武 耀，馮咬齊,2，馮國松，楊 江，魏 博

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所； 2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：北京 100094）

0 引言

隨著載人航天技術(shù)的發(fā)展和空間實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究的展開，航天器規(guī)模不斷擴(kuò)大，航天員在軌時(shí)間不斷延長。空間站要為航天員提供宜居的生活和工作環(huán)境[1]。噪聲是空間站的重要環(huán)境因素之一：長時(shí)間持續(xù)、過度的噪聲環(huán)境會(huì)影響航天員的睡眠質(zhì)量，使航天員極易感到疲勞，導(dǎo)致其工作效率下降[2]；此外，噪聲還會(huì)給航天員之間的溝通交流帶來障礙，更嚴(yán)重的會(huì)造成航天員聽力損傷甚至失聰。因此，航天醫(yī)學(xué)組織對空間站提出了噪聲控制指標(biāo)[3]，要求空間站研制中須對艙內(nèi)噪聲水平進(jìn)行預(yù)測、評估以及合理的控制[4]。

降噪的常用方法是將吸聲材料鋪設(shè)到物體表面，空間站同樣可通過此方法來降低艙內(nèi)的噪聲[5]。鋪設(shè)吸聲材料時(shí)，通常要先運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行效果預(yù)估，然后進(jìn)行實(shí)際噪聲測試，最后根據(jù)測試結(jié)果對方案反復(fù)迭代得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果。然而，對空間站而言，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，不能輕易更換吸聲材料，在某些階段又不具備噪聲測試的條件，故很難通過測試的方式進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)。因此，設(shè)計(jì)前的降噪效果預(yù)測評估顯得十分重要且必要。

依托于經(jīng)驗(yàn)公式的噪聲評估方法應(yīng)用于空間站具有極大的不確定性，一方面，空間站內(nèi)部結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，經(jīng)驗(yàn)公式很難預(yù)估準(zhǔn)確；另一方面，由于空間站對載荷及內(nèi)部空間的特殊需求，通常需要綜合運(yùn)用一種材料的吸聲、隔聲兩方面性能來進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)，這會(huì)使噪聲預(yù)估誤差增大。

為使降噪效果評估更準(zhǔn)確，本文以聲學(xué)有限元分析為手段，研究利用仿真方法進(jìn)行空間站吸聲降噪效果評估。直接應(yīng)用空間站整器進(jìn)行研究具有很多不便，因此本文首先建立空間站核心艙縮比結(jié)構(gòu)，以此為研究對象，根據(jù)空間站的聲學(xué)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，研究適用于空間站的吸聲設(shè)計(jì)仿真評估建模方法；然后根據(jù)實(shí)際情況選取評估位置，兼顧吸聲材料吸聲、隔聲兩方面的性能，利用試驗(yàn)結(jié)果來驗(yàn)證仿真模型；最后應(yīng)用經(jīng)過驗(yàn)證的仿真模型，對幾種空間站可用的不同性質(zhì)的吸聲材料在空間站縮比結(jié)構(gòu)中的降噪效果進(jìn)行定量評估。

1 空間站縮比模擬結(jié)構(gòu)

為了便于研究，并且更接近真實(shí)的空間站內(nèi)部環(huán)境，建造了空間站的1/3縮比模擬結(jié)構(gòu)（如圖1[6]所示）進(jìn)行研究?？s比模擬結(jié)構(gòu)的主體為鋁板圍成的筒狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部由骨架支撐。真實(shí)空間站結(jié)構(gòu)中核心艙中央為方形的人行通道，人行通道的壁面與筒壁圍成的空間為儀器設(shè)備艙。在縮比模擬結(jié)構(gòu)中，同樣在中間設(shè)置方形的人行通道，人行通道的四壁可以通過骨架固定，壁板用螺栓與骨架固定，可方便拆卸。主體結(jié)構(gòu)上部設(shè)計(jì)有金屬蓋板，外部設(shè)計(jì)有方便整體吊裝的吊耳。如圖2所示，模擬結(jié)構(gòu)分為上艙段和下艙段，在下艙段與上艙段的交接部分設(shè)計(jì)了1個(gè)聲源模擬儲(chǔ)存艙，模擬儀器設(shè)備的安裝位置。儲(chǔ)存艙由穿孔率大于20%的穿孔板圍成，其內(nèi)部既便于固定吸聲材料又可承載聲源模擬發(fā)聲器。

圖1 空間站縮比模擬結(jié)構(gòu)Fig.1 The 1/3-scaled module of space station

圖2 縮比結(jié)構(gòu)內(nèi)部示意Fig.2 The interior layout of the 1/3-scaled module

縮比結(jié)構(gòu)內(nèi)部根據(jù)空間站的實(shí)際情況布置吸聲材料（三聚氰胺泡沫）：將30 mm厚的吸聲材料固定于骨架之上，直接圍成方形的人行通道；在上艙段筒壁內(nèi)側(cè)鋪設(shè)30 mm厚吸聲材料；在聲源模擬儲(chǔ)存艙的穿孔板上鋪設(shè)30 mm厚吸聲材料。

2 降噪效果仿真

理想連續(xù)介質(zhì)中聲場的基本控制方程為Helmholtz方程[7]

式中：p為聲壓；k0=ω/c0為波數(shù)，ω為角頻率，c0為介質(zhì)中的聲速。

在工程中常采用數(shù)值計(jì)算的辦法來求解此方程，聲學(xué)有限元法是其中最常用的方法。在應(yīng)用有限元法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，首先將聲場分成若干單元，單元之間通過一定數(shù)量的頂點(diǎn)相互連接，求解各節(jié)點(diǎn)上的聲壓可得到單元內(nèi)任意點(diǎn)的聲壓。為滿足求解精度，離散時(shí)單元的尺寸要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于彈性波的波長[8]。

建立圖1所示縮比結(jié)構(gòu)的聲學(xué)有限元模型，如圖3所示。除吸聲材料外，其余介質(zhì)為常溫常壓下的空氣以及外表面剛性壁。

圖3 縮比結(jié)構(gòu)的聲學(xué)有限元模型Fig.3 Acoustic FEM model of the 1/3 scale module

在仿真分析中，可以用吸聲系數(shù)、聲阻抗等來表征吸聲材料的吸聲特性。根據(jù)空間站的特點(diǎn)，為能真實(shí)反映吸聲材料在實(shí)際工作中的吸聲、隔聲兩方面特性，本方法對吸聲材料進(jìn)行精細(xì)化建模，模型中包含材料的實(shí)際厚度、流阻率、孔隙率等基本物理屬性。吸聲材料內(nèi)外表面均為空氣介質(zhì)，實(shí)體結(jié)構(gòu)直接與空氣相連。圖4為仿真模型中的吸聲材料（三聚氰胺泡沫），主要分布在縮比結(jié)構(gòu)內(nèi)表面、人行通道四壁以及聲源模擬儲(chǔ)存艙壁穿孔板等處。該材料的密度為 8.8 kg/m3，流阻率為 10 900 N·s·m-4，孔隙率為0.99。

圖4 吸聲材料的有限元模型Fig.4 Acoustic FEM model of the sound-absorbing material

對圖3所示模型采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，遵循1個(gè)波長內(nèi)至少6個(gè)單元的原則。圖5為模型單元最高計(jì)算頻率云圖，不同顏色代表單元的最高計(jì)算頻率。可以看出，大部分單元的計(jì)算頻率在500 Hz以上，因此用該模型進(jìn)行500 Hz以內(nèi)的噪聲計(jì)算是可行的。

圖5 縮比模型的單元最高計(jì)算頻率云圖Fig.5 The maximum computation frequency of the FEM elements

對于空間站而言，主要噪聲源在儀器設(shè)備位置，人員主要活動(dòng)在人行通道中，因此，在仿真模型中3個(gè)典型位置布置了測點(diǎn)，用來評價(jià)降噪設(shè)計(jì)的降噪效果。如圖6所示，測點(diǎn)位置分別為：測點(diǎn)1在聲源模擬儲(chǔ)存艙內(nèi)靠近聲源的位置；測點(diǎn)2在人行通道中心區(qū)域，與測點(diǎn)1等高；測點(diǎn)3也在人行通道中心區(qū)域，高度在縱軸線的中心偏上位置。

用單級(jí)子聲源來模擬空間站設(shè)備噪聲，將其設(shè)置在模型的聲源模擬儲(chǔ)存艙中，如圖7中白色點(diǎn)所示。為貼近實(shí)際情況，選取空間站中某單機(jī)的實(shí)測噪聲頻譜為聲源輸入譜，如表1所示。

通過計(jì)算，獲得3個(gè)測點(diǎn)的聲壓級(jí)響應(yīng)，如表2所示。

圖6 仿真模型中的噪聲測點(diǎn)位置Fig.6 Measurement points for the FEM acoustic model

表1 空間站單機(jī)噪聲頻譜Table 1 Noise frequency spectrum of a typical equipment in space station

表2 各位置測點(diǎn)的噪聲仿真預(yù)測結(jié)果Table 2 Noise spectrum analysis at three measurement points

通過仿真預(yù)測結(jié)果可以看出，人行通道中2個(gè)測點(diǎn)的總聲壓級(jí)分別比聲源模擬艙內(nèi)聲源附近測點(diǎn)的總聲壓級(jí)降低了17.3 dB和25.8 dB。另外，人行通道中測點(diǎn)的頻譜與聲源頻譜的表現(xiàn)特征一致，在250 Hz和500 Hz兩頻段內(nèi)的聲壓級(jí)相對較高。

3 仿真模型的地面試驗(yàn)驗(yàn)證

利用空間站某單機(jī)噪聲頻譜作為輸入，在地面針對空間站縮比模擬結(jié)構(gòu)開展了噪聲模擬試驗(yàn)來驗(yàn)證仿真分析模型。

如圖8所示，根據(jù)仿真模型中的測點(diǎn)位置，在縮比模型艙內(nèi)對應(yīng)布置了3個(gè)噪聲傳感器來測量目標(biāo)場點(diǎn)的聲壓響應(yīng)，在聲源模擬儲(chǔ)存艙當(dāng)中放置一個(gè)電喇叭來模擬仿真模型中的單級(jí)子聲源，電喇叭通過導(dǎo)線連至外部功放再連接至外部控制系統(tǒng)。

圖8 縮比模型艙內(nèi)的聲傳感器及模擬聲源Fig.8 The location of micophones and the noise source in the 1/3-scaled module

控制系統(tǒng)按表2所示的空間站單機(jī)噪聲頻譜對聲源進(jìn)行開環(huán)控制，降噪效果的測試結(jié)果見表3。表3中數(shù)據(jù)顯示：人行通道中2個(gè)傳感器的聲壓頻譜與聲源頻譜特征一致，在250 Hz和500 Hz頻段內(nèi)量級(jí)相對較高，與仿真分析所揭示的規(guī)律一致；在三聚氰胺泡沫吸聲、隔聲綜合作用下，人行通道中2個(gè)測點(diǎn)的全頻段總聲壓級(jí)較儲(chǔ)存艙內(nèi)部的聲源分別降低了17.8 dB和26.9 dB，與仿真結(jié)果基本吻合。

表3 降噪效果的仿真結(jié)果與試驗(yàn)測量結(jié)果對比Table 3 Comparison of noise responses between simulation and test results

3個(gè)測點(diǎn)總聲壓級(jí)的仿真與測量結(jié)果間的誤差分別為1.6、1.1、0.5 dB，各個(gè)倍頻程頻帶聲壓級(jí)的仿真與測量結(jié)果間的誤差除了個(gè)別頻帶外均在2 dB以內(nèi)。對于個(gè)別頻帶聲壓級(jí)誤差較大的原因，有待進(jìn)一步的深入研究。

綜上，仿真方法評估結(jié)果與地面試驗(yàn)測量結(jié)果所揭示的規(guī)律具有較好的一致性，驗(yàn)證了該空間站吸聲降噪效果仿真評估模型的準(zhǔn)確性和適用性。

4 吸聲材料降噪效果預(yù)估

利用第2章給出的仿真模型，對空間站可用的幾種不同性質(zhì)吸聲材料的降噪效果進(jìn)行預(yù)估。預(yù)估過程中，聲源輸入頻譜不變，模型中的吸聲材料分別為澆注泡沫、聚酯泡沫、聚氨酯泡沫和塑料泡沫，吸聲材料厚度為30 mm。以安裝吸聲材料后測點(diǎn)2、測點(diǎn)3的聲壓級(jí)變化為參考，分析這4種吸聲材料的降噪效果。幾種吸聲材料的物性參數(shù)如表4所示。

表4 不同吸聲材料的物性參數(shù)Table 4 Physical properties of sound-absorbing materials

鋪設(shè)不同吸聲材料后，聲源及人行通道內(nèi)測點(diǎn)的噪聲仿真預(yù)估結(jié)果分別如表5及表6所示。

表5 不同吸聲材料的物性參數(shù)Table 5 The noise level in the source area after applying the materials listed

表6 鋪設(shè)不同吸聲材料后人行通道測點(diǎn)處噪聲仿真預(yù)估Table 6 The noise level in the core area after applying the materials listed

由表5可以看出，對于聲源儲(chǔ)存艙內(nèi)的測點(diǎn)，鋪設(shè)幾種吸聲材料后總聲壓級(jí)變化不明顯。由表6可以看出：

1）對于人行通道中心與聲源在同一高度的測點(diǎn)（測點(diǎn)2）附近區(qū)域，幾種吸聲材料在31.5 Hz以及63 Hz處的降噪效果相近；125 Hz處聚氨酯泡沫的降噪效果稍好；在250 Hz以及500 Hz處塑料泡沫的降噪效果最為明顯，其次為澆注泡沫，其他幾種材料的降噪效果相近。

2）對于人行通道中心區(qū)域（測點(diǎn)3），與測點(diǎn)2略有不同，不同吸聲材料的降噪效果在63 Hz頻段已出現(xiàn)區(qū)別，塑料泡沫略好于其他材料；當(dāng)聲源頻率高于125 Hz后，除聚氨酯泡沫外，其他幾種材料的降噪效果趨同，由強(qiáng)到弱依次為塑料泡沫、澆注泡沫、聚酯泡沫、三聚氰胺泡沫。

對總聲壓級(jí)進(jìn)行分析可以看出，在吸聲、隔聲綜合作用下，幾種材料均具有降低噪聲的效果。塑料泡沫對人行通道內(nèi)兩測點(diǎn)處的降噪效果最為明顯，分別降低了25.9 dB以及32.3 dB。

綜上所述，該模型中塑料泡沫材料的降噪效果最好，其次是澆注泡沫，其他幾種材料的降噪效果相當(dāng)。而從材料的物性數(shù)據(jù)還可以看出，澆注泡沫的密度要低于其他幾種材料，即相同體積的澆注泡沫的質(zhì)量會(huì)更小。

5 結(jié)束語

本文以空間站縮比模擬結(jié)構(gòu)為對象，針對空間站特點(diǎn)利用聲學(xué)有限元法進(jìn)行吸聲降噪設(shè)計(jì)效果仿真評估。首先研究適用于空間站的吸聲降噪設(shè)計(jì)聲學(xué)有限元建模方法，通過細(xì)化吸聲材料建模的方式來實(shí)現(xiàn)對材料吸聲、隔聲兩種特性綜合作用下的降噪效果評估；然后通過地面噪聲試驗(yàn)測試，驗(yàn)證了仿真評估模型的準(zhǔn)確性；最后利用仿真模型預(yù)估方法對幾種不同性質(zhì)的空間站吸聲材料的降噪效果進(jìn)行了對比分析，評估了不同吸聲材料的降噪效果，可為空間站的聲學(xué)設(shè)計(jì)提供借鑒。

由于縮比結(jié)構(gòu)與空間站的真實(shí)結(jié)構(gòu)還存在差異，若要更精確地定量評估吸聲材料在空間站整器中的降噪效果，還需根據(jù)整器的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，利用本文所研究的建模方法建立整器的仿真分析模型做進(jìn)一步的分析。本文的研究工作為預(yù)先定量評估空間站吸聲降噪設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，方法與所得結(jié)果具有一定的工程意義。