基于吸聲材料的火箭整流罩噪聲環境控制①

任 方，張正平，李海波，陳 璐，秦朝紅，劉振皓

(北京強度環境研究所 可靠性與環境工程技術重點實驗室，北京 100076)

基于吸聲材料的火箭整流罩噪聲環境控制①

任 方，張正平，李海波，陳 璐，秦朝紅，劉振皓

(北京強度環境研究所 可靠性與環境工程技術重點實驗室，北京 100076)

吸聲材料是火箭常用的降噪方法之一。針對高速火箭整流罩，采用三聚氰胺泡沫塑料吸聲材料開展了被動控制內聲場降噪方法的實驗和數值研究。首先，建立了阻抗管的實驗平臺，實驗測量了吸聲材料在不同厚度和表面處理下的吸聲系數。然后，基于該材料設計了多種火箭整流罩的內聲場降噪的方案，采用統計能量數值仿真方法及混響室噪聲環境實驗，研究了吸聲材料厚度、表面處理及布局方式對整流罩降噪性能影響規律。結果表明，采用吸聲材料能夠有效降低整流罩內聲場噪聲，總聲壓級隔聲量最大達5.5 dB，厚度增加和表面處理在一定程度上能夠增加隔聲量。

火箭整流罩；吸聲材料；噪聲控制；SEA方法

0 引言

火箭整流罩用于保護有效載荷，防止其受氣動力、氣動加熱以及聲振等環境的影響，是火箭不可缺少的部分。火箭的最惡劣噪聲環境主要出現在2個階段：一個是發射起飛階段，噪聲來源于大功率發動機噴出的強烈氣流；另一個是主動飛行段，噪聲來源于周圍的脈動壓力環境，尤其是在跨音速和最大動壓階段，整流罩外的脈動壓力場最大，這些脈動壓力場以寬頻、隨機噪聲的形式作用在結構上。整流罩外的氣動噪聲通過透射與結構共振的傳播轉變為整流罩的內噪聲[1]。惡劣的噪聲環境有可能使有效載荷、電子設備和整體結構產生破壞，特別是會造成關鍵部件的疲勞破環，從而大大降低了整個系統的可靠性。因此，對整流罩內噪聲環境進行控制，以保護有效載荷，是非常必要的。

整流罩的噪聲環境控制技術通常分為主動控制和被動控制技術，常用的被動降噪技術包括多種吸聲材料和吸聲結構，阻性和抗性消聲器等。這些無源降噪裝置適合于降低中高頻噪聲，對低頻噪聲降噪效果一般。主動降噪技術主要是根據兩個聲波相消性干涉的原理，達到降噪效果,對低頻噪聲的降噪效果是較明顯的。但實際飛行中，整流罩內噪聲是寬頻帶的，要獲得有效的主動降噪效果，主動控制系統結構十分復雜，重量相當可觀[2]。根據國外的應用經驗，使用吸聲材料對整流罩內聲場降噪是一種行之有效的方法[3]。

吸聲材料的厚度、表面處理等直接影響吸聲的性能和降噪的效果，同時材料的厚度對結構的質量影響較大，直接影響火箭的有效載荷。因此，本文基于三聚氰胺泡沫塑料吸聲材料，開展了被動控制的整流罩內聲場降噪方法研究，采用統計能量數值仿真方法和混響室噪聲環境實驗方法，研究了不同材料厚度和材料表面處理方法對模型整流罩降噪性能影響，證實了吸聲材料在火箭整流罩噪聲控制中的降噪效果。

1 吸聲材料吸聲理論

吸聲材料可簡化為大量微小空腔組成吸聲體，每個空腔認為是很細小的孔，每個小孔從聲學上可看做較短的細管，如圖1所示。Crandall根據波動方程，求得其聲阻抗率[4]：

(1)

(2)

式中 Δp為兩端的聲壓差；u為管中的質量速度；ω為聲波的角頻率；k為傳播常數；d為管的直徑；μ為空氣運動粘滯系數，μ=1.56×10-5m2/s，J1為第一類貝塞爾函數。

圖1 吸聲材料吸聲結構示意圖Fig.1 Schematic of noise-absorption material

材料的吸聲是由于粘滯性、熱傳導性和分子吸收而轉變為熱能。在無限媒質中，阻抗與位置無關，阻抗率是材料的一個常數，稱為波阻抗；自由空間的波阻抗為Z0=ρ0c0；通常聲壓和聲速的相位不同。因此，波阻抗是一個復數量。

如圖2所示，類比電學原理，P為聲壓，ZD為相對聲阻抗率，ρ0c0為波阻抗，R為電路總阻抗，M為質量；如果吸聲材料厚度為h，傳播常數為k，當吸聲材料粘貼端聲阻抗率為Z2，則聲波入射端的聲阻抗率Z1由式(1)可簡化為[4]

(3)

當吸聲層的厚度無限大，Z2=Z0，當吸聲材料安裝在剛性墻上時，Z2=∞。

圖2 吸聲材料吸聲原理和類比電路示意圖Fig.2 Diagram of principle of sound absorption and analog circuit

當吸聲材料安裝在密閉結構內表面上時，其經受的是無規則入射的擴散噪聲，在擴散聲場中，各種入射角的聲波是等概率的，其吸聲系數為[4]

(4)

由于吸聲系數表示單位面積的吸聲量，所以吸聲量A為

(5)

式中S為吸聲材料的面積，m2。

2 實驗和數值仿真

2.1 多孔吸聲材料吸聲系數實驗

多孔材料是常用的飛行器噪聲控制吸聲材料，具有較好的吸聲性能。當聲波入射到多孔吸聲材料表面時，激發起微孔內的空氣振動，空氣與固體筋絡間產生相對運動，由于空氣的粘滯性，在微孔內產生相應的粘滯阻力，使振動空氣的動能不斷轉化為熱能，從而使聲能衰減。當空氣絕熱壓縮時，空氣與孔壁間不斷發生熱交換，由于熱傳導的作用，也會使聲能轉化為熱能。同時，多孔吸聲材料并不存在吸聲上限頻率，它具有較好的高頻吸聲性能[4]。

根據國內外應用現狀研究，多孔吸聲材料三聚氰胺泡沫塑料具有低密度、高吸聲性能的優點，在國外航天領域有成功的應用經驗。本文選用三聚氰胺泡沫塑料作為吸聲材料，以厚度和表面處理作為對比因素，開展吸聲系數測量實驗，分析研究材料的吸聲性能[4]。

本文給出的三聚氰胺吸聲材料的有效吸聲范圍是100 Hz以上。在低頻區，一般采用主動降噪技術和亥姆霍茲共鳴器進行降噪，主動降噪技術還處于基礎研究階段。因此，亥姆霍茲共鳴器是有效的解決手段，可針對較為突出的頻率進行降噪。

采用傳遞函數法，利用雙傳聲器對材料的吸聲系數進行測量，實驗系統由阻抗管、信號發生器、放大器、聲源、傳聲器和頻率分析器組成，如圖3所示。

圖3 阻抗管實驗系統示意圖Fig.3 Diagram of standing-wave-tube platform

測試材料為三聚氰胺泡沫塑料，材料密度為10 kg/m3，厚度分別為40、50、60 mm，對部分三聚氰胺泡沫塑料樣品進行表面鉆孔處理，鉆孔深度為材料厚度的1/2。將待測樣品切割至與阻抗管橫截面大小相同，為50 mm×50 mm，如圖4所示。實驗時，樣品緊貼阻抗管測試段底板安裝。吸聲系數測量選取3塊材料樣品進行實驗，每塊樣品進行6次重復測量，通過多次測量取平均值的方法，消除隨機誤差。

2.2 基于統計能量方法的數值仿真

吸聲材料的厚度和表面處理方式不僅影響降噪的性能，而且影響結構的質量。本文采用基于統計能量的數值仿真方法，研究了不同材料厚度和表面處理方式對火箭整流罩的內聲場降噪性能的影響。依據材料厚度及表面處理方式，設計了6種降噪方案，見表1。

表1 不同結構形式降噪方案Table 1 Different plans of noise-reduction

根據上述的不同降噪方案，采用阻抗管的實驗獲得的材料吸聲系數及聲阻抗參數，在100 Hz～10 kHz頻率范圍內，運用統計能量分析方法[8]建立模型整流罩的降噪數值分析模型，如圖5所示。對圓柱段內聲場響應進行計算，對比降噪前后整流罩內聲場的響應，分析各降噪方案的隔聲量，并對不同降噪方案效果進行評價[5-7]。

圖5 統計能量模型Fig.5 Statistical energy analysis model

2.3 模型整流罩降噪性能實驗

混響室噪聲環境實驗研究是噪聲性能研究的重要實驗方法。本文利用混響室噪聲環境實驗，開展了基于三聚氰胺泡沫吸聲材料的火箭整流罩的被動控制內聲場降噪實驗研究。吸聲材料的安裝要求是在飛行階段不能脫落，且不能占用太多的有效空間。本文提出的方法中，吸聲材料厚度不大于60 mm，總體積不超過整流罩空間的1%。

本實驗的對象是以火箭整流罩為背景設計的模型整流罩，如圖6所示。模型外部結構分為端頭段、前錐段、圓柱段、尾錐段和儀器艙，內部結構包括轉接段、衛星支架和模擬衛星。實驗狀態1為整流罩模型內未粘貼吸聲材料，實驗狀態2選用60 mm厚度表面鉆孔三聚氰胺泡沫塑料，實驗狀態3選用60 mm厚度表面未鉆孔三聚氰胺泡沫塑料各降噪方案吸聲材料均安裝在模型整流罩的圓柱段，如圖6(b)所示。

噪聲實驗系統包括信號控制系統、數據采集系統、噪聲加載系統、氣源系統、聲源系統、測量系統等。聲譜控制可通過噪聲控制系統完成。控制系統由采集前端、控制計算機、聲功放、電動氣流揚聲器、噪聲傳感器組成。噪聲測量系統由傳聲器、前置放大器、傳聲器電源，數據采集系統組成。振動測量系統包括加速度傳感器和數據采集系統組成。整流罩、模擬星、儀器艙組裝完成后，用鑄塊進行彈性支撐，置于混響室中間，整流罩組合體用吊帶進行保護，防止傾倒，如圖7所示。

(a)實驗模型 (b)在模型圓柱段粘貼吸聲材料圖6 混響室實驗Fig.6 Reverberation chamber experiment

圖7 實驗系統示意圖Fig.7 Diagram of reverberation chamber experimental setup

將內外聲場分為7個測試區(圖8)：前錐區(1區)，前錐與圓柱的過渡區(2區)，模擬星上部(3區)，模擬星中部(4區)，模擬星下部(5區)，尾錐區(6區)，外聲場區(7區)。不同實驗狀態各傳聲器相對模型整流罩位置保持不變。外聲場3個控制傳聲器，模擬星附近是高填充區域，需布置較多傳聲器加以特別關注。噪聲實驗控制測點psd和oct1/3如圖8所示，外聲場系統級噪聲平均值為148.6 dB，具體見圖9。

3 結果與分析

3.1 阻抗管傳遞函數法實驗結果與分析

按圖3布置方式進行阻抗管傳遞函數法實驗。入射聲壓pI和反射聲pR壓分別可寫為

(2)

(3)

2個傳聲器位置上的聲壓p1和p2分別為

(4)

(5)

式中l為靠近試件的傳聲器到試件表面的距離。

入射波的傳遞函數HI為

(6)

式中s為2個傳聲器之間的距離。

類似地，反射波的傳遞函數HR為

(7)

測得兩傳聲器間的傳遞函數為

(8)

交換傳聲器后，測得兩傳聲器間的傳遞函數為

(9)

計算校正因數：

(10)

對傳聲器響應失配進行校準后的傳遞函數為

(11)

圖8 內噪聲場測點布置示意圖Fig.8 Diagram of observation points for internal noise field measurement

圖9 噪聲控制測點psd和oct1/3Fig.9 Psd and oct1/3 for noise control point

(12)

將HI與HR代入式(12)，得到聲壓反射系數r：

(13)

至此，基準面上聲壓反射系數可由測得的傳遞函數H12、距離S、l和波數k0確定。

通過計算，可得出法向入射吸聲系數α：

(14)

將各實驗狀態測量得到的傳遞函數進行數據處理，獲得100～2 000 Hz頻率范圍不同結構形式的三聚氰胺泡沫塑料的吸聲系數,如圖10所示。

(a)表面未鉆孔

(b)表面鉆孔圖10 不同厚度材料吸聲系數Fig.10 Acoustic absorption coefficient of melamine foam of different thickness

由圖10(a)可見，在100～200 Hz頻率范圍內，厚度對材料的吸聲系數影響較小，不同的厚度之間相差不大；從250 Hz開始，材料的吸聲性能隨著厚度的增加得到明顯的提升，60 mm厚度材料的吸聲系數明顯高于40 mm厚度材料；在1 250 Hz附近，60 mm厚度材料的吸聲系數曲線開始變的平緩，而40 mm、50 mm厚度材料的吸聲系數曲線則繼續上升，其吸聲性能的差距逐漸減小。

圖10(b)為不同厚度表面鉆孔材料的吸聲系數曲線。對比圖10(a)可知，在40 mm厚度材料100～200 Hz頻率范圍、50 mm厚度材料300～1 000 Hz頻率范圍及60 mm厚度材料100～500 Hz頻率范圍，表面鉆孔對材料的吸聲性能有所提升，而在1 000 Hz以后的頻率范圍表面鉆孔對材料吸聲性能影響很小。這是因為低頻處聲波的波長較長，在材料表面鉆孔可一定程度地增加低頻聲波透射量，從而吸收更多的低頻聲能。

3.2 整流罩降噪數值仿真結果與分析

根據仿真分析模型，采用上述實驗獲得的材料吸聲系數及聲阻抗參數對不同降噪方案進行分析。各降噪方案1/3倍頻程圓柱段內聲場響應及隔聲量曲線如圖11、圖12所示。6種方案增加的總重量如表2所示。

圖11 不同方案圓柱段內聲場響應曲線Fig.11 Acoustic response curve of interior field sound field of cylinder part for each plan

圖12 不同方案隔聲量曲線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面積密度/(kg/m)20.360.40.450.50.540.6總質量/kg1.751.942.192.432.622.92

綜上所述，6種降噪方案在整個頻帶都有較好的隔聲效果。在100 Hz頻率處，隔聲量最小為14.5 dB，比降噪前7.3 dB提高了7.2 dB；從1 250 Hz開始的高頻區，隔聲量迅速增加，最大隔聲量在10 kHz處，為39.3 dB；各方案總隔聲量最高為方案5的18.1 dB，比降噪前11.2 dB增加6.9 dB。厚度對隔聲量的提高主要體現在500～1 250 Hz的頻率范圍，在2 000 Hz以上的高頻區各方案隔聲量非常接近，其中，方案5的厚度60 mm表面鉆孔吸聲材料比方案1的厚度40 mm表面鉆孔吸聲材料總隔聲量提高了0.6 dB。表面鉆孔處理對隔聲量提高較小，其總隔聲量方案5比方案6提高了0.2 dB。由于厚度增加和表面鉆孔處理對隔聲量的提升較小，方案5比方案1增重0.87 kg，重量增加了50%。因此，在方案設計時，應綜合考慮重量和降噪性能。3.3 模型整流罩降噪性能實驗驗證與分析

針對上述研究結果，采用混響室噪聲環境實驗方法，以方案5和方案6開展了模型整流罩降噪性能實驗驗證研究。并同無吸聲材料的隔聲量進行對比，分析吸聲的效果。其中，實驗狀態1為整流罩模型內無吸聲材料，實驗狀態2采用了方案5，實驗狀態3采用了方案6，各吸聲材料均安裝在模型整流罩的圓柱段。

對圓柱段內聲場各測點響應取算術平均，即可得圓柱段內聲場的平均聲壓譜。各實驗狀態1/3倍頻程圓柱段內聲場平均響應，將外聲場聲壓譜減去圓柱段內聲場聲壓譜，可獲得圓柱段內聲場隔聲量(圖13)。

表3給出了實驗狀態2和3在1/3倍頻程頻率處圓柱段降噪量。

(a)實驗狀態1 (b)實驗狀態2

(c)實驗狀態3圖13 不同實驗狀態圓柱段內聲場響應Fig.13 Acoustic response of interior field sound field of cylinder part for each experiment表3 各實驗狀態1/3倍頻程圓柱段降噪量Table 3 One-third octave band noise reduction for cylinder part dB

頻率/Hz方案2方案3頻率/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

圖13中，實驗狀態1為整流罩模型內未粘貼吸聲材料，其圓柱段總聲壓級隔聲量為10.7 dB；實驗狀態2為粘貼60 mm厚度表面鉆孔的三聚氰胺泡沫塑料，其隔聲量為15.1 dB；實驗狀態3為粘貼60 mm厚度表面未鉆孔的三聚氰胺泡沫塑料，其隔聲量為16.2 dB。

本文使用的噪聲測量系統精度在0.5 dB以內，在評估降噪效果時需考慮精度影響。結果表明，從125 Hz頻率附近開始，降噪后的隔聲量開始高于降噪前的隔聲量，且隨著頻率的提高，差距逐漸增加。采用降噪方案的整流罩模型圓柱段總聲壓級隔聲量分別提高了4.4、5.5 dB，降噪效果均較好。

4 結論

(1)探討了安裝吸聲材料的整流罩內聲場降噪技術，采用阻抗管法實驗，分析了影響多孔吸聲材料吸聲性能的因素，獲取了三聚氰胺泡沫塑料的吸聲系數。

(2)運用統計能量法，探討了吸聲材料的不同厚度、表面處理及布局方式對整流罩降噪性能的影響。厚度增加和表面鉆孔處理對隔聲量的提升較小，材料的吸聲性能在中高頻段隨著厚度的增加得到明顯的提升，但不同厚度材料的吸聲性能差距逐漸減小；表面鉆孔對材料的吸聲性能主要表現在低頻段，在高頻段對材料吸聲性能影響很小。由于厚度增加會使整流罩增重，在方案設計時，可優先考慮重量較輕的降噪方案。

(3)結合模型整流罩混響場噪聲環境實驗，驗證了模型和方法的有效性，可為火箭整流罩內聲場降噪提供參考。

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(編輯：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。

國家自然基金(11172046)。

任方(1981—)，男，高級工程師，研究方向為噪聲、振動力學環境。E-mail：renfang2000@sohu.com

V444.3

A

1006-2793(2016)06-0851-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2016.06.020