小，材料的吸声性能在中高频段随着厚度的增加得到明显的提升，但不同厚度材料的吸声性能差距逐渐减小；表面钻孔对材料的吸声性能主要表现在低频段，在高频段对材料吸声性能影响很小。由于厚度增加会使整流罩增重，在方案设计时，可优先考虑重量较轻的降噪方案。

(3)结合模型整流罩混响场噪声环境实验，验证了模型和方法的有效性，可为火箭整流罩内声场降噪提供参考。

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(编辑：薛永利)

Noise control technology of launch vehicle fairing using sound-absorbing material

REN Fang，ZHANG Zheng-ping，LI Hai-bo，CHEN Lu，QIN Zhao-hong，LIU Zhen-hao

(China Science and Technology on Reliability and Environment Engineering Laboratory,Beijing Institute of Structure and Environment Engineering,Beijing 100076,China)

Sound-absorbing material is widely used for noise reduction of launch vehicle.In this paper,a passive noise control technology of melamine foam for launch vehicle payload fairing was experimentally and numerically investigated.Standing-wave-tube platform was established and the acoustic absorption coefficients of the fairing with different thicknesses and surface treatment were measured.Several noise reduction plans of payload fairing were designed.The influences of thickness,surface treatment and composition of melamine foam on noise reduction were investigated using statistical energy analysis method and reverberation chamber acoustic experiment.Results show that the noise reduction of the fairing with noise absorption material reaches to 5.5dB,and the increasement of thickness and surface treatment can increase the sound transmission loss.

launch vehicle fairing;sound-absorbing material;noise control;statistical energy analysis methed

2015-06-30；

2015-08-18。

国家自然基金(11172046)。

任方(1981—)，男，高级工程师，研究方向为噪声、振动力学环境。E-mail：renfang2000@sohu.com

V444.3

A

1006-2793(2016)06-0851-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2016.06.020