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)重點實驗室：北京 100094）

0 引言

隨著載人航天技術(shù)的發(fā)展和空間實驗技術(shù)研究的展開，航天器規(guī)模不斷擴大，航天員在軌時間不斷延長?？臻g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：長時間持續(xù)、過度的噪聲環(huán)境會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，噪聲還會給航天員之間的溝通交流帶來障礙，更嚴重的會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[3]，要求空間站研制中須對艙內(nèi)噪聲水平進行預(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，通常要先運用經(jīng)驗公式進行效果預(yù)估，然后進行實際噪聲測試，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行迭代設(shè)計。因此，設(shè)計前的降噪效果預(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)驗公式很難預(yù)估準確；另一方面，由于空間站對載荷及內(nèi)部空間的特殊需求，通常需要綜合運用一種材料的吸聲、隔聲兩方面性能來進行降噪設(shè)計，這會使噪聲預(yù)估誤差增大。

為使降噪效果評估更準確，本文以聲學(xué)有限元分析為手段，研究利用仿真方法進行空間站吸聲降噪效果評估。直接應(yīng)用空間站整器進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)計特點，研究適用于空間站的吸聲設(shè)計仿真評估建模方法；然后根據(jù)實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，利用試驗結(jié)果來驗證仿真模型；最后應(yīng)用經(jīng)過驗證的仿真模型，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)計有金屬蓋板，外部設(shè)計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)計了1個聲源模擬儲存艙，模擬儀器設(shè)備的安裝位置。儲存艙由穿孔率大于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)用有限元法進行計算時，首先將聲場分成若干單元，單元之間通過一定數(shù)量的頂點相互連接，求解各節(jié)點上的聲壓可得到單元內(nèi)任意點的聲壓。為滿足求解精度，離散時單元的尺寸要遠遠小于彈性波的波長[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，為能真實反映吸聲材料在實際工作中的吸聲、隔聲兩方面特性，本方法對吸聲材料進行精細化建模，模型中包含材料的實際厚度、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)格進行劃分，遵循1個波長內(nèi)至少6個單元的原則。圖5為模型單元最高計算頻率云圖，不同顏色代表單元的最高計算頻率?？梢钥闯?，大部分單元的計算頻率在500 Hz以上，因此用該模型進行500 Hz以內(nèi)的噪聲計算是可行的。

圖5 縮比模型的單元最高計算頻率云圖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，人員主要活動在人行通道中，因此，在仿真模型中3個典型位置布置了測點，用來評價降噪設(shè)計的降噪效果。如圖6所示，測點位置分別為：測點1在聲源模擬儲存艙內(nèi)靠近聲源的位置；測點2在人行通道中心區(qū)域，與測點1等高；測點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存艙中，如圖7中白色點所示。為貼近實際情況，選取空間站中某單機的實測噪聲頻譜為聲源輸入譜，如表1所示。

通過計算，獲得3個測點的聲壓級響應(yīng)，如表2所示。

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

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

表2 各位置測點的噪聲仿真預(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個測點的總聲壓級分別比聲源模擬艙內(nèi)聲源附近測點的總聲壓級降低了17.3 dB和25.8 dB。另外，人行通道中測點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)的聲壓級相對較高。

3 仿真模型的地面試驗驗證

利用空間站某單機噪聲頻譜作為輸入，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來驗證仿真分析模型。

如圖8所示，根據(jù)仿真模型中的測點位置，在縮比模型艙內(nèi)對應(yīng)布置了3個噪聲傳感器來測量目標場點的聲壓響應(yīng)，在聲源模擬儲存艙當(dāng)中放置一個電喇叭來模擬仿真模型中的單級子聲源，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所示的空間站單機噪聲頻譜對聲源進行開環(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個測點的全頻段總聲壓級較儲存艙內(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)果與試驗測量結(jié)果對比Table 3 Comparison of noise responses between simulation and test results

3個測點總聲壓級的仿真與測量結(jié)果間的誤差分別為1.6、1.1、0.5 dB，各個倍頻程頻帶聲壓級的仿真與測量結(jié)果間的誤差除了個別頻帶外均在2 dB以內(nèi)。對于個別頻帶聲壓級誤差較大的原因，有待進一步的深入研究。

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

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2、測點3的聲壓級變化為參考，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，對于聲源儲存艙內(nèi)的測點，鋪設(shè)幾種吸聲材料后總聲壓級變化不明顯。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（測點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3），與測點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。

對總聲壓級進行分析可以看出，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，針對空間站特點利用聲學(xué)有限元法進行吸聲降噪設(shè)計效果仿真評估。首先研究適用于空間站的吸聲降噪設(shè)計聲學(xué)有限元建模方法，通過細化吸聲材料建模的方式來實現(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測試，驗證了仿真評估模型的準確性；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)計提供借鑒。

由于縮比結(jié)構(gòu)與空間站的真實結(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)計奠定了基礎(chǔ)，方法與所得結(jié)果具有一定的工程意義。