空間站核心艙的全頻域聲振環境仿真預示研究

仲作陽，張海聯，周建平

（1.中國載人航天工程辦公室，北京 100034；2.載人航天總體研究論證中心，北京 100094）

·工程技術·

空間站核心艙的全頻域聲振環境仿真預示研究

仲作陽1，2，張海聯2，周建平1

（1.中國載人航天工程辦公室，北京 100034；2.載人航天總體研究論證中心，北京 100094）

空間站的設備功率大、噪聲源數目多、聲振環境特性復雜，為確保艙段噪聲指標滿足要求，基于聲學有限元、統計能量分析以及FE-SEA混合方法，建立了整艙全頻段的復雜聲振耦合精細化噪聲仿真模型。對環控、熱控及推進分系統等多種噪聲源單獨工作或同時工作時密封艙內的噪聲進行仿真，得到了艙內全頻域噪聲水平特性分布，并對現有吸聲降噪措施進行了對比評價。研究結果表明：目前設計狀態下，三個睡眠區、小柱段工作通道和大柱段工作通道總的聲壓級在個別頻率點處略微偏高，是后續噪聲控制的重點。

空間站；全頻域聲振環境；統計能量分析；聲學有限元；FE-SEA混合法

1 引言

空間站在軌運營和長期載人飛行期間，持續、過度的噪聲環境會危害航天員的身心健康，并影響工作效率［1］。長期微重力環境下，低頻噪聲和次聲波對人體生理健康的傷害尤為嚴重［2］，因此需要對空間站的艙內噪聲進行預測、評價和控制［3-4］。NASA對國際空間站的長期在軌噪聲控制給予了極大的重視［5］，在設計階段就提出了系統級和單機的噪聲指標，將其作為一個系統設計因素來考慮，在噪聲評價與控制研究方面獲得了寶貴的理論積累和工程經驗。但截至2015年，在軌測試結果顯示，美國節點艙3內的噪聲值仍然較高（為61.5 dBA），俄羅斯各艙段噪聲測量值的超標問題則普遍比較突出［4］。

準確的聲振環境預示是指導空間站系統減振降噪設計、提出分系統設備減振降噪指標，以及設計地面試驗方案與試驗條件制定的重要依據［6］。對于我國空間站：一方面，由于不同性質噪聲源在艙內的噪聲傳播路徑和頻域特性均不相同，其全頻域的動力學環境特性很復雜，導致聲振環境預示的難度很大；另一方面，由于其結構形式、材料屬性非常復雜，整個預示模型可能出現子系統模態密度差異較大的情況。比如，空間站本體的主承力結構往往剛度較大、模態稀疏，而站體大型外壁板、內飾板等結構的面積-質量比較大，模態密集，對高頻激勵十分敏感［7］。

目前的各種聲振環境分析手段主要是針對某個頻段有效，因此全頻域的聲振環境預示難以用單一的分析方法實現［8］。例如在低頻段，由于空間站結構和聲腔的模態較為稀疏，有限元和邊界元等基于單元離散技術的方法較為實用；而在高頻段，結構和聲腔的模態密集且隨機特性影響突出，模態間的重疊現象也比較嚴重，因此統計能量分析和能量有限元分析等方法在工程上應用較多。然而，當系統內的子結構或子系統模態密度差異較大時，即一部分子結構或子系統在某個頻段模態密集（波長較短），而另一部分模態稀疏（波長較長），系統的動力學特性尤其復雜，這個頻段的動力學問題稱之為“中頻”問題。中頻段力學和聲振環境的預示問題，采用傳統的低頻或高頻分析方法均很難解決。該問題一直是國內外研究的熱點和難點［9］，主要研究方法包括區域分解技術（Domain Decomposition）［10］、波基方法（Wave-based Method，WBM）［11］、有限元-統計能量（FE-SEA）混合方法［12］以及FEA-EFEA混合方法［13］等。

由于全頻域聲振環境預示問題涉及聲場與結構耦合建模方法、結構與聲的耦合效應分析、激勵源特別是聲源的模擬技術、關鍵力學參數獲取，以及力學環境預示的試驗驗證等一系列關鍵技術，故而該領域一直備受國內外學者的關注。

空間站噪聲控制是一個跨越整個方案、初樣、正樣、在軌全研制周期，要求總體、分系統、單機共同參與的系統工程。而載人航天器復雜聲振系統的全頻域響應分析技術是制約空間站噪聲控制設計的一項關鍵技術。本文擬基于聲學有限元、統計能量分析以及FE-SEA混合方法，建立整艙全頻段的復雜聲振耦合精細化噪聲仿真模型，對核心艙全頻域噪聲特性進行評價。

2 空間站核心艙全頻域聲振耦合精細化仿真模型

2.1 “低頻”有限元仿真模型

本節基于聲學有限元方法，采用聲振耦合分析軟件LMS Virtual Lab Acoustics進行整艙聲振耦合建模與仿真分析。整艙結構有限元分析模型共計74.3萬個節點、86.6萬個單元。聲腔有限元模型按照最大單元的邊長應小于計算頻率最短波長1／6的原則，共計112.5萬個節點，410萬個體單元。利用軟件統計可知，100%單元的計算上限頻率都能達到460.2 Hz，有80%的單元能夠計算到807 Hz。具體的建模流程及仿真要素如下［6，14］：

1）如圖1所示，首先基于三維幾何建模軟件Pro／E和網格劃分軟件HyperMesh分別建立其結構有限元模型和聲腔有限元模型；

2）在不考慮結構和聲場耦合效應的情況下，基于有限元分析軟件MSC.Pantran／Nastran計算艙段的結構模態和載荷作用下的速度響應；

3）將結構有限元模型、聲腔有限元模型以及速度邊界條件分別導入聲學分析軟件LMS Virtual Lab Acoustics進行聲振網格映射，并設置聲學邊界條件，求解艙內聲場分布。

限于網格密度和計算機配置水平，本文中非聲振耦合聲腔噪聲仿真分析頻率范圍為中心頻率20～630 Hz的16個1／3倍頻程頻帶。聲振耦合噪聲仿真分析頻率范圍為中心頻率31.5～100 Hz的6個1／3倍頻程頻帶。

2.2 “高頻”統計能量分析模型

本節基于統計能量分析法，采用軟件VA one進行整艙高頻噪聲建模與仿真分析。主要根據空間站核心艙初樣三維模型，構型布局方案、材料聲學特性、已識別的噪聲源、噪聲源頻譜特性、噪聲源機械干擾力譜等輸入條件，建立核心艙的統計能量聲振耦合仿真分析模型，如圖2所示。

1）劃分子系統。首先將系統FE模型導入軟件VA one中，然后根據設計研究的需要在模型上選取點，建立系統或部件級別的聲腔和結構子系統。

2）創建及應用各種物質、屬性和參數。首先針對不同的子系統分別確定其材料特性參數，對于復雜材料，需考慮其等效密度、等效彈性模量等屬性。然后將這些物理屬性應用于相應的子系統中。

3）確定系統的統計能量分析參數。主要包括模態密度、內損耗因子、耦合損耗因子、輸入功率。

4）將各個結構和聲學子系統連接起來成為完整的系統，確定模型中各個子系統的功率流平衡方程，進而求解系統的動力學響應。

2.3 “中頻”有限元-統計能量混合模型

本文依據統計能量子系統劃分原則，將空間站核心艙共劃分為532個結構子系統和56個聲腔子系統。

圖3給出了具體的系統級高頻噪聲仿真流程及要素。具體地：

在上一節的統計能量模型中，我們已利用Va One軟件計算得到了模型的中高頻聲振響應。但在100～500 Hz頻段范圍內，由于各子系統之間的模態密度差異較大，得到的結果不一定精確。在該頻段，本節將對統計能量模型加以修改，應用有限元-統計能量混合法分析該頻段的動力學響應。

本文所建空間站核心艙的有限元-統計能量混合分析模型如圖4所示，將剛度較大的梁、筋等結構子系統劃分為有限元子系統，進行模態求解。結合上節的統計能量仿真分析模型，將所建有限元子系統與統計能量結構子系統和聲腔子系統分別進行混合連接，得到空間站核心艙的有限元-統計能量混合仿真分析模型，其中藍色連接為有限元-統計能量混合連接。

在長期載人飛行中，空間站的環控通風系統、壓氣機／液冷模塊以及控制力矩陀螺（CMG）等設備均會產生噪聲。目前，空間站已經對噪聲源進行了系統性的識別，共梳理出41種噪聲源，共60余臺設備。在上述模型中已對所有噪聲源逐個進行了特征分析、合理簡化和建模加載，但限于篇幅所限，在此未對其頻譜特征及加載方式等進行詳細記述。

3 空間站核心艙全頻域噪聲仿真結果

綜合“低頻”有限元模型、“中頻”有限元-統計能量混合模型和“高頻”統計能量模型的仿真結果，本節給出空間站核心艙的全頻域噪聲分布結果。其中，31.5～63 Hz頻帶內的聲壓級主要由“低頻”有限元模型仿真得到，125～500 Hz頻帶內的聲壓級主要由“中頻”有限元-統計能量混合模型仿真得到，1000～8000 Hz頻帶內的聲壓級則主要由“高頻”統計能量模型仿真得到。

圖5和圖6分別給出了核心艙睡眠區和工作區通道在粘貼吸聲材料前后的全頻域聲壓級分布。可以看到，在目前設計階段，三個睡眠區、小柱段工作通道和大柱段工作通道總的聲壓級在個別頻率點處略微偏高，是后續噪聲控制的重點。采用現有吸聲降噪措施后，對三個睡眠區約有2.04～4.55 dBA左右的降噪效果，工作通道的降噪效果則偏弱。此外，吸聲材料措施對250 Hz以上頻率有一定降噪效果，但對63 Hz則效果微弱，需進一步從噪聲源頭采取措施。

基于上述結果，仿真模型后續將根據空間站核心艙初樣最終構型布局及噪聲源分布、材料聲學特性、初樣單機噪聲源聲功率測試結果、初樣整艙艙內噪聲水平測試結果，修正噪聲水平仿真分析模型，為未來正樣研制階段、在軌運行階段進行準確的噪聲水平預測奠定基礎。

4 結論

本文基于聲學有限元法、統計能量分析法以及FE-SEA混合法建立了空間站核心艙的精細化全頻域聲振耦合噪聲仿真分析模型，對空間站的全頻域噪聲水平特性進行評價，結果表明：目前設計狀態下，三個睡眠區、小柱段工作通道和大柱段工作通道總的聲壓級在個別頻率點處略微偏高，是后續噪聲控制的重點；采用現有吸聲降噪措施后，對三個睡眠區約有2.04～4.55 dBA左右的降噪效果，工作通道的降噪效果則偏弱；系統需進一步辨識艙內振動噪聲的傳遞路徑，找出重點噪聲源，開展空間站核心艙內噪聲控制措施設計。

（References）

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Research on Full-frequency Vibroacoustic Simulation and Prediction in Core Module of Space Station

ZHONG Zuoyang1，2，ZHANG Hailian2，ZHOU Jianping1
（1.China Manned Space Agency，Beijing 100034，China；2.Manned Space Technology System Center，Beijing 100094，China）

Due to the high equipment power and numerous noise sources in the space station，the vibro-acoustic environment in the space station is quite complex.To satisfy the noise index requirements，the acoustic finite element method，the statistical energy analysis method and the FE-SEA hybrid method were adopted to establish a complicated vibration-acoustics coupling simulation model for the core module of the space station.By multi-condition simulation，the distribution characteristics of the“Full-Frequency”noise level were obtained.The results showed that the total sound pressure of the three sleep quarters，the small column segment working corridor and large column working corridor was slightly high at certain frequencies in the current design state，which will be the focus of subsequent noise control.

space station；full-frequency noise prediction；statistical energy analysis；acoustic finite element；FE-SEA hybrid method

V476.1；O328

A

1674-5825（2017）06-0719-05

2017-01-13；

2017-09-11

國家自然科學基金（11402303）；中國博士后科學基金一等資助（2016M592931）和特別資助（2017T100830）

仲作陽，男，博士后，研究方向為空間站噪聲評價與控制。E-mail：zhongzuoyang123＠163.com

（責任編輯：康金蘭）