游　進，郝　平，谷　巍

（中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

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航天器設(shè)備艙噪聲分析及聲學優(yōu)化設(shè)計

游進，郝平，谷巍

（中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

噪聲是載人航天器艙內(nèi)非常重要的環(huán)境因素，用有限的重量代價獲得需要的聲學環(huán)境是航天器聲學設(shè)計的主要目標。對含多個隔艙的航天器設(shè)備艙采用統(tǒng)計能量分析法建立噪聲分析模型，根據(jù)實測聲源特性分析隔艙內(nèi)設(shè)備對航天員通道噪聲的影響，并針對隔艙提出吸聲降噪措施。選取隔艙蜂窩板及三聚氰胺泡沫吸聲層的厚度為設(shè)計變量，采用遺傳算法對隔艙聲學設(shè)計進行優(yōu)化以降低隔艙重量代價，優(yōu)化結(jié)果與初始設(shè)計相比，通道最大聲壓級減小3 dB，滿足通道噪聲要求，同時隔艙重量減小9%，驗證了優(yōu)化設(shè)計方法的有效性。

聲學；載人航天器；統(tǒng)計能量分析；遺傳算法；聲學優(yōu)化；

對于載人航天器，艙內(nèi)噪聲是非常重要的環(huán)境因素，長時間暴露于過高的噪聲環(huán)境會嚴重影響航天員的睡眠和工作，甚至造成航天員暫時或永久性聽力損傷。為避免噪聲危害，國際空間站設(shè)計時曾采取了多種吸聲、隔聲、消聲和減隔振措施，為航天員提供了較為舒適的在軌聲學環(huán)境［1］。

載人航天器艙內(nèi)中部為航天員通道，設(shè)備安裝在艙內(nèi)四周，并由薄板進行區(qū)隔封閉，因此艙內(nèi)噪聲需考慮振動與噪聲的耦合作用，數(shù)值分析方法一般采用有限元法、邊界元法或統(tǒng)計能量分析法（SEA），其中SEA由于分析可覆蓋寬頻范圍并可給出較為準確的分析結(jié)果，被用于美國Space X公司的龍飛船［2］及NASA新一代載人飛船［3］的噪聲控制設(shè)計。航天器發(fā)射成本高昂，需對噪聲控制設(shè)計進行優(yōu)化，以最少的聲學材料用量達到噪聲控制要求，目前基于SEA的聲學優(yōu)化設(shè)計在汽車、船舶和航空工業(yè)已有較多研究和應(yīng)用［4-6］。文中以包含多個噪聲源設(shè)備的載人航天器設(shè)備艙為對象研究艙內(nèi)噪聲，建立設(shè)備艙的SEA模型并通過試驗獲取聲源的輻射噪聲特性，分析艙內(nèi)噪聲水平并提出吸聲降噪方法，采用遺傳算法對艙內(nèi)蜂窩板蜂窩芯子及吸聲材料厚度進行優(yōu)化，以獲得滿足艙內(nèi)噪聲要求的重量最輕的聲學設(shè)計方案。

1　基于SEA的設(shè)備艙噪聲分析

1.1統(tǒng)計能量分析原理

假設(shè)航天器設(shè)備艙可劃分為N個包含結(jié)構(gòu)各類波場和聲腔的子系統(tǒng)，基于保守耦合振子間的功率傳遞關(guān)系及相關(guān)假設(shè)，可得到穩(wěn)態(tài)條件下各子系統(tǒng)間能量平衡關(guān)系如下

內(nèi)損耗因子反映子系統(tǒng)內(nèi)部耗散能量的能力，一般通過試驗獲取。耦合損耗因子反映了能量在子系統(tǒng)間的傳遞能力，結(jié)構(gòu)間的耦合損耗因子采用模態(tài)方法或基于半無限連接中波的傳遞特性獲得，板與聲場間的耦合損耗因子通過板的輻射效率及互易定理計算。均勻梁、板和聲腔的模態(tài)密度與子系統(tǒng)的幾何尺寸和材料/空氣特性有相對簡單的關(guān)系，蜂窩板等復(fù)合結(jié)構(gòu)的模態(tài)密度計算較為復(fù)雜［7］。

式中ms為結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的質(zhì)量。

1.2航天器設(shè)備艙模型及子系統(tǒng)劃分

載人航天器設(shè)備艙外形見圖1（a）所示，外部為3 mm厚圓柱薄壁鋁合金艙壁，其內(nèi)壁面覆蓋有20 mm厚聚氨酯絕熱泡沫。設(shè)備艙中部為航天員通道，其四周布置四個隔艙，其中隔艙1—3均安裝有2個相同的噪聲源設(shè)備，隔艙4中無噪聲源，相鄰隔艙間形成角隔。各隔艙由5塊30 mm厚鋁蜂窩板（蒙皮厚0.5 mm）組成，見圖1（b）（圖中包含艙壁），單個隔艙結(jié)構(gòu)總重32.1 kg。要求航天員通道噪聲不超過59 dBA。

圖1　航天器設(shè)備艙外形

利用VA One聲振分析軟件建立設(shè)備艙的SEA模型如圖2所示。由于隔艙內(nèi)的兩個噪聲源位于上下部位，將每個隔艙內(nèi)部劃分為兩個聲腔子系統(tǒng)，并將各隔艙的左右側(cè)板及蓋板均劃分為兩個板結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)，中間通道劃分為一個聲腔子系統(tǒng)，外殼劃分為12個曲殼子系統(tǒng)。

圖2　航天器設(shè)備艙SEA模型

鋁合金殼體的內(nèi)損耗因子為0.005，鋁蜂窩板阻尼損耗因子按如下經(jīng)驗公式確定［8］

并考慮轉(zhuǎn)折頻率fpivot為500 Hz。

1.3艙內(nèi)噪聲仿真

對噪聲源設(shè)備在半消聲室進行聲源特性測試，由17個測點組成半球形陣列，如圖3所示，測得兩種工況下總聲壓級最高的測點處的聲壓頻譜分布見圖4。由圖可見工況1下聲源總聲壓級較高，但工況2相比工況1聲源噪聲在200 Hz附近分布更多能量。

在SEA模型中隔艙1—3的6個聲腔子系統(tǒng)上施加兩種工況下的聲壓約束模擬聲源激勵，并考慮艙壁絕熱泡沫的吸聲作用，在63 Hz～8 000 Hz的8個倍頻程上分析艙內(nèi)噪聲的結(jié)果見圖5。

圖3　聲源特性測試

圖4　兩種工況下聲源最大聲壓級測點的聲壓譜

圖5　兩種工況下通道內(nèi)的聲壓譜

對比圖5與圖4可見，隔艙有較好的隔聲效果，但通道聲壓級仍高于59 dBA的要求。此外，雖然工況1相比工況2噪聲源的總聲壓級較高，經(jīng)蜂窩板隔聲后通道的聲壓級卻較低，這與工況1的聲源能量在較低頻有較多分布而低頻噪聲難以被蜂窩板隔離有關(guān)。

2　設(shè)備艙聲學設(shè)計的遺傳算法優(yōu)化

2.1優(yōu)化問題

為提高隔艙的降噪效果，在其內(nèi)壁面及艙壁絕熱泡沫外側(cè)鋪覆三聚氰胺吸聲泡沫以提高隔艙內(nèi)的吸聲系數(shù)。由于隔艙的降噪效果由蜂窩板的聲傳遞損失和吸聲材料的吸聲性能共同決定，因此以通道聲壓級作為約束，通過優(yōu)化蜂窩板蜂窩芯子及三聚氰胺吸聲材料的厚度，達到使隔艙整體重量最輕的目的。

目標函數(shù)為隔艙總質(zhì)量M

式中mpi（i=2，…，6）為各蜂窩板的重量，maj（j=1，2，…，6）為各板新增吸聲材料的重量。設(shè)計變量為兩塊側(cè)板及蓋板蜂窩芯子厚度及各板新增的三聚氰胺泡沫吸聲層厚度。兩塊側(cè)板采用相同的蜂窩板，其蜂窩芯子厚度為hp1，蓋板蜂窩芯子厚度為hp2，泡沫吸聲層厚度為haj（j=1，2，…，6）。令P為通道處聲壓，優(yōu)化問題表達為

2.2遺傳算法優(yōu)化

遺傳算法是一種模擬自然界生物進化機制的優(yōu)化算法，其將生物進化過程中適者生存規(guī)則與種群染色體遺傳信息交換機制相結(jié)合，具有通用、并行、穩(wěn)健與全局尋優(yōu)能力強的優(yōu)點，在解決非解析、非線性和多峰值優(yōu)化問題時具有很大優(yōu)勢。

基于遺傳算法的優(yōu)化過程見圖6。

圖6　基于遺傳算法的設(shè)備艙噪聲控制設(shè)計優(yōu)化流程

初始種群從設(shè)計變量的上下限內(nèi)均勻隨機選取并進行染色體編碼，對初始種群進行SEA分析并計算個體適應(yīng)度，通過判斷收斂條件是否滿足確定是否中止計算并輸出結(jié)果，在未達收斂條件時對種群進行選擇、交叉和變異操作生成適應(yīng)度更高的子代種群后重新進行SEA分析，通過多次代際演化使種群逐步收斂優(yōu)化問題的最優(yōu)解。

利用VA One內(nèi)置的Quick Script腳本語言設(shè)置設(shè)計變量和目標函數(shù)，并結(jié)合軟件提供的遺傳算法模塊完成設(shè)備艙聲學設(shè)計優(yōu)化。蜂窩芯子及三聚氰胺泡沫的材料密度及厚度變化范圍見表1。

表1　蜂窩芯子和吸聲材料密度及厚度范圍

2.3優(yōu)化仿真結(jié)果

以工況2的聲源特性作為聲載荷，設(shè)定種群規(guī)模為100，經(jīng)15次優(yōu)化迭代的計算結(jié)果見圖7，約經(jīng)10次迭代后，隔艙總重量收斂于最小值29.2 kg，相比初始設(shè)計重量減小9%，此時對應(yīng)的蜂窩芯子及吸聲材料厚度見表2。

圖7　隔艙總重量優(yōu)化過程

表2　優(yōu)化后的變量值

圖8　隔艙聲學優(yōu)化后航天員通道聲壓譜

對應(yīng)表2參數(shù)的通道內(nèi)聲壓級見圖8，相比隔艙的初始設(shè)計，兩種聲源工況下通道噪聲分別下降4.3 dB和3.0 dB，且最大通道噪聲為58.9 dBA，滿足噪聲要求。優(yōu)化結(jié)果說明了應(yīng)用遺傳算法進行總聲壓級約束下聲學設(shè)計減重優(yōu)化的有效性。

3　結(jié)語

利用統(tǒng)計能量分析法對含多個隔艙的載人航天器設(shè)備艙噪聲進行建模仿真，結(jié)果表明隔艙初始設(shè)計導(dǎo)致航天員通道聲壓級超出要求。對隔艙進行吸聲處理，并以減小隔艙整體重量為目標，采用遺傳算法對蜂窩板蜂窩芯子厚度及三聚氰胺吸聲層厚度進行優(yōu)化，初始群體經(jīng)10次進化優(yōu)化后達到最優(yōu)解，隔艙整體重量減小9%，不同聲源工況下通道最大噪聲減小3 dB且滿足了噪聲要求。優(yōu)化計算及結(jié)果表明遺傳算法可有效用于航天器聲學設(shè)計減重問題，并為其他領(lǐng)域的聲學設(shè)計優(yōu)化提供參考。

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Noise Prediction andAcoustic Design Optimization of Spacecraft’s Equipment Cabins

YOUJin，HAOPing，GUWei

Institute of Manned Space System Engineering，ChinaAcademy of Space Technology，Beijing 100094，China

For a manned spacecraft，a comfortable acoustic environment with finite weight cost is the main objective of acoustic design.In this paper，a statistical energy analysis（SEA）model for spacecraft’s equipment cabins with disturbance hardware is built.The sound pressure level（SPL）in the astronaut passage is predicted based on measured radiation characteristics of the disturbance sources，and noise reduction countermeasures are proposed.The thicknesses of honeycomb plates and the sound absorption layers are selected as design variables，and genetic algorithm（GA）optimization is employed to find the optimal acoustic design.The results indicate that，the maximum SPL in the astronaut passage is reduced by 3dB，meeting the acoustic requirement of passages，and the total weight of each bay is reduced by 9%.Thus，the application of GAin acoustic design optimization is validated.

acoustics；manned spacecraft；statistical energy analysis（SEA）；genetic algorithm （GA）；acoustic optimization

TB532

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.04.017

1006-1355（2016）04-0080-04

2015-10-20

游進（1981-），男，湖北省咸寧市人，博士，高級工程師，主要研究方向為航天器總體設(shè)計與結(jié)構(gòu)動力學研究。E-mail:youjin1017@hotmail.com