彭華康,石 泳,賈世錦,黃 震,蘇 令,張振華
(中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部,北京100094)
載人航天器穩(wěn)態(tài)噪聲測(cè)量試驗(yàn)方法研究
彭華康,石 泳,賈世錦,黃 震,蘇 令,張振華
(中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部,北京100094)
為在地面研制期間對(duì)載人航天器密封艙內(nèi)穩(wěn)態(tài)噪聲進(jìn)行有效測(cè)量以減小在軌技術(shù)風(fēng)險(xiǎn),理論推導(dǎo)了背景噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的修正值,基于試驗(yàn)影響域、噪聲源識(shí)別及噪聲傳播路徑分析結(jié)果,提出了測(cè)量?jī)x器要求,研究了穩(wěn)態(tài)噪聲測(cè)量方法和試驗(yàn)流程,經(jīng)載人飛船地面模擬飛行試驗(yàn)驗(yàn)證,軌道艙內(nèi)穩(wěn)態(tài)噪聲測(cè)量結(jié)果與在軌實(shí)測(cè)值相差1.4 dB,二者吻合較好。
載人航天器;噪聲源識(shí)別;傳播路徑;背景噪聲;修正值
噪聲是指不需要或不期望的聲音[1]。載人航天器密封艙內(nèi)噪聲主要由連續(xù)的長(zhǎng)期噪聲即穩(wěn)態(tài)噪聲(Continuous Noise)和斷續(xù)的短期噪聲即間斷噪聲(Intermittent Noise)組成[2]。間斷噪聲主要來(lái)源于間斷工作的噪聲源,其作用時(shí)間短、易于防護(hù)。而穩(wěn)態(tài)噪聲主要來(lái)源于連續(xù)工作的噪聲源,即穩(wěn)態(tài)噪聲源,其作用時(shí)間長(zhǎng)、難以防護(hù),需對(duì)其進(jìn)行有效的降噪控制。維持載人航天器密封艙內(nèi)良好的穩(wěn)態(tài)噪聲水平非常重要,不僅可以保護(hù)航天員的聽(tīng)力系統(tǒng),便于航天員相互交流,還給航天員提供一個(gè)健康、安全、舒適的工作和生活環(huán)境。惡劣的穩(wěn)態(tài)噪聲環(huán)境不僅能引起航天員生理或心理上的不利變化[2],如不安、焦慮、注意力分散等,還能導(dǎo)致在軌工作效率下降,嚴(yán)重時(shí)將影響噪聲敏感設(shè)備的工作性能,損傷航天員的聽(tīng)力系統(tǒng),使其無(wú)法有效辨識(shí)系統(tǒng)警報(bào)聲或地面控制指令,導(dǎo)致誤判斷或誤操作等,嚴(yán)重影響飛行任務(wù)的安全。因此,需將載人航天器密封艙內(nèi)的噪聲水平控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi),并在地面研制期間進(jìn)行有效的測(cè)量和驗(yàn)證。
國(guó)際空間站建造過(guò)程中,美國(guó)國(guó)家航天局(NASA)專門(mén)成立了聲學(xué)辦公室(InternationalSpace Station Acoustics Office)和技術(shù)團(tuán)隊(duì)(Acoustics Working Group)[3-4],用來(lái)指導(dǎo)國(guó)際空間站噪聲控制的設(shè)計(jì)、實(shí)施和試驗(yàn)驗(yàn)證等[5-6],他們提出了很多值得借鑒的經(jīng)驗(yàn),其中很重要的一點(diǎn)就是在地面研制期間進(jìn)行充分的試驗(yàn)驗(yàn)證,以減小在軌技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。目前,我國(guó)在載人航天器噪聲控制和試驗(yàn)等方面的研究較少,隨著我國(guó)空間實(shí)驗(yàn)室和空間站工程的實(shí)施,國(guó)內(nèi)在這方面的研究逐步開(kāi)展。耿麗艷[7]等對(duì)載人飛船泄復(fù)壓過(guò)程中軌道艙間斷噪聲環(huán)境進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量研究,魏傳鋒[8]等對(duì)載人航天器穩(wěn)態(tài)噪聲進(jìn)行了仿真分析。目前,尚未見(jiàn)到有關(guān)載人航天器穩(wěn)態(tài)噪聲測(cè)量試驗(yàn)方法研究的文獻(xiàn)。
為獲取準(zhǔn)確、有效的穩(wěn)態(tài)噪聲測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果,首先,應(yīng)充分分析試驗(yàn)的影響域,盡量降低各種因素的影響;其次,應(yīng)有效識(shí)別噪聲源和噪聲傳播路徑,以減小噪聲源能量輻射的主方向?qū)υ囼?yàn)結(jié)果的影響;再次,應(yīng)盡量量化背景噪聲對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確;最后,測(cè)量方法的選擇很重要,直接影響測(cè)量結(jié)果的有效性。本文研究了一種載人航天器密封艙內(nèi)穩(wěn)態(tài)噪聲測(cè)量試驗(yàn)方法,解決了上述關(guān)心的問(wèn)題,完成了地面試驗(yàn)實(shí)施,并將試驗(yàn)結(jié)果和在軌實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果吻合較好。
從全面質(zhì)量管理理論的“人、機(jī)、料、法、環(huán)”五個(gè)角度出發(fā),影響載人航天器穩(wěn)態(tài)噪聲測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果的因素主要考慮以下幾個(gè)方面:
1)試驗(yàn)人員應(yīng)熟練操作測(cè)量設(shè)備;
2)測(cè)量設(shè)備應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,并在計(jì)量有效期內(nèi);
3)航天器自身技術(shù)狀態(tài)應(yīng)反映實(shí)際的工作狀態(tài),試驗(yàn)前,需確認(rèn)所有穩(wěn)態(tài)噪聲處于真實(shí)的在軌飛行狀態(tài);
4)需選擇正確的測(cè)量方法;
5)需降低試驗(yàn)場(chǎng)地環(huán)境對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,比如避開(kāi)其他輻射噪聲的作業(yè)活動(dòng),降低試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)空調(diào)、通風(fēng)等系統(tǒng)的工作負(fù)荷或臨時(shí)關(guān)閉;此外還要考慮天氣的影響,應(yīng)避開(kāi)雷電、暴雨等惡劣天氣。
噪聲是由振動(dòng)產(chǎn)生的,噪聲源即是產(chǎn)生振動(dòng)的物體[9]。載人航天器在軌運(yùn)行時(shí),產(chǎn)生振動(dòng)的物體主要涉及風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇、泵等設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)部件。
根據(jù)以上噪聲源識(shí)別方法,載人航天器產(chǎn)生振動(dòng)的噪聲源主要有:
1)強(qiáng)迫艙內(nèi)空氣對(duì)流換熱的熱控風(fēng)機(jī)和座艙風(fēng)扇;
2)為發(fā)熱量較大設(shè)備進(jìn)行降溫的風(fēng)機(jī);
3)驅(qū)動(dòng)凈化空氣的凈化通風(fēng)組件風(fēng)機(jī);
4)為空氣降溫收集冷凝水的冷凝干燥組件風(fēng)機(jī);
5)進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量和控制的陀螺轉(zhuǎn)子;
6)驅(qū)動(dòng)流體回路流動(dòng)的泵組件。
風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇、陀螺和泵等設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)部件,在軌運(yùn)行時(shí)會(huì)持續(xù)工作,形成機(jī)械性噪聲和空氣動(dòng)力性噪聲。機(jī)械性噪聲是由這些設(shè)備殼體以及與其相連的結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射的結(jié)構(gòu)噪聲,主要以橫波的形式向周圍結(jié)構(gòu)傳遞;空氣動(dòng)力性噪聲是這些設(shè)備的旋轉(zhuǎn)部件周期性地打擊空氣質(zhì)點(diǎn)引起空氣壓力脈動(dòng)形成旋轉(zhuǎn)噪聲,以及旋轉(zhuǎn)部件表面的湍流邊界層脫離引起氣流壓力脈動(dòng)形成的湍流噪聲。
假設(shè)某測(cè)點(diǎn)背景噪聲聲壓級(jí)為L(zhǎng)p′,實(shí)際噪聲聲壓級(jí)為L(zhǎng)p,在背景噪聲的影響下,測(cè)得的總聲壓級(jí)為參考聲壓各聲壓級(jí)滿足式(1)~(3):
總聲壓級(jí)與背景噪聲聲壓級(jí)之間的差值滿足式(5):
總聲壓級(jí)與實(shí)際噪聲聲壓級(jí)之間的差值滿足式(6):
由式(6)可知式(7):
將式(5)代入式(7),得到實(shí)際噪聲聲壓級(jí)Lp與總聲壓級(jí)之間的關(guān)系如式(8):
工程實(shí)際噪聲測(cè)量試驗(yàn)中,實(shí)際噪聲應(yīng)不小于背景噪聲,否則測(cè)量結(jié)果意義不大。當(dāng)背景噪聲和實(shí)際噪聲聲壓相同時(shí),即P′=P,由式(5)總聲壓級(jí)與背景噪聲聲壓級(jí)的差值可表示如式(9):
圖1 實(shí)際噪聲聲壓級(jí)修正曲線Fig.1 The corrected curve of real sound pressure level
由式(9)可知,背景噪聲聲壓級(jí)至少比總聲壓級(jí)低3 dB時(shí),測(cè)量結(jié)果才有意義。當(dāng)總聲壓級(jí)與背景噪聲聲壓級(jí)的差值不小于3 dB時(shí),背景噪聲對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的修正值如表1。
表1 總聲壓級(jí)與背景噪聲聲壓級(jí)的差值對(duì)實(shí)際噪聲聲壓級(jí)的修正量Table 1 The corrected value of real sound pressure level
綜上所述,噪聲測(cè)量試驗(yàn)中,有必要考慮背景噪聲對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響,并根據(jù)總聲壓級(jí)與背景噪聲聲壓級(jí)的差值對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)修正。
穩(wěn)態(tài)噪聲源發(fā)出的聲音的聲壓級(jí)可以是恒定的、起伏的或在某一段時(shí)間間隔內(nèi)緩慢變化。參考國(guó)內(nèi)和國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[10-11],評(píng)價(jià)載人航天器密封艙內(nèi)的穩(wěn)態(tài)噪聲,一般采用A計(jì)權(quán)聲壓級(jí),它主要模擬人耳聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)對(duì)響度的感受,與人耳主觀感覺(jué)比較接近,可以用聲級(jí)計(jì)等儀器直接測(cè)量。本章主要討論測(cè)量?jī)x器要求、A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)測(cè)量方法以及測(cè)試試驗(yàn)流程。
5.1 測(cè)量?jī)x器要求
測(cè)量?jī)x器應(yīng)至少滿足[12]中II級(jí)設(shè)備的要求。測(cè)量的前后,應(yīng)對(duì)整套測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行聲學(xué)校準(zhǔn),聲學(xué)校準(zhǔn)應(yīng)盡量在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行,前后兩次校準(zhǔn)值之差大于0.5 dB時(shí),測(cè)試結(jié)果無(wú)效。此外校準(zhǔn)器也應(yīng)定期進(jìn)行校準(zhǔn),應(yīng)符合[12]的要求。
5.2 A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的測(cè)量
如前所述,穩(wěn)態(tài)噪聲源工作時(shí)輻射的聲能量具有一定的波動(dòng)性,為更準(zhǔn)確地描述艙內(nèi)的聲學(xué)特性,可采用能量平均的方法,即將某一段時(shí)間內(nèi)測(cè)得的不同A計(jì)權(quán)聲壓級(jí),用一個(gè)聲壓級(jí)來(lái)表示,表征該段時(shí)間內(nèi)的聲學(xué)特性,這個(gè)聲壓級(jí)即為等效連續(xù)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)[13],用符號(hào)LAeq,T表示。
假設(shè)噪聲測(cè)量的采樣時(shí)間間隔為ΔT,測(cè)量時(shí)間段為T(mén),則等效連續(xù)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)可用公式(10)表示[14]:
式中,LpAi為第i個(gè)樣本的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí),n為在時(shí)間段T內(nèi)采集的樣本總數(shù)。
時(shí)間間隔ΔT可以是固定的,也可以是隨機(jī)的。如果實(shí)測(cè)噪聲的聲壓級(jí)起伏很小,變化范圍在5 dB以內(nèi),則測(cè)量結(jié)果的算術(shù)平均值近似等于等效連續(xù)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)[14],如式11)所示。
5.2.1 測(cè)量時(shí)間
測(cè)量時(shí)間段T的選擇很重要,時(shí)間段T內(nèi)的測(cè)試結(jié)果應(yīng)能反映被測(cè)物體真實(shí)的噪聲特性。載人航天器穩(wěn)態(tài)噪聲測(cè)量時(shí)間段應(yīng)覆蓋載人航天器在軌正常飛行狀態(tài),測(cè)量過(guò)程中穩(wěn)態(tài)噪聲源均應(yīng)正常工作,只有在這個(gè)時(shí)間段內(nèi),測(cè)量獲得的穩(wěn)態(tài)噪聲特性才能反映其真實(shí)的噪聲水平。
5.2.2 測(cè)量位置
傳聲器(測(cè)點(diǎn))的位置應(yīng)考慮航天員不在艙內(nèi)的情況下,放在占有該工作或休息空間的航天員的頭部附近。傳聲器應(yīng)盡可能地放在離外耳道入口約0.1 m處[15],以便接受較高的等效連續(xù)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)。
傳聲器的固定點(diǎn)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離噪聲源及其支撐結(jié)構(gòu),以減少噪聲源能量輻射的主方向?qū)y(cè)試結(jié)果的影響。載人航天器內(nèi)傳聲器的位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇等聲源的進(jìn)、出風(fēng)口和其支撐連接結(jié)構(gòu)。
為便于控制試驗(yàn)狀態(tài)和記錄試驗(yàn)結(jié)果,將傳聲器與艙外的聲級(jí)計(jì)用電纜連接起來(lái),從聲級(jí)計(jì)處讀取測(cè)量結(jié)果。測(cè)試設(shè)備的連接關(guān)系如圖2。
圖2 噪聲測(cè)試設(shè)備連接圖Fig.2 The connection relationship of noise measurement devices
5.3 試驗(yàn)流程
根據(jù)以上分析內(nèi)容,結(jié)合工程實(shí)踐,設(shè)計(jì)試驗(yàn)流程如圖3。
圖3 噪聲測(cè)量試驗(yàn)流程Fig.3 The flow chart of noise measurement experiment
主要工作內(nèi)容如下:
1)噪聲測(cè)量準(zhǔn)備
檢查噪聲測(cè)量?jī)x器的計(jì)量日期,安裝傳聲器,連接聲級(jí)計(jì)等準(zhǔn)備工作。
2)噪聲測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)
使用校準(zhǔn)器對(duì)噪聲測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行聲學(xué)校準(zhǔn),并記錄測(cè)試結(jié)果。
3)背景噪聲測(cè)量
載人航天器斷電狀態(tài)下,測(cè)量艙內(nèi)測(cè)點(diǎn)的背景噪聲,并記錄測(cè)試結(jié)果。
4)載人航天器狀態(tài)設(shè)置
載人航天器加電,設(shè)置在軌正常飛行狀態(tài),按照飛行程序正常啟動(dòng)穩(wěn)態(tài)噪聲源。載人航天器艙門(mén)關(guān)閉或虛掩。
5)載人航天器噪聲測(cè)量
測(cè)量艙內(nèi)測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)噪聲,并記錄測(cè)試結(jié)果。
6)噪聲測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)
使用校準(zhǔn)器對(duì)噪聲測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行聲學(xué)校準(zhǔn),并記錄測(cè)試結(jié)果。
7)測(cè)試設(shè)備撤收
噪聲測(cè)量設(shè)備斷電,拆除傳聲器和連接電纜,噪聲測(cè)量系統(tǒng)撤場(chǎng)。
基于上述試驗(yàn)方法,對(duì)載人飛船軌道艙穩(wěn)態(tài)噪聲進(jìn)行了測(cè)量,軌道艙內(nèi)穩(wěn)態(tài)噪聲是軌道艙、返回艙兩密封艙穩(wěn)態(tài)噪聲源輻射的機(jī)械性噪聲、空氣動(dòng)力性噪聲和非密封的推進(jìn)艙穩(wěn)態(tài)噪聲源輻射的機(jī)械性噪聲組成的。試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地環(huán)境、測(cè)量設(shè)備進(jìn)行了有效性確認(rèn),對(duì)試驗(yàn)人員進(jìn)行了崗位熟練度檢查,結(jié)果均滿足要求。
傳聲器固定在軌道艙中心上部II偏I(xiàn)II象限航天員工作區(qū)域的頭部附近,遠(yuǎn)離軌道艙所有穩(wěn)態(tài)噪聲源及其支撐結(jié)構(gòu),包括I偏I(xiàn)I象限中部的熱控風(fēng)機(jī)和下部的空氣凈化風(fēng)機(jī)、I象限上部和III象限下部的座艙風(fēng)扇、IV象限中部微波雷達(dá)熱控風(fēng)機(jī)和下部冷凝干燥組件風(fēng)機(jī),如圖4,固定點(diǎn)避開(kāi)了所有風(fēng)機(jī)風(fēng)扇的進(jìn)口、出口及其支撐連接結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)前,載人飛船斷電,對(duì)軌道艙內(nèi)背景噪聲進(jìn)行了測(cè)量,實(shí)測(cè)背景噪聲小于55 dBA。試驗(yàn)過(guò)程中,載人飛船模擬在軌正常飛行狀態(tài),整船所有穩(wěn)態(tài)噪聲源均按飛行程序正常工作。試驗(yàn)測(cè)量過(guò)程覆蓋了載人飛船在軌飛行的正常模式,共隨機(jī)測(cè)得22個(gè)數(shù)據(jù),如表2,變化曲線如圖5。試驗(yàn)后對(duì)噪聲測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了校準(zhǔn),前后兩次聲學(xué)校準(zhǔn)值之差滿足小于0.5 dB的要求,表明測(cè)量結(jié)果有效。
圖4 傳聲器固定位置Fig.4 The fixed location of microphone
表2 載人飛船軌道艙內(nèi)穩(wěn)態(tài)噪聲試驗(yàn)值Table 2 The experimental value of continuous noise in the orbit module of manned spaceship
從圖5可知,測(cè)量結(jié)果在64~66.5 dBA之間,變化范圍小于5 dB,根據(jù)式(11),載人飛船軌道艙內(nèi)等效連續(xù)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)等于各個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值,即65.6 dBA。基于第4章分析結(jié)果,軌道艙內(nèi)背景噪聲與總體噪聲測(cè)量結(jié)果差值在10 dB以上,此時(shí)背景噪聲的影響可忽略。
圖5 試驗(yàn)結(jié)果變化曲線Fig.5 The curve of experiment results
查詢我國(guó)交會(huì)對(duì)接任務(wù)期間的在軌數(shù)據(jù),載人飛船在軌正常飛行時(shí),軌道艙內(nèi)穩(wěn)態(tài)噪聲實(shí)測(cè)值為64.2 dBA,與地面試驗(yàn)測(cè)量值65.6 dBA相比,相差1.4 dB,結(jié)果吻合較好。
本文對(duì)載人航天器密封艙內(nèi)穩(wěn)態(tài)噪聲測(cè)量的試驗(yàn)方法進(jìn)行了研究,提出了測(cè)量?jī)x器、A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)測(cè)量時(shí)間和位置要求,明確了試驗(yàn)流程,經(jīng)載人飛船地面試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和在軌實(shí)測(cè)值相差1.4 dB,二者吻合較好。結(jié)果表明,本文研究的載人航天器穩(wěn)態(tài)噪聲測(cè)量試驗(yàn)方法可行、有效,具有可觀的工程應(yīng)用價(jià)值。
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Research on Measurement Method of Continuous Noise in Manned Spacecraft
PENG Huakang,SHI Yong,JIA Shijin,HUANG Zhen,SU Ling,ZHANG Zhenhua
(Institute of Manned Space System Engineering,China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China)
Effective measurement of the continuous noise in the sealed cabin of manned spacecraft during ground test is an important way to reduce the on-orbit technical risks.The corrected value of the test result was gained by theoretical method.Based on the study of the experimental effect domain,the noise source identification,the noise generation mechanism and the transmit paths,a measurement method of the continuous noise in the manned spacecraft was studied.The ground simulation test and the on-orbit measurement were conducted in the orbit module of the manned spaceship.It is verified that the experimental results accord well with the data on orbit.
manned spacecraft;noise source identification;transmit path;background noise;corrected value
V416.6;TB53
A
1674-5825(2016)05-0576-06
2015-06-30;
2016-08-14
彭華康(1984-),男,碩士,工程師,研究方向?yàn)檩d人航天器總體設(shè)計(jì)。E-mail:penghuakang@aliyun.com