變孔徑微穿孔板在空間站應用的初步研究

李林凌, 王 巖

(北京空間飛行器總體設計部, 北京 100094)

1 引言

空間站艙內環境噪聲是空間站重要的環境因素之一,直接影響航天員長期在軌任務執行和健康安全。

空間站艙內環境噪聲主要來源于以下3 條途徑: ①環控生保系統的通風和空氣凈化,風機連續運行產生的噪聲; ②有效載荷設備與空間實驗裝置的運行、能源供給、通風散熱以及泵、風機、電機、電動閥等運行產生的噪聲; ③航天員空間活動產生的振動噪聲。

對于上述噪聲控制,有望應用變孔徑微穿孔板解決[1]。馬大猷[2]40 多年前創立的微穿孔板吸聲理論解決了不少噪聲控制問題。隨著計算分析技術進步,馬大猷[3-5]不斷完善微穿孔板吸聲理論,張斌等[6]深入研究了變孔徑微穿孔板結構的部分影響因素。因空間站聲環境要求不斷提高,變孔徑微穿孔板結構優化研究有待進一步開展。

本文對空間站某些艙內噪聲特點(周期、寬頻、長期等)進行分析,提出適合這些艙的變孔徑微穿孔板結構構形,并對具體構形開展結構參數優化分析、試驗,研制滿足使用要求的產品。

2 國際空間站艙內噪聲特點

國際空間站有美國航空航天局單元(美國艙)、俄羅斯單元(俄羅斯服務艙)、歐洲局單元(哥倫布歐洲實驗室)、日本宇宙航空局單元(日本艙)及連接各單元的節點艙,各艙布局如圖1所示[7]。

圖1 國際空間站各艙布局示意圖[7]Fig.1 The layout of the International Space Station modules[7]

從監測的情況來看,2003 年以來,節點艙1和氣壓閘處的噪聲符合美國艙內噪聲允許值[8]。設備閘和乘員閘處噪聲在NC-50 范圍內;2014年8 月1 日氣壓閘的噪聲與2015 年4 月1 日節點艙1 處的噪聲分別如圖2 所示[9],該測量值為沿艙段中心線進行的4 次單獨測量的空間均值,節點艙1 不滿足NC-50 艙內全頻段噪聲值,但是滿足特定飛行器噪聲值。2011 年以來,美國實驗艙噪聲水平基本保持穩定,除艙間通風機關停期間會造成噪聲值變化,其余時間艙內噪聲值在NC-50.2 和NC-52.8 之間變化[9]。

圖2 節點艙和氣壓閘噪聲值 (2014, 2015) [9]Fig.2 Node 1 and airlock acoustic level (2014,2015) [9]

對節點艙2 的噪聲測試數據進行分析,節點艙2 布置的6 個測量點處的噪聲值在NC-50 范圍內,空間均值為NC-49.4。節點艙2 內4 個航天員睡眠區有長期運行的風扇。這些長期運行的風扇增加了節點艙2 的噪聲,但仍然在NC-50 范圍內。

節點艙3 布置的運動設備,如跑步機、高阻力運動裝置等,產生間斷環境噪聲。節點艙3 噪聲測量值不包括間斷環境噪聲,但包括這些泵、分離器等穩態環境噪聲。2 套環控和生保系統、水回收系統產生的噪聲會導致節點艙3 噪聲超標。因此,節點艙3 的聲環境面臨很大挑戰。為了實現節點艙3 滿足NC-50 的核心艙連續噪聲要求,休斯頓任務控制中心決定在航天員睡眠期間控制尿液處理裝置;同時,2015 年,針對水回收系統2,開發了一扇聲屏蔽門,用于解決水回收系統2 穩態環境噪聲超標問題;新開發的聲屏蔽門也應用到了制氧系統,用來控制制氧系統穩態環境噪聲問題。

2015 年4 月1 日,對空間站艙段噪聲監測,得到了部分艙段噪聲的空間均值如圖3 所示[9-10],其中節點艙3 的噪聲包括尿液處理裝置運行和未運行2 個狀態的對比。

圖3 空間站艙段噪聲情況[9-10]Fig.3 Summary of current average acoustic levels in ISS[9-10]

3 變孔徑微穿孔板吸聲特點

3.1 變孔徑微穿孔板

變孔徑微穿孔板指穿孔板上的孔徑沿軸線方向非定值。微穿孔板利用微孔的粘性作用消耗能量,具有高效吸聲特點。由于微穿孔板結構各參數影響微穿孔板吸聲系數、吸聲帶寬等,對于普通微穿孔板結構,很難達到高吸聲系數、寬吸聲帶寬的效果。變孔徑微穿孔板結構因其結構形狀的變化,能起到微穿孔板組合吸聲效果的特點。變孔徑微穿孔板的結構如圖4 所示。

圖4 變孔徑微穿孔板內部結構示意圖Fig.4 Internal structure of variable aperture microperforated panel

從圖4 中可以看出,當穿孔板上的微孔均勻時,為傳統微穿孔板結構;當微孔孔徑發生變化時,為變孔徑微穿孔板結構。相對傳統微孔板結構,變孔徑微穿孔板結構參數增多,因此,變孔徑微穿孔板吸聲特性分析有別于微穿孔板結構[1]。

3.2 吸聲特性分析

對于單層微穿孔板吸聲結構的聲阻抗率研究,其聲阻抗率Zs為式(1):

其中:μ為運動粘滯系數,μ=η/ρ0,ρ0為空氣密度,η為空氣的粘滯系數,l為孔徑長度,d為孔口直徑,ω=2πf,f為頻率,為孔口半徑() 與孔口粘滯附面層厚度()比。

因微穿孔板結構的孔徑在0.1～1 mm(直徑)范圍時,根據穿孔常數的表達式,得到x值。

因此,具有板后空腔的微穿孔板吸聲結構的相對聲阻抗率為式(2):

通過對我國航道的養護管理模式進行完善不僅可以使船舶通過的能力提高，并且對于防汛排澇的目的也有著一定的促進作用。另外，在當前新時期下對于航道管理模式的創新還可以使發展過程中的一些問題得到有效的解決，并且能夠更好的推動我國水路運輸整體水平的提高。

根據變孔徑微穿孔板吸聲結構相對聲阻抗率及等效電路,變孔徑微孔板吸聲結構吸聲等效處理相當于幾層微孔板串聯吸聲效果,其相對聲阻抗率為式(3)～(4):

將式(4)代入式(3),即得到變孔徑微穿孔板吸聲結構的相對聲阻抗率。

當聲波垂直入射時,根據微穿孔吸聲結構的吸聲系數計算方式,變孔徑微穿孔板的吸聲系數為式(5):

4 仿真分析與試驗測試

4.1 仿真分析

對于圖4 微穿孔板結構,從厚度方向對其進行有限層離散,采用層間沒有空腔的微穿孔吸聲結構串聯方法進行吸聲等效分析計算。

首先采用吸聲等效處理方法分析均勻孔徑微穿孔板吸聲結構如圖4 所示,d1=0.8 mm,板厚l=4 mm,孔間距b=3.5 mm,微孔呈正方形排列,微穿孔板吸聲結構中板后空腔D=50 mm。分別采用單層等厚度微穿孔吸聲結構、多層無空腔串聯微穿孔板吸聲結構處理方法,計算吸聲系數。可以看出,采用串聯吸聲等效處理方法,在選用不同的層數時,正確處理微孔末端的聲阻抗率修正系數,等效處理后,2 種方法計算微穿孔板結構的吸聲系數完全等效。

然后,采用同樣的吸聲等效處理方法,分析變孔徑微穿孔板吸聲結構如圖4 所示,d1=0.8 mm,d2=0.25 mm,板厚l=0.3 mm,孔間距b=3.5 m,微孔呈正方形排列,微穿孔板吸聲結構中板后空腔D=25 mm。等效的多層微穿孔板為3 層,各層的參數板厚為0.1 mm,孔間距是3.5 mm,孔徑分別為:d1=0.7 mm,d2=0.5 mm,d3=0.3 mm。

4.2 試驗測試

測試用變孔徑微穿孔板內部結構圖4 所示,試件為銅板材制成的變孔徑微穿孔板,變孔徑微穿孔板各結構參數跟理論計算用的結構參數一致。儀器設備:B&K 公司的4206 型阻抗測量管(直徑為100 mm)、3560 型信號采集器、4187 型1/4 傳聲器。按照美國國家標準ASTM1050-984雙傳聲器測量法。被測試件的吸聲系數如5 所示。從圖5 中可以看出,試件的試驗測試結果與理論計算較好吻合。試驗測試值比理論計算值要大,且試驗測試值中出現局部頻率吸聲系數跳變。這些現象產生的原因為:本試件采用化學腐蝕的方法得到,在制作完成后,發現個別微孔的直徑存在誤差,實際微孔的直徑小于設計值。從圖5 實驗測試值與理論計算值的對比情況,可以明確得到:運用串聯等效處理方法可以指導變孔徑微穿孔板的工程應用,減少吸聲系數測試工作量,提高設計效率。

圖5 變孔徑微穿孔板吸聲系數理論計算與試驗測試對比Fig.5 Tested absorption coefficient of variable aperture micro-perforated panel vs theoretical calculation

工程應用中,某型多層微穿孔板是由雙層不同直徑的微穿孔板和蜂窩芯子組成,即兩面板上不同直徑微孔的蜂窩板。將這種微孔蜂窩板又按照串聯方法制作如圖6 所示試驗件[11](這種試驗件也屬于多層微穿孔板結構),開展不同材質面板試驗件吸聲系數測試,得到如圖7 所示測試結果。從測試結果來看,在100 ～400 Hz 范圍內的吸聲系數在0.8 以上,雙層微穿孔板吸聲結構吸聲頻帶寬、吸聲系數大[12]。

圖6 雙層微穿孔板試驗件[11]Fig.6 The tested double layer variable aperture micro-perforated panel[11]

圖7 雙層微穿孔板吸聲系數試驗測試[12]Fig.7 Absorption coefficient test of double layer variable aperture micro-perforated panel[12]

4.3 可行性分析

從變孔徑微穿孔板吸聲系數理論仿真分析與試驗測試的結果可以看出,該吸聲系數具有頻率范圍寬、吸聲系數大等特點;同時,變孔徑微孔板無碎屑產生。變孔徑微孔板與其后的空腔組成吸聲結構,制成成品后,便于在軌更換安裝,且其容重與纖維類吸聲材料容重相當。

載人飛船、國際空間站、航天飛機和中國空間站[13]中的噪聲多為周期性旋轉噪聲,此時航天員處于空間微重力條件下,以往控制這種環境噪聲的方法是用吸聲布或纖維類、泡沫類材料。微重力作用下,密封環境中空氣密度不變,而空氣的粘滯系數變大,空氣的運動粘滯系數提高,變截面微穿孔板的吸聲系數將有所變大,變孔徑微穿孔板吸聲結構有望緩解環境噪聲污染。

5 結論

1)根據國際空間站的噪聲頻率特點,某型變孔徑微穿孔板在100 ～400 Hz 范圍內的吸聲系數在0.8 以上,該結構對于周期性噪聲的控制,其效果明顯。

2)通過對某型變孔徑微穿孔板的設計,對影響其吸聲系數結構參數進行優化,優化后可以獲取目標頻段內吸聲效果較好的結構,考慮到噪聲特點,在具體工程應用中,針對噪聲狀況,細化噪聲控制目標頻段,進一步優化結構參數。

3)變孔徑微孔板無碎屑產生,組成吸聲結構后,其容重與纖維類吸聲材料相當,且制成成品后,易于安裝和維護,環境適用性好。