萬任新，張振龍*，楊曉超，湯曉忱，沈旭晨，尹 銚

（1.中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 101499；3.北京科奧克聲學(xué)技術(shù)有限公司，北京 100086；4.中國科學(xué)院 聲學(xué)研究所，北京 100190）

0 引言

深空探測尤其是對太陽系其他行星的探測是未來航天計劃的重要組成部分[1]，行星大氣使聲波傳播成為可能，聲波中蘊含著大量的大氣成分、大氣分布及運動、氣候、行星內(nèi)部活動等信息，因此聲探測技術(shù)對了解行星環(huán)境具有十分重要的科學(xué)意義。目前我國火星探測任務(wù)已完成“繞、落、巡”，木星系及行星際穿越探測進入關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與方案深化論證階段[2]，水星探測也有了規(guī)劃，因此需要提前布局并建立相應(yīng)的行星環(huán)境地面模擬裝置。

丹麥奧爾胡斯大學(xué)為服務(wù)于ESA 的火星探測計劃研制了火星風(fēng)洞，能夠模擬火星表面的溫度、氣體組分、壓力、風(fēng)速和懸浮塵埃粒子等[3-4]。北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所在KM3E 內(nèi)部增加環(huán)狀回流式風(fēng)洞等，使其具備火星表面風(fēng)場、氣體溫度、氣體成分、壓力等綜合熱環(huán)境模擬條件[5]。中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心正在研制行星大氣聲探測平臺，該平臺除具備在成分、壓力、風(fēng)速等方面模擬行星大氣環(huán)境的能力外，首次將聲學(xué)測試環(huán)境模擬能力集成到裝置中，而聲學(xué)風(fēng)洞吸聲材料的選用對該平臺聲學(xué)測試環(huán)境消聲能力的構(gòu)建至關(guān)重要。目前，聲學(xué)風(fēng)洞吸聲材料在常溫常壓條件下的應(yīng)用已比較成熟[6-8]，在低壓低溫環(huán)境下的應(yīng)用尚未見報道。行星大氣聲探測平臺中吸聲材料的實際使用需要經(jīng)歷高真空后在低壓（700 Pa）低溫環(huán)境下，因此，需要摸索到底選用哪種材料最合適，在材料選用上需重點關(guān)注其耐低溫性能、在200～6300 Hz 頻率范圍內(nèi)的吸聲性能以及在高真空下的放氣率。

材料吸聲性能通常以吸聲系數(shù)表征，一般材料的吸聲系數(shù)α在0～1 之間，吸聲系數(shù)越大表明材料的吸聲性能越好[9]。材料的平均吸聲系數(shù)取其在125、250、500、1000、2000、4000 Hz 這6 個倍頻程中心頻率吸聲系數(shù)的算術(shù)平均值，吸聲材料的平均吸聲系數(shù)＞0.2[10-11]。在常溫常壓下纖維類吸聲材料通常具有良好的吸聲性能[12-13]。經(jīng)過大量的吸聲系數(shù)測試，本文以平均吸聲系數(shù)＞0.5 為標(biāo)準(zhǔn)挑選3 種纖維類候選材料，經(jīng)對比試驗確定1 種材料作為聲學(xué)風(fēng)洞吸聲材料，并驗證其應(yīng)用于行星大氣聲探測平臺聲學(xué)風(fēng)洞的可行性。

1 聲學(xué)風(fēng)洞吸聲材料選用要求

行星大氣聲探測平臺主要由真空系統(tǒng)和聲學(xué)風(fēng)洞2 部分組成，真空系統(tǒng)的功能是對行星大氣壓力、溫度及氣體成分等進行環(huán)境模擬，聲學(xué)風(fēng)洞的功能是對風(fēng)場和聲學(xué)測試環(huán)境進行模擬。聲學(xué)風(fēng)洞須背景噪聲低，尺寸足夠大（可進行遠場聲測量），無聲反射[14]。聲學(xué)風(fēng)洞主要由進口轉(zhuǎn)彎段、穩(wěn)定段、消聲室試驗段及風(fēng)扇段等構(gòu)成，詳見圖1。本文討論的吸聲材料主要用于聲學(xué)風(fēng)洞消聲室試驗段。

圖1 聲學(xué)風(fēng)洞結(jié)構(gòu)Fig.1 Acoustic wind tunnel structure

1.1 吸聲材料選用要求

1）行星環(huán)境模擬裝置應(yīng)具備截止頻率200 Hz、背景噪聲低于10 dB(A)的自由聲場空間。因此聲學(xué)風(fēng)洞吸聲材料在200～6300 Hz 頻段內(nèi)的吸聲系數(shù)α越大越好。

2）行星環(huán)境模擬裝置需要模擬行星表面大氣成分、壓力等，以火星為例，裝置模擬火星大氣的配氣比例為二氧化碳95.68%、氮氣2.71%、氬氣1.61%，工作壓力為700 Pa。要保證并維持一定的配氣精度，需要先將裝置內(nèi)真空度抽至10-3Pa 量級，然后采用流量比混合法對裝置充氣。因此聲學(xué)風(fēng)洞吸聲材料需經(jīng)歷10-3Pa 量級高真空環(huán)境后在700 Pa 低壓環(huán)境下使用。聲速c與環(huán)境壓力的1/2次方成正比，故低壓環(huán)境下聲速降低、波長變短，對材料的吸聲和消聲更為有利，因此主要考慮在高真空環(huán)境下吸聲材料的放氣影響，放氣率越小越好。

3）火星、木星等行星表面的平均溫度低，因此行星環(huán)境模擬裝置支持-170 ℃低溫環(huán)境模擬，而本文初選的3 種纖維類候選材料的廠家推薦最低使用溫度僅為-90 ℃，極限使用低溫需要進一步探索。同時，研究表明材料吸聲系數(shù)和溫度相關(guān)，在一定壓力下溫度變化會使材料表面的聲阻抗等發(fā)生變化，進而導(dǎo)致其吸聲系數(shù)變化[15]。因此，聲學(xué)風(fēng)洞吸聲材料需滿足經(jīng)歷-170 ℃低溫后吸聲性能在200～6300 Hz 頻段內(nèi)不受影響。

4）低溫易使纖維類吸聲材料變脆，因此吸聲材料需滿足在真空低溫環(huán)境下聲學(xué)風(fēng)洞內(nèi)部風(fēng)機轉(zhuǎn)動不會使其脆化掉渣，以防止給裝置環(huán)境帶來污染。

1.2 對比試驗設(shè)計

通常在溫度越低的條件下材料越脆，為驗證吸聲材料在-170 ℃下是否會由于低溫脆性喪失吸聲性能，分別對3 種纖維類候選材料（部分參數(shù)見表1）放入-196 ℃液氮罐浸透后再次測試其吸聲系數(shù)。通過真空抽氣時間測試和液氮冷凍前/后吸聲系數(shù)測試結(jié)果的對比來分析確定選取聲學(xué)風(fēng)洞吸聲材料。對比試驗設(shè)計詳見圖2。

表1 3 種纖維類候選材料Table 1 Three fiber candidate materials

圖2 候選吸聲材料對比試驗設(shè)計Fig.2 Comparative experimental design of candidate soundabsorbing materials

2 3 種材料對比試驗的測試結(jié)果分析

2.1 吸聲系數(shù)測試及結(jié)果分析

在常溫常壓下將3 種候選材料分別制成厚度為200 mm，直徑為100 mm 和29 mm 的2 種尺寸的試驗樣品，采用阻抗管傳遞函數(shù)法進行測試，依據(jù)阻抗管吸聲測試系統(tǒng)雙傳聲器的傳遞函數(shù)可得到候選材料的吸聲系數(shù)[16]。傳遞函數(shù)是系統(tǒng)輸入與輸出間的固有特性，測量2 個傳聲器的復(fù)聲壓，根據(jù)傳聲器間距和傳聲器與試件的間距計算傳聲器之間的復(fù)傳遞函數(shù)，得到試件的法向入射吸聲系數(shù)[17]。為覆蓋吸聲系數(shù)的測試頻段200～6300 Hz，本文使用以下2 種阻抗管進行測試：

1）阻抗管1——直徑100 mm，管長900 mm；傳聲器1 與試件間距L1=100 mm，傳聲器1 與傳聲器2間距L2=50 mm，吸聲系數(shù)測試范圍50～1600 Hz。

2）阻抗管2——直徑29 mm，管長1050 mm；傳聲器1 與試件間距L1=35 mm，傳聲器1 與傳聲器2間距L2=20 mm，吸聲系數(shù)測試范圍500～6300 Hz。

阻抗管吸聲測試系統(tǒng)主要由多通道聲分析儀、電容傳聲器、聲級校準(zhǔn)器、音頻功率放大器以及駐波管級阻抗管等構(gòu)成，如圖3 所示。

圖3 阻抗管吸聲測試系統(tǒng)Fig.3 Impedance tube sound absorption test system

3 種纖維類候選材料的吸聲系數(shù)測試結(jié)果見圖4，可以看到，在200～6300 Hz 頻率范圍內(nèi)，碳化聚丙烯腈纖維預(yù)氧絲棉的吸聲性能優(yōu)于其余2 種候選材料。

圖4 3 種纖維類候選材料的吸聲系數(shù)對比Fig.4 Comparison of sound absorption coefficients of three candidate fiber materials

為考察候選吸聲材料在-170 ℃環(huán)境下的吸聲性能，將候選材料樣品分別放入液氮罐冷凍，確保其被-196 ℃液氮浸透后再次測試其吸聲系數(shù)，并將測試結(jié)果與液氮冷凍前的吸聲系數(shù)測試結(jié)果進行對比，詳見圖5。結(jié)果顯示，在200～6300 Hz 頻率范圍內(nèi)，碳化聚丙烯腈纖維預(yù)氧絲棉和無膠長纖維白色玻璃棉在液氮冷凍前/后的吸聲系數(shù)無明顯變化，納米纖維棉在液氮冷凍后吸聲性能更佳。這表明，-196 ℃低溫沒有改變候選吸聲材料原有結(jié)構(gòu)，未使其喪失原有的吸聲性能，即候選材料均能耐受-196 ℃低溫環(huán)境。

圖5 三種吸聲材料液氮冷凍前/后吸聲系數(shù)對比Fig.5 Comparison of sound absorption coefficient of three soung-absorbing materials before/after liquid nitrogen freezing

2.2 真空抽氣時間測試及結(jié)果分析

在不考慮系統(tǒng)漏氣的情況下，高真空的抽氣時間主要由材料的放氣速率決定，一般材料的放氣速率呈指數(shù)衰減，使得抽氣時間也隨之呈指數(shù)延長[18]。對比3 種候選材料的抽氣時間，抽氣時間越短說明該種材料放氣速率越低，更適合于經(jīng)歷高真空環(huán)境后在低壓環(huán)境下使用。分別取相同質(zhì)量的3 種纖維類候選材料置于同一真空系統(tǒng)進行真空抽氣時間測試，分別測試從常壓下抽真空至1.0 Pa 和1.3×10-3Pa的抽氣時間。測試采用KM1200-1500 熱真空試驗系統(tǒng)，容器尺寸為?1.2 m×1.5 m（直段），抽真空系統(tǒng)含1 臺160 m3/h 的螺桿干泵和1 臺2000 L/s 的分子泵，極限真空度為5.0×10-5Pa。

三種纖維類候選材料的真空抽氣時間測試結(jié)果詳見表2。可以看到，碳化聚丙烯腈纖維預(yù)氧絲棉的抽真空時間明顯長于另外2 種候選材料的，表明其相較另外2 種材料，在真空下的放氣速率偏大，不適于在真空/低壓環(huán)境下使用。

要鼓勵學(xué)生“說”書。學(xué)生圍繞著課外書討論，這是教師非常期盼的事情，教師要鼓勵學(xué)生發(fā)表對課外書的看法。針對最近閱讀的課外書、讀過的最喜歡的課外書或者是最討厭的課外書，學(xué)生很有話說。有時，學(xué)生不由自主地由課外書談到了自己的生活、自己的趣事，這也是可以的，教師不必立即制止，更不能批評，否則會棒殺孩子談?wù)搱D書的熱情和興趣。艾登·錢伯斯認(rèn)為，孩子在討論圖書中的“任何意見都彌足珍貴，即便是沒有道理可講的直覺或猜測”，如“我不知道”和“我猜的”。是的，在學(xué)生交流課外書這件事情上，學(xué)生是要夸的。學(xué)生能大膽地“說”書了，這就是成功。

表2 3 種纖維類候選材料抽氣時間對比Table 2 Comparison of pumping time with regard to three candidate fiber materials

2.3 小結(jié)

綜合對比試驗結(jié)果，3 種候選材料均具備耐低溫性能，碳化聚丙烯腈纖維預(yù)氧絲棉的吸聲性能優(yōu)于另外2 種候選材料，但由于其在真空下的放氣率過大，不適用于經(jīng)歷真空環(huán)境后的低壓環(huán)境。對比另外2 種材料，無膠長纖維白色玻璃棉的吸聲性能和抽氣時間均優(yōu)于納米纖維棉，因此，本文最終選定無膠長纖維白色玻璃棉為聲學(xué)風(fēng)洞吸聲材料。

3 驗證試驗及結(jié)果分析

為驗證選定材料應(yīng)用于行星大氣聲探測平臺的實際效果，采用KM2-Y 真空試驗系統(tǒng)進行驗證試驗。

3.1 確定驗證試驗對象質(zhì)量

材料在真空下的污染量和質(zhì)量密切相關(guān)，因此需根據(jù)實際使用吸聲材料質(zhì)量縮比計算驗證試驗用吸聲材料質(zhì)量。行星環(huán)境模擬裝置有效空間為?4.2 m×10 m（直段），有效抽速Sp,valid=6047×6 (L/s)，實際需要吸聲材料質(zhì)量為200 kg 左右。KM2-Y 真空試驗系統(tǒng)有效空間為?1.8 m×2.0 m（直段），極限真空度為8.6×10-6Pa，溫度范圍-180～180 ℃，有效抽速Sp,valid=5700 L/s。在高真空條件下，

式(1)～式(4)中：Q為真空容器內(nèi)的氣體負載；P為真空容器內(nèi)的真空度；Q1為真空容器和熱沉內(nèi)表面吸附及溶解氣體的解析釋放總量；Ai為容器內(nèi)第i種材料的表面積，cm2；qi為容器內(nèi)第i種材料的表面放氣率，Pa·L/(s·cm2)；M為吸聲材料的質(zhì)量；ρ為吸聲材料的密度；S為吸聲材料的底面積；h為吸聲材料的厚度；Q2為真空容器的漏率。

式(2)中Q1只考慮容器內(nèi)吸聲材料的放氣，熱沉放氣量極小不予考慮。行星大氣模擬裝置和KM2-Y 熱真空環(huán)境模擬系統(tǒng)均為設(shè)計制作良好的真空容器，取Q2=5×10-4Pa·L/s。式(3)中吸聲材料表面積只考慮其底面積S，吸聲材料厚度很小不予考慮。吸聲材料的密度ρ和厚度h在驗證試驗和實際使用中是一致的。結(jié)合式(1)～式(4)可得出驗證試驗對象的質(zhì)量為30 kg 左右。

3.2 驗證試驗及結(jié)果分析

為了防止選定材料脆裂掉渣，在實際使用中吸聲材料需包裹400 目304 不銹鋼網(wǎng)。將包裹好的試驗對象放置于真空系統(tǒng)內(nèi)部平臺，見圖6。由于30 kg無膠長纖維白色玻璃棉的體積過大，導(dǎo)致其與設(shè)備內(nèi)紅外加熱籠加熱片接觸，為防范安全風(fēng)險，將試驗溫度設(shè)定為常溫（無須加熱），用石英晶體微量天平監(jiān)測試驗過程污染量，試驗要求為：在真空度優(yōu)于6.65×10-3Pa 的常溫環(huán)境下，連續(xù)監(jiān)測24 h 后的有機物污染量不應(yīng)大于1.0×10-7g/cm2。

圖6 放置在真空試驗系統(tǒng)內(nèi)的30 kg 無膠長纖維白色玻璃棉Fig.6 30 kg non-adhesive long fiber white glass wool placed in a vacuum test system

除了研究吸聲材料放氣的污染量影響外，本文還設(shè)計了一個振動模擬裝置，在真空度優(yōu)于103Pa量級、-140 ℃低溫環(huán)境下模擬聲學(xué)風(fēng)洞風(fēng)機的轉(zhuǎn)動影響。結(jié)果表明，在真空低溫環(huán)境下所選定吸聲材料不會因為聲學(xué)風(fēng)洞風(fēng)機轉(zhuǎn)動而脆化掉渣，不會給行星模擬裝置帶來污染。

要說明的是，本行星環(huán)境模擬裝置主要模擬火星及木星大氣風(fēng)場，重點關(guān)注-140 ℃低溫環(huán)境，而-170 ℃屬極端情況，可待后續(xù)設(shè)備能力提升后再對選定吸聲材料在-170 ℃下開展相應(yīng)驗證試驗。

4 結(jié)束語

本文著眼于行星大氣聲探測平臺聲學(xué)風(fēng)洞中吸聲材料的應(yīng)用選材，在3 種纖維類候選吸聲材料基礎(chǔ)上，通過吸聲系數(shù)測試（耐低溫性能和真空抽氣時間測試）對比試驗確定無膠長纖維白色玻璃棉作為聲學(xué)風(fēng)洞優(yōu)選吸聲材料，并對該材料開展了真空常溫下污染量和真空低溫下振動影響驗證試驗，為行星大氣聲探測平臺聲學(xué)風(fēng)洞吸聲材料的選用提供了技術(shù)支撐。