基于多孔介质的整流罩降噪分析
摘要
运载火箭在发射升空阶段受到超过150dB的高声压激励，其恶劣的声振环境导致内
部的设备结构也受到整流罩内部声压场的影响。为防止内部零件损伤，必须降低整流罩
声腔的声压级。采用整流罩内壁贴附多孔陶瓷纤维材料，可以极大地减少整流罩内部的
噪声，利用随机纤维建模方法，对多孔纤维进行微观结构的重构，生成三维随机微观几
何模型，通过有限元计算纤维直径及孔隙率对三维随机结构的吸声性能和隔声性能的影
响，从而为多孔陶瓷纤维材料设计提供参考。
本文首先基于声振耦合理论的声学仿真研究，进行结构的隔声量的计算。采用随机
纤维生成算法，对多孔陶瓷纤维材料进行三维随机微观几何重构，使用COMSOL软件，
分别应用低雷诺数黏性流动方程、非黏性流的惯性方程以及与热耗散相关的泊松方程，
对三维随机几何模型进行仿真求解，建立JCA声学等效模型，求解并得到结构模型的吸
声系数。仿真结果与实验数据吻合较好，验证了三维随机微观模型的准确性。
其次，根据纤维分布的随机性，以结构的纤维直径、孔隙率、纤维直径的分布、纤
维位置、纤维数量为随机变量，采用三维随机纤维结构的生成算法，着重讨论纤维直径
和孔隙率两个参数对结构宏观表现的吸声性能和隔声性能的影响。结果表明，多孔材料
的吸声性能随着孔隙率的升高而得到提升；而在相同孔隙率条件下，纤维直径的增大在
高频段可以提高材料的吸声性能，但是在低频段纤维直径越小吸声性能越好。而多孔纤
维材料的隔声性能主要与材料的流阻率相关，流阻率越大材料的隔声性能越好。
最后，本文采用有限元方法对整流罩内壁贴附的多孔纤维材料进行了的低频段降噪
仿真预测。对比分析了多孔纤维材料的纤维直径以及孔隙率对整流罩的降噪效果，从中
选择了两种降噪效果较好的材料，对比分析两种吸声材料对不同材质整流罩的降噪效果
影响。结果表明，对于同等壁厚的不同材质的整流罩，铺设多孔吸声材料的降噪效果受
整流罩结构材质影响较小，纤维直径为8μm孔隙率为94.5%的多孔材料能在低频对整流
罩结构起到最好的降噪效果。
关键词：整流罩；声学性能；多孔纤维材料；随机纤维结构
基于多孔介质的整流罩降噪分析
Abstract
Inthelaunchofthelaunchingstage,thecarrierrocketwasinspiredbymorethan150dB,
anditsharshacousticvibrationenvironmentcausedtheinternalequipmentstructuretobe
affectedbytheinternalsoundpressurefieldofthefairing.Inordertopreventdamagetothe
internalparts,thesoundpressurelevelofthefairingmustbereduced.Thenoiseinsidethe
fairingcanbegreatlyreducedbystickingporousceramicfibermaterialinsidethefairing.The
randomfibermodelingmethodisusedtoreconstructthemicrostructureofporousfibersand
generatethree-dimensionalrandommicrogeometrymodels.Theeffectsoffiberdiameterand
porosityonthesoundabsorptionandinsulationpropertiesofthree-dimensionalrandom
structureswerecalculatedbyfiniteelementmethod,whichprovidesareferenceforthedesign
ofporousce