航天器設(shè)備艙噪聲分析及聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)

游　進(jìn)，郝　平，谷　巍

（中國(guó)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(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)

游進(jìn)，郝平，谷巍

（中國(guó)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(jià)獲得需要的聲學(xué)環(huán)境是航天器聲學(xué)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。對(duì)含多個(gè)隔艙的航天器設(shè)備艙采用統(tǒng)計(jì)能量分析法建立噪聲分析模型，根據(jù)實(shí)測(cè)聲源特性分析隔艙內(nèi)設(shè)備對(duì)航天員通道噪聲的影響，并針對(duì)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(jì)變量，采用遺傳算法對(duì)隔艙聲學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化以降低隔艙重量代價(jià)，優(yōu)化結(jié)果與初始設(shè)計(jì)相比，通道最大聲壓級(jí)減小3 dB，滿足通道噪聲要求，同時(shí)隔艙重量減小9%，驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的有效性。

聲學(xué)；載人航天器；統(tǒng)計(jì)能量分析；遺傳算法；聲學(xué)優(yōu)化；

對(duì)于載人航天器，艙內(nèi)噪聲是非常重要的環(huán)境因素，長(zhǎng)時(shí)間暴露于過高的噪聲環(huán)境會(huì)嚴(yán)重影響航天員的睡眠和工作，甚至造成航天員暫時(shí)或永久性聽力損傷。為避免噪聲危害，國(guó)際空間站設(shè)計(jì)時(shí)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(xué)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(jìn)行區(qū)隔封閉，因此艙內(nèi)噪聲需考慮振動(dòng)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(jì)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(zhǔn)確的分析結(jié)果，被用于美國(guó)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(jì)。航天器發(fā)射成本高昂，需對(duì)噪聲控制設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，以最少的聲學(xué)材料用量達(dá)到噪聲控制要求，目前基于SEA的聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(gè)噪聲源設(shè)備的載人航天器設(shè)備艙為對(duì)象研究艙內(nèi)噪聲，建立設(shè)備艙的SEA模型并通過試驗(yàn)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(duì)艙內(nèi)蜂窩板蜂窩芯子及吸聲材料厚度進(jìn)行優(yōu)化，以獲得滿足艙內(nèi)噪聲要求的重量最輕的聲學(xué)設(shè)計(jì)方案。

1　基于SEA的設(shè)備艙噪聲分析

1.1統(tǒng)計(jì)能量分析原理

假設(shè)航天器設(shè)備艙可劃分為N個(gè)包含結(jié)構(gòu)各類波場(chǎng)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(yàn)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(chǎng)間的耦合損耗因子通過板的輻射效率及互易定理計(jì)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(duì)簡(jiǎn)單的關(guān)系，蜂窩板等復(fù)合結(jié)構(gòu)的模態(tài)密度計(jì)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(gè)隔艙，其中隔艙1—3均安裝有2個(gè)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(gè)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(gè)噪聲源位于上下部位，將每個(gè)隔艙內(nèi)部劃分為兩個(gè)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(gè)板結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)，中間通道劃分為一個(gè)聲腔子系統(tǒng)，外殼劃分為12個(gè)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(yàn)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(duì)噪聲源設(shè)備在半消聲室進(jìn)行聲源特性測(cè)試，由17個(gè)測(cè)點(diǎn)組成半球形陣列，如圖3所示，測(cè)得兩種工況下總聲壓級(jí)最高的測(cè)點(diǎn)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(jí)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(gè)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(lì)，并考慮艙壁絕熱泡沫的吸聲作用，在63 Hz～8 000 Hz的8個(gè)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(cè)試

圖4　兩種工況下聲源最大聲壓級(jí)測(cè)點(diǎn)的聲壓譜

圖5　兩種工況下通道內(nèi)的聲壓譜

對(duì)比圖5與圖4可見，隔艙有較好的隔聲效果，但通道聲壓級(jí)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(jí)較高，經(jīng)蜂窩板隔聲后通道的聲壓級(jí)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(xué)設(shè)計(jì)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(jí)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(dá)到使隔艙整體重量最輕的目的。

目標(biāo)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(jì)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(dá)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(jìn)化機(jī)制的優(yōu)化算法，其將生物進(jìn)化過程中適者生存規(guī)則與種群染色體遺傳信息交換機(jī)制相結(jié)合，具有通用、并行、穩(wěn)健與全局尋優(yōu)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在解決非解析、非線性和多峰值優(yōu)化問題時(shí)具有很大優(yōu)勢(shì)。

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(jì)優(yōu)化流程

初始種群從設(shè)計(jì)變量的上下限內(nèi)均勻隨機(jī)選取并進(jìn)行染色體編碼，對(duì)初始種群進(jìn)行SEA分析并計(jì)算個(gè)體適應(yīng)度，通過判斷收斂條件是否滿足確定是否中止計(jì)算并輸出結(jié)果，在未達(dá)收斂條件時(shí)對(duì)種群進(jìn)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(jìn)行SEA分析，通過多次代際演化使種群逐步收斂?jī)?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(jì)變量和目標(biāo)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(xué)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)重量減小9%，此時(shí)對(duì)應(yīng)的蜂窩芯子及吸聲材料厚度見表2。

圖7　隔艙總重量?jī)?yōu)化過程

表2　優(yōu)化后的變量值

圖8　隔艙聲學(xué)優(yōu)化后航天員通道聲壓譜

對(duì)應(yīng)表2參數(shù)的通道內(nèi)聲壓級(jí)見圖8，相比隔艙的初始設(shè)計(jì)，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(jìn)行總聲壓級(jí)約束下聲學(xué)設(shè)計(jì)減重優(yōu)化的有效性。

3　結(jié)語

利用統(tǒng)計(jì)能量分析法對(duì)含多個(gè)隔艙的載人航天器設(shè)備艙噪聲進(jìn)行建模仿真，結(jié)果表明隔艙初始設(shè)計(jì)導(dǎo)致航天員通道聲壓級(jí)超出要求。對(duì)隔艙進(jìn)行吸聲處理，并以減小隔艙整體重量為目標(biāo)，采用遺傳算法對(duì)蜂窩板蜂窩芯子厚度及三聚氰胺吸聲層厚度進(jìn)行優(yōu)化，初始群體經(jīng)10次進(jìn)化優(yōu)化后達(dá)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(jì)算及結(jié)果表明遺傳算法可有效用于航天器聲學(xué)設(shè)計(jì)減重問題，并為其他領(lǐng)域的聲學(xué)設(shè)計(jì)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(jìn)（1981-），男，湖北省咸寧市人，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹教炱骺傮w設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究。E-mail:youjin1017@hotmail.com