整流罩用降噪材料與結構及聲場分析方法

王博堯 高 坤 張兆恒 邢亞娟 王保林

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

0 引言

整流罩是運載火箭的重要組成部分，其結構主要包括端頭、前錐、柱段、倒錐。火箭在發射過程中，整流罩能夠防止內部的航天器與外界直接接觸，避免其承受摩擦力和暴露在低溫、灰塵、噪聲等嚴峻的環境中。其中噪聲環境對火箭的影響尤為關鍵，噪聲的產生源于兩方面：一是發射升空時，大功率發動機噴出的強烈氣流直接作用或通過發射板間接反射至整流罩外表面；二是主動飛行時，附近的氣動載荷環境會產生強烈的噪聲，并以寬頻、隨機的形式作用在結構上，再以結構共振或透射等方式延伸到整流罩內部［1］。

近年來，隨著發展重型火箭的需求日趨迫切，整流罩外部噪聲的聲壓級也面臨著逐漸升高的趨勢；與此同時整流罩將采用輕質、高強的結構復合材料，其隔聲效果會有降低，這些因素使整流罩內噪聲的聲壓級大幅上升［2］。發射階段的近場聲壓級可達170 dB 以上［3］，盡管整流罩有著一定的隔聲作用，但是整流罩內部噪聲的聲壓級仍可達到120～140 dB。噪聲的聲壓級過高有可能會造成有效載荷和整體結構的損壞，尤其是會導致關鍵部件的疲勞破壞，使總體的可靠性出現極大風險，嚴重時直接造成此次飛行任務的失敗。據美國國家航空航天局數據統計［4］，在火箭發射的短時間內，衛星失效的主要原因是噪聲危害。由此看來，開展整流罩內降噪技術研究，降低內聲壓級尤為重要。

整流罩的降噪技術可分為主動控制、被動控制和反應控制技術。主動控制的原理是利用相反聲波的相消性干涉來降低噪聲，在低頻領域具有較明顯的降噪效果，但因設計過于復雜使其在實際工程應用中受限。被動噪聲控制通常采用吸聲、隔聲、減緩振動等手段，此類降噪方法的機理是利用聲學材料抵消聲波，適合于降低中高頻噪聲，在低頻的降噪效果一般。反應控制，即通過結構或聲場的諧振對整流罩內聲場進行控制。調整諧振頻率可以在較窄的頻域范圍內產生很高的阻抗，通過聲學共振達到顯著的降噪效果，常被用于降低低頻噪聲。

本文主要針對于被動控制降噪和反應控制降噪技術所使用的降噪材料展開研究，介紹了不同降噪材料各自的性能及降噪機理，并對全頻段降噪技術的主要研究方法進行了闡述，提出了優化整流罩降噪材料技術的未來發展方向。

1 降噪材料及結構

在整流罩內，被動控制降噪技術主要通過吸收內聲場能量和減緩壁面振動兩種方式進行，與此對應的降噪材料可分為吸聲材料和阻尼材料；反應控制降噪技術主要通過特殊吸聲結構來開展，最常用的是亥姆霍茲共鳴器。

1.1 吸聲材料及結構

當聲波入射到吸聲材料表面上時，會有一部分聲波進入材料內部結構向前傳播，在孔洞中引起空氣振動，與孔壁間反復摩擦，通過黏滯性和熱傳導作用，將聲能轉化為熱能，從而吸聲降噪。按照吸聲機理不同，將吸聲材料區分為多孔吸聲和共振吸聲材料［6］。

多孔吸聲材料的結構孔隙率高，內部具有大量貫通的微孔或間隙，聲波傳播過程中增加了與孔壁的摩擦，提高了聲能損耗。多孔吸聲材料為泡沫或纖維類結構，主要包括玻璃棉、巖棉、礦棉、纖維毯、聚氨酯泡沫塑料、吸聲泡沫玻璃和泡沫金屬等［7］。

共振吸聲材料的吸聲機理是使空氣與聲波共同振動，當聲波的頻率接近系統的固有頻率時，振幅急劇增大，此時吸聲作用最為明顯。共振吸聲結構包含了：單個共振器、穿孔板共振吸聲結構、狹縫共振吸聲結構、微穿孔板共振吸聲結構、薄板共振吸聲結構和膜狀材料等［8］，最典型的共振吸聲結構為亥姆霍茲（Helmholtz）吸聲共振器。

目前，在整流罩應用方面主要研究的吸聲材料及結構有吸聲毯、玻璃棉、三聚氰胺泡沫、Helmholtz共鳴器等（表1）。

表1 國外整流罩先進降噪材料及結構［9］Tab.1 Advanced noise reduction fairing materials and structures abroad［9］

1.1.1 吸聲毯

吸聲毯是整流罩內部最初使用的降噪材料，主要成分包括棉絮、玻璃纖維等，可有效降低400 Hz頻段以上噪聲。W.O.HUGHES 等［10］采用棉絮、玻璃纖維等進行新型吸聲毯的開發研究，設計了一個攜帶有效載荷的仿真全尺寸整流罩，通過混響室試驗證實了吸聲毯能夠有效改善整流罩內部的聲振環境，降低有效載荷的振動響應，節省了昂貴的電源改造支出，順利完成了Cassini土星探測器的飛行任務，隨后吸聲毯陸續應用于Titan Ⅳ的后續任務中。波音公司通過熱處理玻璃纖維的工藝手段制備吸聲毯，并安裝在德爾塔Ⅳ型的整流罩上［11］。宋海洋采用鋪滿內壁的方式對比研究了5種纖維材料的降噪效果，總體降噪效果最好的是纖維毯，聲腔總聲壓級可降低3.5 dB，高頻段的聲壓級可降低4.3 dB 以上［12］。圖1為整流罩內新型聲毯實物圖［13］。

圖1 整流罩內新型聲毯［13］Fig.1 Novel acoustic blanket in fairing［13］

1.1.2 玻璃棉

玻璃棉屬于玻璃纖維的一種，是將玻璃熔融后借助外力吹制式甩成的絮狀細纖維材料［14］。纖維內部橫縱交錯，存在大量微小的孔隙［15］（圖2），因此具有良好的吸聲和絕熱性能。玻璃棉具有質輕、熱導率低、耐腐蝕和吸聲系數高等優點，作為吸聲材料在工程上得到廣泛應用。作為多孔吸聲材料，玻璃棉的吸聲特性是建立在勻質材料基礎上，并由結構參數決定的，因此需保持材料的整體均勻性。在低頻范圍內，玻璃棉的吸聲系數隨厚度增加而增加，但在整流罩實際應用中對其厚度有一定限制，因此玻璃棉多用于高頻范圍的降噪。

圖2 玻璃棉內部微觀形貌［15］Fig.2 Micro-morphology of glass wool［15］

蔣峻楠對比了玻璃棉、礦棉、毛氈的降噪效果，玻璃棉的密度僅有其他兩種的三分之一，但降噪量卻提高了1.5 dB，展現出良好的降噪效果［16］。宋海洋通過VA one仿真分析了玻璃棉鋪覆在整流罩內部的高頻降噪效果，在2～4 kHz 下聲壓級的降低量達13.7 dB［5］，在高頻段內展現出不俗的降噪效果。

1.1.3 三聚氰胺泡沫

三聚氰胺泡沫是高性能有機泡沫材料，以微波發泡工藝制備，內部呈三維網絡結構，如圖3所示，開孔率高達99%［17］。Mahnke 于1985 年首次提出可實際應用的三聚氰胺泡沫生產工藝［18］，后經國內外專家學者改良完善，日漸成熟。三聚氰胺泡沫材料具有輕質、柔韌性強等優點，且在高頻范圍內較其他多孔材料具有更為優良的吸聲性能［19］，是整流罩內理想的高頻降噪材料。

圖3 三聚氰胺泡沫內部微觀形貌［17］Fig.3 Micro-morphology of melamine foam［17］

歐空局將德國巴斯夫（BASF）生產的Basotect TG 三聚氰胺泡沫作為降噪材料鋪覆在Ariane5 火箭整流罩的內壁上［20］，瑞士Contraves Space 公司將其應用在有效載荷整流罩的頭部，均取得良好的降噪效果，NASA 也將其列入可供未來大型運載火箭選擇的降噪材料清單中［21］。我國的“綠寰宇”系列三聚氰胺泡沫也已經投入大量資金進行產品生產和降噪方面的研究。程修妍［22］通過流阻測試、孔隙率測試及阻抗管試驗，獲得了三聚氰胺泡沫的聲學參數，通過統計能量分析模型發現了50 mm 厚的三聚氰胺泡沫在1～2 kHz 內降低聲壓級可達15 dB，在中高頻段表現出優異的降噪性能。榮吉利等［23］依據內襯理論，通過仿真和聲學測試討論了在圓柱聲腔內襯三聚氰胺泡沫的降噪效果，結果表明三聚氰胺泡沫仍具有一定的低頻降噪能力，降噪量在4～8 dB 之間，但低頻降噪效果次于中高頻。

1.1.4 亥姆霍茲共鳴器

亥姆霍茲共鳴器為單孔共振吸聲結構，密閉的空腔通過狹長的頸部與外部相通，由于其獨特的聲學結構，在航天領域的低頻降噪中取得了良好的效果。如圖4 所示，亥姆霍茲共鳴器大多為鋁合金制成，整體結構為杯狀底部和號筒狀頂部，之間經卷邊連接。號筒的喉部和內腔連接，號筒的開口與外界相通，喉部與開口相連為圓滑的曲面。其可在低頻段的特定頻率降噪，如共振頻率和整流罩內聲波頻率相匹配時，較多聲波可進入共鳴器通過聲輻射將聲能傳遞到聲腔，此期間聲能在亥姆霍茲共鳴器中消耗，達到低頻降噪的效果［24］。以便盡可能降低質量，亥姆霍茲共鳴器普遍采用大面積的薄壁結構，共振頻率變化受其頸長和壁厚參數的共同作用。亥姆霍茲共鳴器的數量、頻率和安裝位置也會影響其降噪性能［25］。

圖4 亥姆霍茲共鳴器Fig.4 Helmholtz resonator

美國洛克希德馬丁公司研制的宇宙神Ⅴ運載火箭整流罩通過鋪設亥姆霍茲共鳴器達到了降噪的目的，我國研制的亥姆霍茲共鳴器已達到單頻降噪5.5 dB 的效果，為新一代運載火箭整流罩低頻降噪提供了解決方案。諶相宇通過有限元仿真分析了安裝位置和共振頻率對亥姆霍茲共鳴器降噪性能的影響，結果表明，其最優安裝位置為聲腔聲壓響應的峰值位置，若將其安裝于谷值位置則基本無降噪效果［9］。多個亥姆霍茲共鳴器共同使用時，共振頻率不同時的降噪性能要優于共振頻率相同時。

1.2 阻尼材料

阻尼材料是發揮其大阻尼系數的特點，利用減緩結構的振動進行降噪。阻尼材料大體上可分為自由阻尼和約束阻尼，如圖5所示［26］。自由阻尼結構由外側的阻尼層和內側的基層組成，阻尼層為黏彈性阻尼材料，與基層之間不存在任何約束力作用。自由阻尼結構在受外力時，阻尼層通過拉伸變形抵御外力作用。這種阻尼結構的制造工藝過程簡單，而且成本低廉，是目前我國在工業噪聲振動控制領域中普遍采用的阻尼降噪技術。約束阻尼結構是在自由阻尼的最外層增加高剛度的約束層材料。在受外力時，約束阻尼同時承受剪應力和應變，由于約束層材料的強度大，可通過其剪切形變來消耗能量，減振降噪效果優于自由阻尼。

圖5 阻尼結構［26］Fig.5 Damping structure［26］

目前降噪效果良好的約束阻尼層為丁基橡膠阻尼板，丁基橡膠的分子鏈結構中具有較多的側甲基，在受到外力時，分子鏈間摩擦生熱較多，其因子損耗模量更大，在阻尼材料中具有較為優異的降噪性能。由2 mm 丁基橡膠阻尼層和0.08 mm 鋁箔組成的約束層，在整流罩圓柱段鋪覆完全后300 Hz 以上頻段的降噪量為5 dB 左右［27］。陳釗用T54 阻尼涂料作為阻尼層，AL6061鋁合金作為約束層，組成了約束阻尼結構，仿真分析可得在20～500 Hz 的低頻段內總聲壓級可降低2 dB［26］，具有一定的低頻降噪效果。

由于阻尼材料的密度遠大于吸聲材料，大幅使用會增加整流罩的結構質量，從而降低了有效載荷比，且其在全頻域的降噪效果較吸聲材料差，因此在整流罩降噪材料領域的單獨使用受到一定限制，但有望利用其結構減震的特性與其他降噪材料組合使用。

2 聲場分析方法

驗證吸聲材料對整流罩降噪性能的影響，最理想的途徑是進行飛行試驗，但發射火箭需耗費巨資且短期內難以實現，因此需要通過等效的方式來預測整流罩內真實的聲振環境，為設計可靠的降噪材料方案提供理論依據，主要的研究方法分為仿真分析法和縮比模型試驗法。

在仿真分析中，由于整流罩上載荷分布的頻譜范圍較廣，因此常用方法為將頻譜劃分為低、中、高三個頻段各自進行研究。在低頻段內，系統結構的動力學參數都較為穩定，結構和聲腔的模態密度低，因此有限元和邊界元法比較適用；在高頻段下，動力學參數存在隨機波動性，結構和聲腔模態密度較高，因此統計能量法適用于此［28］；而在中頻段內，子系統的模態密度不均一，采用單一研究方法較難處理分析，此類問題一般采用混合法進行分析。

2.1 有限元方法

有限元方法是將具有無限自由度的整個系統離散為有限自由度的若干單元，通過定義邊界條件、耦合方式等條件后組集得到空氣域和結構域的矩陣方程，求解得到聲場和結構的動態響應［29］。該方法對于處理結構較為簡單、模態密度較低且系統結構動力學參數易于界定的組合系統十分有效［30］，因此常被用于整流罩低頻降噪技術領域的研究。陳釗［26］采用有限元方法，在整流罩內的低頻段開展聲振分析，進行了結構模態、聲腔模態和聲固耦合模態分析。結果顯示，隨著頻率的升高，聲壓分布逐漸趨于均勻，在某些頻率下表現為混響，模態密度漸漸升高，在模態局部振型波動漸趨劇烈。整流罩低頻噪聲領域的常用的有限元分析過程如下。

（1）建立結構及聲腔有限元模型。首先建立整流罩的三維結構模型，主要涉及劃分網格和賦予單元屬性，如圖6 所示，分割網格時要明確單元的尺寸和限定單元的質量［27］。聲學單元一般采用體單元，而結構單元一般采用殼單元。另外在聲學分析的過程中，要涉及聲波在模型內的反射、折射和衍射行為。

圖6 整流罩結構有限元網格劃分［27］Fig.6 Finite element mesh generation of fairing structure［27］

（2）結構模態分析。結構模態是機械結構的特性，模態分析可用于分析整流罩的結構振動，每階模態都有其相對應的固有頻率、阻尼比和模態振型。將建立的整流罩有限元模型進行模態計算，通常整流罩的柱段和前錐振動最大，隨著頻率的升高，局部振型變化加劇。

（3）聲腔模態分析。整流罩內聲學模態頻率和振型是聲學結構的特性。整流罩聲腔處于特定的頻率會引發共鳴現象。若整流罩的聲腔模態和結構模態一致，將出現共振現象，由此產生較大噪聲。將劃分好的聲腔模型進行聲腔模態計算，隨著頻率的升高，聲腔模態表現為局部振型變化加劇。

（4）耦合模態分析。當整流罩結構振動時會出現聲壓，同時聲音傳播也會對整流罩結構形成作用力，從而使結構和聲場達成耦合關系。計算聲固耦合時，需要首先定義結構面單元和聲腔網格包絡面的耦合關系，其次定義網格的映射關系。

（5）整流罩內低頻聲場響應分析。在整流罩施加相應噪聲激勵后，可以計算出整流罩內的聲壓分布，設置場點即可得到聲腔內的任何一點的聲壓值。

2.2 統計能量法

高頻段模態密度較高，有限元計算且復雜程度大幅增加，因此采用統計能量法計算。統計能量分析方法運用統計模態的原理，用振動能量來量化振動波，借助系統振動波和模態的聯系進行聲學系統和結構振動動力學研究［31］。與有限元方法不同，統計能量法無須將結構劃分為大量的若干單元，統計能量法從時間平均、頻率平均、空間平均等統計角度計算子系統間的能量流傳遞、各子系統的能量響應［32］，其可以有效處理中高頻域結構模態密集的問題。分析模型的特征值分別是模態密度、耦合損耗因子、內損耗因子、輸入功率等。

20 世紀80 年代，NASA 通過統計能量法成功預示了聲場中飛行器的振動響應，后續統計能量法陸續被用于分析阿特拉斯和土星IV等整流罩的聲振環境。孫目［33］依照某鋁蜂窩夾層結構整流罩的結構參數建立了其統計能量分析模型，并對此整流罩進行了聲學試驗，仿真結果與試驗的誤差小于3 dB。證明應用統計能量分析方法進行高頻聲振環境預示具有可行性。統計能量法在整流罩高頻降噪領域的分析過程如下：

（1）整流罩結構及聲腔模型的建立，根據整流罩結構建立整流罩的結構子系統和聲腔子系統，如圖7所示，并定義結構的約束［26］；

圖7 整流罩的結構子系統和聲腔子系統［26］Fig.7 Structural subsystem and acoustic cavity subsystem of fairing［26］

（2）定義材料屬性建立連接，給每個子結構定義具體的材料屬性，并將結構子系統和聲腔子系統連接起來使能量傳遞能夠兩者間有效進行；

（3）施加激勵，輸入相應的聲壓與頻率，施加外部激勵。

2.3 混合法

有限元方法和統計能量法分別專用于分析低頻段和高頻段，而介于兩種方法有效工作區間的之間的中頻段較為復雜，同時存在長波變形確定性子系統和短波變形非確定性子系統。因此低頻有限元方法和高頻統計能量法都不能完全實現對復雜組合系統的準確分析。針對此問題，中頻振動問題的理論及應用研究應運而生［34］。

2005 年，SHORTER，LANGLEY 基于波動理論，提出了一種有針對性解決中頻聲振問題的FE-SEA法。這種混合方法把系統根據邊界性質劃分為確定性子系統和統計性子系統。統計性子系統的響應可視為兩種波場的疊加，一是統計性子系統與確定性子系統在其連接處產生的“直接場”，二是行進波在邊界多次反射后形成的“混響場”。因此，系統總體響應可以看作確定性子系統、統計性子系統的直接場受外部激勵引起響應和統計性子系統混響場受混響荷載引起響應的累積。該方法通常將低頻且模態密度較小的結構建為有限元模型，高頻且模態密度密集的結構建為統計能量模型。胡迪科［35］用FESEA 法建立了在中頻域下的整流罩模型，對整流罩內有效載荷的噪聲環境和隨機振動響應作出分析。對比了不同材質整流罩的降噪效果，結果顯示在低頻段復合材料的隔聲效果較好，在高頻段鋁合金的隔聲效果較優。

2.4 等效實驗法

實驗作為振動噪聲控制過程中重要的一環，可以最直觀地從測試數據中發現問題，驗證仿真模型的正確性，選擇最優的聲學材料的鋪覆降噪方案。但直接將全尺寸整流罩作為試驗對象進行分析需要耗費很多資源難以實現，因此先建立整流罩的縮比模型，分析其固有聲振特征，研究不同降噪材料的降噪原理及效果，最終在真實整流罩上進行降噪試驗。其中研究降噪材料特性的方法主要包括混響室法和阻抗管法。

混響室噪聲環境實驗是研究噪聲性能的重要實驗方法。如圖8 所示，實驗系統包括：整流罩縮比模型、聲源系統、聲學測試系統［27］。整流罩縮比模型應放置在密閉的場所進行實驗，在其外表面安裝多個傳聲器用于測試內外聲場數據，聲源需與整流罩有一定的距離，使得到達整流罩表面的聲波趨于平穩，可視為聲波近似均勻地輻射到整流罩表面，此時傳聲器的數據保持穩定，該密閉場所符合混響室的試驗條件。楊樹濤［36］在4 000 m3的混響室中進行整流罩上的降噪材料研究，在內壁鋪覆泡沫和芳綸棉材料進行降噪試驗，結果顯示在500 Hz 以上的中高頻段的聲壓級可降低5～10 dB，與兩種材料的吸聲系數測試數據規律吻合，證明了混響室實驗的可行性。

圖8 混響室法進行整流罩縮比件的降噪試驗［27］Fig.8 Noise reduction test of fairing scale parts by reverberation chamber method［27］

混響室法測得的是無規入射吸聲系數，要求較大面積的測試樣品，而阻抗管法可精確測試材料的法向入射吸聲系數和法向聲阻抗率，且試樣面積較小，容易制作，便于對材料吸聲特性的快速研究。國際標準化組織ISO 制定了阻抗管法的ISO10534-2［37］，測試聲學材料的吸聲系數和阻抗。如圖9所示，阻抗管法實驗系統由阻抗管、信號發生器、放大器、聲源、傳聲器和頻率分析器組成，主要采用傳遞函數測量法計算［38］，先選定阻抗管中的兩點進行聲壓測試，再計算兩點之間的傳遞函數，由此獲取聲學材料的吸聲系數。王遠通過阻抗管法測量了泡沫、巖棉、玻璃棉等吸聲材料的垂直入射吸聲系數［39］，得出吸聲材料的垂直入射吸聲系數隨頻率升高而增大，在高頻段吸聲性能最佳。

圖9 阻抗管法測試原理［38］Fig.9 Test principle of impedance tube method［38］

3 結語

本文對國內外運載火箭整流罩降噪材料的降噪原理、工程應用等進行了總結分析，并對各個頻段下降噪材料的選擇和分析方法及過程進行了詳細闡述。目前在整流罩高頻降噪領域中吸聲材料降噪效果明顯，在低頻降噪領域中亥姆霍茲共鳴器吸聲結構表現優異；聲場分析方法常采用有限元法和統計能量法分別分析低頻和高頻域，采用混合法分析中頻域。

國外在整流罩降噪技術方面的研究比較成熟，針對整流罩的材質已經有了相應的降噪材料設計方案，在部分運載型號中已經經過驗證并批量使用。國內在整流罩降噪方面的研究起步較晚，在該領域和發達國家仍有一定差距，降噪材料的方案可行性還處于論證階段。隨著我國火箭運載能力的逐漸提升，對改善整流罩內聲振環境的重視度也與日俱增。基于當下的研究狀況和日后的發展方向，對整流罩降噪材料研究的建議如下。

（1）發掘新型降噪材料。降噪材料種類眾多，材料基本性能和結構的各異也造成了其在降噪領域機理和效果的差異。目前成熟的降噪材料雖然眾多，但都不能完全滿足寬頻降噪的需求，因此發掘有潛力的新型降噪材料，可為整流罩降噪方面的選材提供有力參考，對整流罩的降噪技術研究意義重大。

（2）探究降噪材料的協同使用方案。火箭在執行發射任務時，整流罩的聲振環境較為復雜，產生的噪聲頻域極廣，采用個別降噪材料很難滿足各個頻段降噪的要求，不能將其在全頻域的降噪效果最大化。將多孔吸聲材料、共振吸聲材料、阻尼材料等組合使用，設計合理的組合比例和鋪覆結構能實現全頻段的大幅降噪。同時，針對整流罩的材質及有效載荷的特殊需求，靈活選擇相適應的降噪材料，實現對整流罩內聲場環境的有效改善。

（3）開展真實全尺寸整流罩的噪聲實驗研究。大量的仿真分析研究為實際工程應用提供了理論支撐和指導方案，但即使再精確的仿真分析也會和實際情況有所誤差，開展全尺寸整流罩的噪聲實驗能最大程度上還原火箭飛行過程中的噪聲環境，是驗證降噪材料設計方案的最有效辦法，也為后續整流罩降噪方面的改良和優化提供直觀的指導價值。