空間站核心艙的全頻域聲振環(huán)境仿真預示研究

仲作陽，張海聯(lián)，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(shù)·

空間站核心艙的全頻域聲振環(huán)境仿真預示研究

仲作陽1，2，張海聯(lián)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(shè)備功率大、噪聲源數(shù)目多、聲振環(huán)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(tǒng)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(huán)控、熱控及推進分系統(tǒng)等多種噪聲源單獨工作或同時工作時密封艙內(nèi)的噪聲進行仿真，得到了艙內(nèi)全頻域噪聲水平特性分布，并對現(xiàn)有吸聲降噪措施進行了對比評價。研究結(jié)果表明：目前設(shè)計狀態(tài)下，三個睡眠區(qū)、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(xù)噪聲控制的重點。

空間站；全頻域聲振環(huán)境；統(tǒng)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(xù)、過度的噪聲環(huán)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(huán)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(nèi)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(shè)計階段就提出了系統(tǒng)級和單機的噪聲指標，將其作為一個系統(tǒng)設(shè)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(jīng)驗。但截至2015年，在軌測試結(jié)果顯示，美國節(jié)點艙3內(nèi)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(huán)境預示是指導空間站系統(tǒng)減振降噪設(shè)計、提出分系統(tǒng)設(shè)備減振降噪指標，以及設(shè)計地面試驗方案與試驗條件制定的重要依據(jù)［6］。對于我國空間站：一方面，由于不同性質(zhì)噪聲源在艙內(nèi)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(huán)境特性很復雜，導致聲振環(huán)境預示的難度很大；另一方面，由于其結(jié)構(gòu)形式、材料屬性非常復雜，整個預示模型可能出現(xiàn)子系統(tǒng)模態(tài)密度差異較大的情況。比如，空間站本體的主承力結(jié)構(gòu)往往剛度較大、模態(tài)稀疏，而站體大型外壁板、內(nèi)飾板等結(jié)構(gòu)的面積-質(zhì)量比較大，模態(tài)密集，對高頻激勵十分敏感［7］。

目前的各種聲振環(huán)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(huán)境預示難以用單一的分析方法實現(xiàn)［8］。例如在低頻段，由于空間站結(jié)構(gòu)和聲腔的模態(tài)較為稀疏，有限元和邊界元等基于單元離散技術(shù)的方法較為實用；而在高頻段，結(jié)構(gòu)和聲腔的模態(tài)密集且隨機特性影響突出，模態(tài)間的重疊現(xiàn)象也比較嚴重，因此統(tǒng)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(tǒng)內(nèi)的子結(jié)構(gòu)或子系統(tǒng)模態(tài)密度差異較大時，即一部分子結(jié)構(gòu)或子系統(tǒng)在某個頻段模態(tài)密集（波長較短），而另一部分模態(tài)稀疏（波長較長），系統(tǒng)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(huán)境的預示問題，采用傳統(tǒng)的低頻或高頻分析方法均很難解決。該問題一直是國內(nèi)外研究的熱點和難點［9］，主要研究方法包括區(qū)域分解技術(shù)（Domain Decomposition）［10］、波基方法（Wave-based Method，WBM）［11］、有限元-統(tǒng)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(huán)境預示問題涉及聲場與結(jié)構(gòu)耦合建模方法、結(jié)構(gòu)與聲的耦合效應分析、激勵源特別是聲源的模擬技術(shù)、關(guān)鍵力學參數(shù)獲取，以及力學環(huán)境預示的試驗驗證等一系列關(guān)鍵技術(shù)，故而該領(lǐng)域一直備受國內(nèi)外學者的關(guān)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(tǒng)、單機共同參與的系統(tǒng)工程。而載人航天器復雜聲振系統(tǒng)的全頻域響應分析技術(shù)是制約空間站噪聲控制設(shè)計的一項關(guān)鍵技術(shù)。本文擬基于聲學有限元、統(tǒng)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(jié)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(jié)構(gòu)有限元分析模型共計74.3萬個節(jié)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(jié)點，410萬個體單元。利用軟件統(tǒng)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(wǎng)格劃分軟件HyperMesh分別建立其結(jié)構(gòu)有限元模型和聲腔有限元模型；

2）在不考慮結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)模態(tài)和載荷作用下的速度響應；

3）將結(jié)構(gòu)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(wǎng)格映射，并設(shè)置聲學邊界條件，求解艙內(nèi)聲場分布。

限于網(wǎng)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(tǒng)計能量分析模型

本節(jié)基于統(tǒng)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(jù)空間站核心艙初樣三維模型，構(gòu)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(tǒng)計能量聲振耦合仿真分析模型，如圖2所示。

1）劃分子系統(tǒng)。首先將系統(tǒng)FE模型導入軟件VA one中，然后根據(jù)設(shè)計研究的需要在模型上選取點，建立系統(tǒng)或部件級別的聲腔和結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)。

2）創(chuàng)建及應用各種物質(zhì)、屬性和參數(shù)。首先針對不同的子系統(tǒng)分別確定其材料特性參數(shù)，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(tǒng)中。

3）確定系統(tǒng)的統(tǒng)計能量分析參數(shù)。主要包括模態(tài)密度、內(nèi)損耗因子、耦合損耗因子、輸入功率。

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

2.3 “中頻”有限元-統(tǒng)計能量混合模型

本文依據(jù)統(tǒng)計能量子系統(tǒng)劃分原則，將空間站核心艙共劃分為532個結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)和56個聲腔子系統(tǒng)。

圖3給出了具體的系統(tǒng)級高頻噪聲仿真流程及要素。具體地：

在上一節(jié)的統(tǒng)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(nèi)，由于各子系統(tǒng)之間的模態(tài)密度差異較大，得到的結(jié)果不一定精確。在該頻段，本節(jié)將對統(tǒng)計能量模型加以修改，應用有限元-統(tǒng)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(tǒng)計能量混合分析模型如圖4所示，將剛度較大的梁、筋等結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)劃分為有限元子系統(tǒng)，進行模態(tài)求解。結(jié)合上節(jié)的統(tǒng)計能量仿真分析模型，將所建有限元子系統(tǒng)與統(tǒng)計能量結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)和聲腔子系統(tǒng)分別進行混合連接，得到空間站核心艙的有限元-統(tǒng)計能量混合仿真分析模型，其中藍色連接為有限元-統(tǒng)計能量混合連接。

在長期載人飛行中，空間站的環(huán)控通風系統(tǒng)、壓氣機／液冷模塊以及控制力矩陀螺（CMG）等設(shè)備均會產(chǎn)生噪聲。目前，空間站已經(jīng)對噪聲源進行了系統(tǒng)性的識別，共梳理出41種噪聲源，共60余臺設(shè)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(jié)果

綜合“低頻”有限元模型、“中頻”有限元-統(tǒng)計能量混合模型和“高頻”統(tǒng)計能量模型的仿真結(jié)果，本節(jié)給出空間站核心艙的全頻域噪聲分布結(jié)果。其中，31.5～63 Hz頻帶內(nèi)的聲壓級主要由“低頻”有限元模型仿真得到，125～500 Hz頻帶內(nèi)的聲壓級主要由“中頻”有限元-統(tǒng)計能量混合模型仿真得到，1000～8000 Hz頻帶內(nèi)的聲壓級則主要由“高頻”統(tǒng)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(qū)和工作區(qū)通道在粘貼吸聲材料前后的全頻域聲壓級分布?？梢钥吹?，在目前設(shè)計階段，三個睡眠區(qū)、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(xù)噪聲控制的重點。采用現(xiàn)有吸聲降噪措施后，對三個睡眠區(qū)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(jié)果，仿真模型后續(xù)將根據(jù)空間站核心艙初樣最終構(gòu)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(jié)果、初樣整艙艙內(nèi)噪聲水平測試結(jié)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(chǔ)。

4 結(jié)論

本文基于聲學有限元法、統(tǒng)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(jié)果表明：目前設(shè)計狀態(tài)下，三個睡眠區(qū)、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(xù)噪聲控制的重點；采用現(xiàn)有吸聲降噪措施后，對三個睡眠區(qū)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(tǒng)需進一步辨識艙內(nèi)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(nèi)噪聲控制措施設(shè)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）