李新明，張俊剛，楊 松，耿麗艷

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

1 引言

航天器在發(fā)射和飛行過程中經(jīng)受的火箭發(fā)動機(jī)噪聲和飛行氣動噪聲的激勵引起的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)，可造成結(jié)構(gòu)和有效載荷的過應(yīng)力或疲勞破壞，還可以造成星載設(shè)備的誤操作[1]，為此，需先在地面進(jìn)行噪聲環(huán)境的模擬試驗?；祉懯以囼炇悄壳跋鄬^好的聲試驗方法[2]。

為適應(yīng)我國航天事業(yè)的不斷發(fā)展，提高聲試驗的能力，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所新建了一個體積約1 000 m3的新混響室，其主要試驗對象是大、中型衛(wèi)星及其部組件，其設(shè)計最大總聲壓級為154 dB，譜成型能力應(yīng)大于148 dB。

新混響室在聲試驗?zāi)芰Α⒃囼灢僮髯詣踊矫娑加休^大程度的提高；鋼結(jié)構(gòu)混響室大門在國內(nèi)是首次應(yīng)用；新的控制系統(tǒng)提高了控制精度，優(yōu)化了控制界面，具備時域存儲和單通道實時顯示功能。

2 混響室本體

2.1 混響室結(jié)構(gòu)設(shè)計

混響室采用常見的六面體結(jié)構(gòu)。參考相關(guān)資料，六面體混響室理想的尺寸比例是1∶0.79∶0.63（或1∶0.82∶0.72）。對于體積為1 000 m3的混響室，其高約12 m，長約10 m，寬約8 m。依據(jù)上述尺寸比例及混響室固有頻率計算公式[2]lz為混響室邊長，m；nx、ny、nz為整數(shù)，n=0，1，2，……，n；c為介質(zhì)聲速，m/s），選擇多個參數(shù)進(jìn)行計算，在綜合考慮產(chǎn)品尺寸和低頻段模態(tài)分布情況的基礎(chǔ)上，最終選擇混響室尺寸為高 12 m、長10.5 m、寬8.5 m，總體積約為1 070 m3。圖1為混響室結(jié)構(gòu)示意圖。

混響時間T60可根據(jù)經(jīng)典公式[3]得到，式中：T60為混響時間，s；S為混響室面積，m3；V為混響室體積，m3；c為介質(zhì)聲速；α為建筑材料的吸聲系數(shù)，取 0.01；m為聲能衰變常數(shù)，取0.003。計算得1 070 m3混響室混響時間T60約為18.34 s。

圖1 混響室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of 1 070 m3 reverberation chamber

混響室墻體采用雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)墻整體采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墻厚0.5 m，內(nèi)墻與外墻基礎(chǔ)要分開，避免形成聲橋。在混響室頂部設(shè)置揚(yáng)聲器室，用于聲發(fā)生器和指數(shù)喇叭的安裝。為及時排除混響室內(nèi)的有害氣體并保證對環(huán)境不產(chǎn)生噪聲污染，在混響室頂部安裝消聲管道。

2.2 混響室大門設(shè)計

為了試驗件、測試儀器進(jìn)出混響室，在混響室一側(cè)開有7 m（高）×5 m（寬）的入口，采用推拉式鋼結(jié)構(gòu)整體大門。大門高7.6 m、寬5.6 m、厚0.5 m，總質(zhì)量約30 t，其剖面見圖2。大門行走機(jī)構(gòu)用來承載大門并實現(xiàn)大門的開啟與關(guān)閉，采用單軌兩輪支撐，其中一個為主動輪，另一個為從動輪。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)位于大門上端，起導(dǎo)向、定位作用，與行走機(jī)構(gòu)配合實現(xiàn)大門的開關(guān)。為了提高混響室密封性和大門的整體隔聲量，在大門與墻體重疊部分的墻體上安裝兩道氣胎式密封圈。試驗時，密封圈充氣膨脹并與大門緊密接觸，發(fā)揮密封、隔聲作用。密封圈泄氣后能自動收縮到墻壁上的安裝槽內(nèi)，不影響大門的開關(guān)。

大門隔聲量按雙層結(jié)構(gòu)近似計算[4]，

式中：R為大門平均隔聲量，dB；M1、M2為內(nèi)、外層質(zhì)量面密度，kg/m2；ΔR為中間空氣層產(chǎn)生的附加隔聲量，根據(jù)經(jīng)驗取10 dB。經(jīng)計算，混響室大門的隔聲量約為59.5 dB。

圖2 大門剖面圖Fig.2 Sectional view of the door

3 聲功率及聲壓級

根據(jù)聲功率計算公式

式中：P為聲功率，W；Lp為聲壓級；A為1 070 m3混響室表面積，m2；α為建筑材料的吸聲系數(shù)，取0.01。1 070 m3混響室采用4臺2×104W的聲發(fā)生器，總聲功率達(dá)到 8×104W，因此理論最大聲壓級可達(dá)到 160 dB。驗收調(diào)試時，最大聲壓級達(dá)到155 dB以上。

與聲發(fā)生器相對應(yīng)，在混響室頂部揚(yáng)聲器室安裝4個指數(shù)喇叭，截止頻率分別為40 Hz、100 Hz和160 Hz（兩個）。在混響室施工時，喇叭的出口段作為預(yù)埋件澆注在天花板中，并與混凝土內(nèi)的鋼筋支架進(jìn)行連接。

4 氣源系統(tǒng)

氣源系統(tǒng)負(fù)責(zé)為聲發(fā)生器供氣，1 070 m3混響室系統(tǒng)采用液氮氣化技術(shù)進(jìn)行供氣。氣源系統(tǒng)由低溫液氮儲罐、汽化器、水池、穩(wěn)壓罐、管道、閥門和相應(yīng)的指示儀表等組成（如圖3所示）。其工作原理是：低溫儲槽經(jīng)它本身的增壓器增壓，把液氮按規(guī)定流量壓入汽化器快速汽化，水池中用常溫自來水相當(dāng)于給汽化器管道加熱，液氮汽化成氮氣后進(jìn)入穩(wěn)壓罐，然后通過內(nèi)徑φ200 mm的不銹鋼管輸?shù)綋P(yáng)聲器室。

根據(jù) 4臺聲發(fā)生器的用氣量及混響室每次試驗的次數(shù)和持續(xù)時間，1 070 m3混響室選用20 m3的液氮儲罐，汽化器的汽化量為 300 m3/min，穩(wěn)壓罐容積為20 m3。氮氣經(jīng)φ200 mm的不銹鋼管輸?shù)綋P(yáng)聲器室后分成4路，供給4個聲發(fā)生器，每個聲發(fā)生器前端設(shè)置一個遠(yuǎn)程壓力閥門，可遠(yuǎn)程控制聲發(fā)生器的前端壓力以確保在其工作范圍內(nèi)。

圖3 氣源系統(tǒng)原理圖Fig.3 Principle diagram of gas system

5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用數(shù)字式閉環(huán)自動控制技術(shù)，基本原理及組成如圖4所示：首先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)參考譜產(chǎn)生初始的激勵信號，經(jīng)過功放送到揚(yáng)聲器，然后將聲場內(nèi)傳聲器的響應(yīng)反饋到控制系統(tǒng)，計算響應(yīng)信號的功率譜密度，并與標(biāo)準(zhǔn)的功率譜比較，如有不同則自動修正。此過程反復(fù)進(jìn)行，直到滿足試驗條件，完成試驗均衡過程。

圖4 數(shù)字式閉環(huán)自動控制系統(tǒng)基本原理Fig.4 The digital close-loop acoustic control system

為避免聲壓級分布不均勻引起欠試驗或過試驗，一般采用多點平均控制方式。另外，為改善混響室內(nèi)的聲場特性，增加驅(qū)動信號頻段間的平衡性，控制系統(tǒng)采用多路輸出驅(qū)動。1 070 m3混響室控制系統(tǒng)采取8通道輸入，5通道輸出（各通道頻段可設(shè)定），16位控制精度，分析頻率 20～10 000 Hz。

6 其他設(shè)備

為了混響室系統(tǒng)正常運(yùn)行，還應(yīng)配備相應(yīng)的輔助設(shè)備：(1) 照明設(shè)備，照度達(dá)到300 lx；(2) 監(jiān)視設(shè)備，在墻壁上安裝3個攝像頭，可監(jiān)視試驗時混響室內(nèi)的情況；(3) 空氣壓縮設(shè)備，供大門密封系統(tǒng)使用。

7 結(jié)束語

本文對1 070 m3混響室的本體、氣源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行了介紹。新混響室具有以下特點：

(1) 混響室尺寸為12 m×10.5 m×8.5 m，總體積約為 1 070 m3，表面積約為 630 m2，混響時間約18.34 s；

(2) 大門首次采用鋼結(jié)構(gòu)形式，尺寸 7.6 m×5.6 m×0.5 m，隔聲量59.5 dB；

(3) 混響室的試驗?zāi)芰Φ玫教岣?，最大聲壓級可達(dá)到155 dB以上；

(4) 控制系統(tǒng)采用數(shù)字式閉環(huán)自動控制技術(shù)，提高了控制精度，具備時域存儲、單通道實時顯示功能和良好的人機(jī)對話界面。

目前，該混響室已建設(shè)完成，通過初步調(diào)試，各項指標(biāo)均能滿足設(shè)計要求。

（References）

[1]耿麗艷, 李新明, 張俊剛.大型混響室高頻特性試驗研究[J].航天器環(huán)境工程, 2007, 24(5)： 322-325

[2]柯受全.衛(wèi)星環(huán)境工程和模擬試驗（下）[M].北京： 宇航出版社, 1996

[3]馬大猷.聲學(xué)手冊[M].北京： 科學(xué)出版社, 2004

[4]馬大猷.噪聲與振動控制工程[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社, 2002