空間站艙內噪聲仿真、驗證與聲源布局優化

馮國松，楊 江，武 耀，王 棟，孫 通，馮咬齊,2

（1. 北京衛星環境工程研究所；2. 北京衛星環境工程研究所 可靠性與環境工程技術重點實驗室：北京 100094）

空間站艙內噪聲仿真、驗證與聲源布局優化

馮國松1，楊 江1，武 耀1，王 棟1，孫 通1，馮咬齊1,2

（1. 北京衛星環境工程研究所；2. 北京衛星環境工程研究所 可靠性與環境工程技術重點實驗室：北京 100094）

文章開展了空間站艙內噪聲仿真研究，給出了聲學參數設置方法，使用FE/FEM耦合方法和SEA方法完成了空間站模擬艙建模仿真分析，設計了模擬艙噪聲驗證試驗，提出了基于聲功率等效的聲源模擬技術，證明了兩種方法結合可在全頻段較好地預示空間站艙內噪聲環境，仿真總聲壓級與測試結果偏差在2 dB以內。最后對空間站的聲源布局進行了優化分析，結果表明集中布局更有利于降低噪聲水平。

空間站；艙內噪聲；仿真；FE/FEM耦合；SEA方法; 試驗驗證；聲源布局

0 引言

空間站艙內噪聲會影響航天員的正常生活，如干擾語言交流、分散注意力、影響睡眠等，嚴重時還能造成航天員聽力損失以及其他生理損害[1]，因此需要對艙內噪聲進行嚴格控制。我國空間站目前正在建設當中，開展艙內噪聲環境仿真預示分析，對提高空間站降噪設計水平、縮短研制周期和降低研制成本有重要意義。

中低頻段聲學仿真一般采用數值計算方法。而針對空間站艙體中低頻的聲學仿真問題，需要采用聲振耦合分析方法。對于艙內聲場的聲振耦合計算，采用結構有限元/聲學有限元耦合方法（coupled FE/FE method）計算效率較高[2]。高頻段聲學仿真中，密集的結構模態將導致數值方法的計算量急劇增大，一般采用統計能量分析方法（SEA）[3]。

本文針對空間站艙內噪聲環境仿真預示問題，擬采取如下研究思路：首先，基于FE/FEM耦合和SEA方法，分別進行空間站模擬艙的聲學建模和仿真，給出聲學參數設置方法，將兩種噪聲仿真結果進行綜合，得到模擬艙內全頻段的噪聲響應；然后，設計模擬艙噪聲驗證試驗，提出基于聲功率等效的聲源模擬技術，并同仿真結果進行對比，以驗證兩種仿真方法的有效性；最后，對空間站的聲源布局進行優化仿真分析，旨在為后期空間站艙內降噪設計提供參考。

1 聲學仿真基本原理

1.1 FE/FEM耦合基本原理

聲學有限元模型可表示為[2]

式中：Ma、Ca和Ka分別為聲腔的質量、阻尼和剛度矩陣；{pi}為聲壓響應；{Fa}為聲載荷。

結構有限元模型可表示為[2]

式中：Ms、Cs和Ks分別為結構的質量、阻尼和剛度矩陣；{wi}為結構位移響應；{Fs}為結構載荷。

聲學有限元和結構有限元的耦合通過結構耦合矩陣來實現，將式(1)和式(2)進行綜合后得到的耦合矩陣為[2]

式中：{Fai}和{Fsi}分別為加載到耦合模型上的聲激勵和結構激勵；Kc為耦合剛度矩陣；-ρ0KcT是耦合質量矩陣。耦合矩陣與結構位移和聲場聲壓有關。

1.2 SEA方法基本原理

統計能量分析方法基于系統的保守弱耦合假設，利用統計分析手段，以振動能量作為描述子系統響應的基本參數，通過建立子系統間的功率流平衡方程來求解系統的響應。系統響應的分析頻率越高，分析帶寬內模態越密集，則越適用統計能量分析。

假設系統中有k個耦合的子系統，則通過統計能量分析方法建立的功率流平衡方程為[3]

式中：ηi、ni、Ei和Pi,in分別為第i個子系統的內損耗因子、模態密度、能量和輸入功率；ηij為子系統i和j的耦合損耗因子。

通過式(4)求解出各個子系統的振動能量，可以轉化為所需要的動力學響應參數（振動量級、聲壓級、應力、壓力等）。對于聲腔子系統的響應，一般通過聲壓級來描述。聲腔中聲場能量Ea和聲壓p的關系式為[3]

式中：V0為聲腔體積；ρa為介質密度；Ca為介質內的聲速。

聲壓和聲壓級Lp之間的換算關系為

式中：pr為參考聲壓，pr= 20 μPa。通過式(5)和式(6)，可求得聲腔子系統的聲壓級響應。

2 空間站模擬艙

通過搭建空間站模擬艙（見圖1）來模擬空間站艙內的噪聲環境。在一個圓柱形艙段內安裝通道面板，將內部隔離成中心通道及其他功能區域；在艙壁和通道面板上粘貼30 mm厚的三聚氰胺泡沫（其材料屬性見表 1），用于吸聲降噪；在艙段底部的設備安裝板上增加聲源隔艙，用于安裝揚聲器作為模擬聲源。艙壁材料為鋁合金5A06，厚度為2.5 mm。

圖1 空間站模擬艙Fig. 1 The simulated space station module

表1 三聚氰胺泡沫屬性Table 1 The properties of melamine foam

3 中低頻聲學仿真分析

3.1 FE/FEM建模

空間站模擬艙的中低頻聲學仿真建模軟件為LMS Virtual.Lab。其中結構和聲腔均采用有限元方法來建模，仿真分析頻率為31.5～500 Hz。根據最大分析頻率對應波長內需有 6個有限元節點的要求，有限元網格尺寸不大于0.05 m。FE/FEM耦合仿真模型如圖2所示。

仿真模型中聲腔空氣參數定義為聲速344 m/s，密度1.225 kg/m3。

軟件中需要對表面賦予不同的吸聲特性（聲阻抗）來表征三聚氰胺泡沫材料的吸聲作用。聲阻抗z與吸聲系數α0的換算關系為[4]

圖2 模擬艙FEM耦合仿真模型Fig. 2 Coupled FE/FEM model of the space station module

利用混響室法測得三聚氰胺泡沫的吸聲系數。聲阻抗一般為復數，可通過吸聲系數換算得到的聲阻抗只作為實部輸入，虛部設為0（認為p和v的相位差為0）。得到三聚氰胺泡沫的聲阻抗見表2。

表2 三聚氰胺吸聲系數和聲阻抗Table 2 Acoustic absorbing coefficient and impedance of melamine foam

FE/FEM耦合仿真模型中，模擬艙內的揚聲器聲源用單極子聲源來模擬，輸入聲壓譜見表3。

表3 模擬聲源聲壓譜Table 3 Noise pressure spectrum of a typical noise source

3.2 中低頻仿真結果

利用FE/FEM耦合仿真模型計算的結果見表4，500 Hz 艙內噪聲仿真云圖見圖3。可以看出，測點噪聲響應隨著位置遠離，聲壓級逐漸減小；測點低頻響應的能量集中在250 Hz頻帶內，與聲源激勵一致。

表4 中低頻仿真結果Table 4 Noise spectrum analysis at low frequencies

圖3 艙內噪聲仿真云圖（500 Hz）Fig. 3 Pressure map of noise levels at 500 Hz

4 高頻聲學仿真分析

4.1 SEA建模仿真

利用VA One軟件建立的空間站模擬艙的SEA仿真模型見圖4。

在統計能量分析建模時，將艙壁結構簡化為各向同性板或殼。利用VA One軟件的聲學包模塊對艙內鋪設的三聚氰胺吸聲材料建模，作為吸聲層設置到結構子系統表面。模擬艙內部空氣簡化為聲腔子系統。

圖4 模擬艙SEA仿真模型Fig. 4 SEA model of the space station module

子系統的模態密度、內損耗因子、耦合損耗因子等統計能量參數一般通過試驗測得。子系統模態密度可用仿真軟件根據經驗公式計算；統計能量分析由于假定各子系統間弱耦合，耦合損耗因子也可通過經驗公式計算且對結果影響不大；因此，最后考察內損耗因子對仿真結果的影響。結合大量經驗公式和試驗結果[5-6]，仿真模型中結構艙壁（鋁）的內損耗因子定義如下：

以倍頻程作為分析帶寬，模擬艙的功能區聲腔在分析帶寬內模態數見圖5。在500 Hz倍頻程帶寬內模態數為4.6，并不滿足SEA仿真對于帶寬內模態數大于5的要求。

圖5 功能區聲腔倍頻程帶寬內模態數Fig. 5 Modes of acoustic cavity in octave bands

SEA仿真模型中，模擬艙內的揚聲器聲源用功率輸入來模擬，聲壓譜見表3。

4.2 高頻仿真結果

SEA仿真分析頻率范圍為 500～8000 Hz，仿真結果見表5，可見：測點噪聲響應隨著位置遠離聲壓級逐漸降低；高頻響應的能量集中在2000 Hz頻帶內，與聲源激勵一致。

表5 SEA高頻仿真結果Table 5 SEA result of noise spectrum at high frequencies

5 噪聲仿真的試驗驗證

在空間站模擬艙內布置了 4個噪聲測量傳聲器，其位置和編號見表6，安裝聲源和傳聲器后的艙內布局見圖6。選取某旋轉機械聲源的實測聲譜作為空間站艙內噪聲輸入激勵，其聲壓譜見表3。

表6 噪聲傳感器位置Table 6 The position of acoustic sensors

圖6 空間站模擬艙內部布局Fig. 6 The interior layout of the space station module

用聲模擬源來模擬旋轉機械聲源的輻射噪聲，測試流程參見圖7。麥克風陣列布置參照聲功率測試方法[7]。

將FE/FEM和SEA兩種仿真分析方法得到的結果進行綜合，可得到模擬艙內噪聲的全頻段響應。考慮到SEA模型在500 Hz頻帶帶寬內的模態數為 4.6，不滿足 SEA仿真的模態數要求，因此500 Hz處選取FE/FEM仿真結果作比對。

圖7 基于聲功率等效的聲源模擬技術Fig. 7 Sound source simulation technology based on acoustic power equivalence

將空間站模擬艙內的揚聲器按輸入譜進行聲源模擬，測量模擬艙內指定位置的噪聲響應。測試結果與綜合后得到的全頻段結果進行對比，見表7和圖8。

表7 仿真結果與試驗響應對比Table 7 Comparison of noise response between the simulation and the test results

圖8 仿真結果與試驗響應對比Fig. 8 Comparison between simulation and test result

通過比對可以得出以下結論：

1）各測點全頻段總聲壓級仿真誤差在2 dB以內，表明仿真對能量分布有較為準確的預示，在聲壓較高的頻段，如中低頻的250 Hz、高頻的2000 Hz處，預示結果較好。

2）在聲壓較低的頻段，預示結果較差。AM1測點在 31.5 Hz處為-13.54 dB，在 1000 Hz處為15.67 dB。表 8給出了測試過程中的背景噪聲，31.5 Hz中心頻段達42.57 dB，說明低頻段由于背景噪聲引入的測試誤差不能忽視。在1000 Hz處，測試結果低于仿真結果，說明在真實工況中該頻段存在較為明顯的漏聲現象，即 AM1所在子系統的噪聲泄漏到其他子系統，而仿真模型相對簡化，無法體現漏聲現象，故需要對模型作進一步細化修正。

表8 模擬艙背景噪聲Table 8 Background noise of space station module

3）各子系統間的主要功率流傳遞關系見圖9。AC1測點所在子系統的功率流來源相對單一，為模擬聲源的輸入，距離聲源較近，仿真結果誤差的離散性較好。AM1、AM2、AM3 測點所在子系統與聲源間隔的子系統逐漸增多，且距離聲源較遠，功率流傳遞關系逐漸復雜，其中，最為復雜的 AM3測點有4個頻段處仿真誤差超過了5 dB，仿真結果的誤差趨于離散。

圖9 子系統功率流傳遞分析Fig. 9 Power transfer analysis of the subsystems

6 聲源布局優化

空間站聲源較多，采用上述方法對艙段進行1∶1建模，沿艙段軸向分為A、B、C、D四個區域，研究聲源分布對人區走廊噪聲響應的影響。仿真計算工況分為聲源集中和分散兩種。

1）集中工況：聲源集中在 C、D區的Ⅰ、Ⅲ象限，如圖10所示。

圖10 聲源集中布局Fig. 10 Centralized layout of the sound source

2）分散工況：聲源分散在B、C、D區的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限，如圖11所示。

圖11 聲源分散布局Fig. 11 Distributed layout of the sound source

集中和分散工況下大柱段通道的聲壓分布仿真結果見表9。

表9 集中工況和分散工況下的聲壓分布Table 9 Sound pressure distribution of centralized layout and distributed layout

從表9可見，與聲源分散工況相比，聲源集中布置在C、D區時，A、B區通道內的聲壓級降低，C、D區通道內的聲壓級也并沒有明顯升高，只是在聲源集中的I、III象限區域，聲壓有所升高。這說明集中布局總體上看更有利于降低噪聲的聲壓水平。

7 結束語

本文分別使用FE/FE耦合方法和SEA方法進行了空間站模擬艙內噪聲的仿真研究，并設計了模擬艙噪聲驗證試驗，提出了基于聲功率等效的聲源模擬技術，仿真分析結果與試驗測試數據有較好的一致性，證明了將兩種仿真方法結合，可有效預示全頻段空間站艙內噪聲環境，從而為降噪設計提供支持。

聲源布局優化結果表明，集中布局在降低噪聲方面優于分散布局。通過合理布置聲源位置，可以有效降低人員活動區域內的聲壓水平，也為后期集中降噪提供了有利條件。

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[1] ALLEN C S, DENHAM S A. International Space Station acoustics: a status report: AIAA2011-5128[R]. Johnson Space Center, 2011: 1-7

[2] LMS International. Numerical acoustics theoretical manual[G], 2006: 114-125

[3] 姚德源, 王其政. 統計能量分析原理及應用[M]. 北京:北京理工大學出版社, 1995: 6

[4] 馬大猷. 聲學手冊[M]. 北京: 科學出版社, 1983: 463

[5] FERNANDEZ J. Vibroacoustic response of solar panels:case study: NASA 20060032933[R]. Jet Propulsion Laboratory, 2000: 3-4

[6] 馮國松, 王婉秋, 楊松. 蜂窩板統計能量參數的試驗獲取方法研究[J]. 航天器環境工程, 2009, 26(增刊1):68-72 FENG G S, WANG W Q, YANG S. Experimental identification study of statistical energy analysis parameters for honeycomb sandwich panel[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2009, 26(sup 1): 68-72

[7] 聲學 聲壓法測定噪聲源聲功率級 消聲室和半消聲室精密法: GB/T 6882—2008[S]

Simulation and validation of interior noise and optimization of sound source layout for space station module

FENG Guosong1, YANG Jiang1, WU Yao1, WANG Dong1, SUN Tong1, FENG Yaoqi1,2
(1. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering;2. Science and Technology on Reliability and Environmental Engineering Laboratory,Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering: Beijing 100094, China)

The interior noise of a space station module is simulated, with acoustic parameter settings. Two typical vibro-acoustic analysis methods, namely the coupled FE/FEM and SEA, are adopted to simulate and analyze the space station module under inner acoustic source excitation. The interior noise validation test of the space station is designed. A sound source simulation technology based on the acoustic power equivalence is proposed. The compared results show that the acoustic levels in both low and high frequency regions can be predicted by using both methods, and the overall level of deviation is less than 2 dB. The layout of the sound source is optimized through analyses, and it is shown that the centralized layout is more conducive for the noise reduction.

space station; interior noise; simulation; coupled FE/FEM; SEA method; test validation; sound source configuration

V416.2

A

1673-1379(2017)05-0471-07

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.05.003

2017-06-09；

2017-09-03

國家重大科技專項工程

馮國松, 楊江, 武耀, 等. 空間站艙內噪聲仿真、驗證與聲源布局優化[J]. 航天器環境工程, 2017, 34(5): 471-477 FENG G S, YANG J, WU Y, et al. Simulation and validation of interior noise and optimization of sound source layout for space station module[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(5): 471-477

（編輯：許京媛）

馮國松（1984—），男，碩士學位，研究方向為動力學環境工程。E-mail: gsfeng_cast@126.com。