封閉空間低氣壓環(huán)境對噪聲測量的初步研究

李遠(yuǎn)飛， 梁鴻影， 何新星， 費(fèi)錦學(xué)， 王 博， 程 亮

(中國航天員科研訓(xùn)練中心， 北京 100094)

1 引言

在載人航天任務(wù)中，空間密閉狹小、設(shè)備高度集中，聲源設(shè)備復(fù)雜多樣，艙內(nèi)聲環(huán)境噪聲強(qiáng)度較高。 過高強(qiáng)度的噪聲暴露會對航天員身心健康、工作效率等產(chǎn)生不良影響，為此在航天器內(nèi)設(shè)有聲環(huán)境安全限值。 載人航天聲環(huán)境的噪聲測評是評估分析噪聲環(huán)境是否超標(biāo)及是否對航天員造成不良影響的重要環(huán)節(jié)。 大氣壓力制度作為航天器的頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)之一，直接影響航天器聲環(huán)境、代謝參數(shù)、熱舒適性等指標(biāo)的制定。 在登月任務(wù)及出艙活動中，航天器內(nèi)需采用低壓力制度，既可以滿足人體生理要求，又具有節(jié)約資源消耗，減小航天器殼體重量，工程代價低等優(yōu)勢。 不同于國際空間站乘員艙艙內(nèi)采用的1 atm 壓力制度，阿波羅任務(wù)的2 艘載人飛行器指揮艙和登月艙在設(shè)計(jì)時分別采用了5.0 PSIA(34.5 kPa)和4.8 PSIA(33.1 kPa)的低壓力制度。 研究噪聲在特殊的低壓力環(huán)境下的能量和頻率特性，是制定載人航天器噪聲容許限值、測評低壓聲環(huán)境、分析低壓環(huán)境下對言語交流的影響、實(shí)施聽力保護(hù)裝具研制以及開展低氣壓噪聲對人體聽覺系統(tǒng)影響研究的前提。

在進(jìn)行低氣壓環(huán)境噪聲測量時，由于氣壓降低改變了空氣密度，從而引起聲波傳播特性的改變。 同時，測量傳聲器的輸出同樣受到環(huán)境壓力變化的影響，傳聲器在設(shè)計(jì)時利用均壓孔來平衡內(nèi)外的壓力，防止氣壓變化所引起的膜片擠壓，進(jìn)而避免傳聲器頻率響應(yīng)急劇改變。 但由于氣壓降低后空氣密度改變，影響了傳聲器隔膜膜片后面空腔的阻抗，最終導(dǎo)致傳聲器靈敏度也隨之改變。 傳聲器的靈敏度隨氣壓的降低呈升高趨勢。

低壓環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域較少，其對聲源傳播特性及噪聲測試的聲學(xué)研究文獻(xiàn)也不多，本文在低壓實(shí)驗(yàn)艙模擬不同氣壓環(huán)境，選用3 種傳聲器，研究白噪聲在不同低壓環(huán)境下聲壓級和1/3 倍頻帶聲壓級的變化，以期為載人航天任務(wù)中的低壓聲環(huán)境測評提供實(shí)驗(yàn)參考依據(jù)。

2 方法

2.1 低壓實(shí)驗(yàn)艙

采用中國航天員科研訓(xùn)練中心研制的低壓實(shí)驗(yàn)艙，單艙一門臥式結(jié)構(gòu)，艙體內(nèi)徑1.2 m，總長約1.7 m。 艙體設(shè)計(jì)溫度為常溫，包括3 個150 mm 的觀察窗，實(shí)驗(yàn)艙系統(tǒng)主要附件包括2SK－3 水環(huán)式真空泵和獨(dú)立式控制臺，可控制艙內(nèi)按照0 ～0.2 MPa/min 速率加壓及減壓。 低壓實(shí)驗(yàn)艙為鋼體材料，內(nèi)表面無吸聲材料，艙內(nèi)近似擴(kuò)散場；載人航天器內(nèi)飾材料具有一定吸聲能力，因此低壓實(shí)驗(yàn)艙與載人航天器內(nèi)聲場存在一定差異。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及連接

為探究自由場傳聲器與壓力場傳聲器，以及不同尺寸傳聲器在該聲場條件下對測試結(jié)果的影響，分別選擇3 種型號傳聲器，傳聲器基本參數(shù)和氣壓修正系數(shù)如表1 所示。 在測試前使用B＆K4231 聲校準(zhǔn)器在常壓環(huán)境下對3 種傳聲器進(jìn)行聲校準(zhǔn)。

表1 測試傳聲器參數(shù)Table 1 Parameters of the test microphones

在低壓實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)放置B＆K4292(丹麥B＆K公司，下同)全指向聲源和傳聲器。 全指向聲源為十二面體結(jié)構(gòu)，以球面分布12 只揚(yáng)聲器均勻發(fā)出聲音。 聲源通過Speakon 線纜與艙外B＆K2734功率放大器連接，功率放大器內(nèi)置信號發(fā)生器，測試時選擇白噪聲作為輸出。

測試時傳聲器與艙外B＆K3160 數(shù)據(jù)采集模塊連接，數(shù)據(jù)采集模塊分析帶寬為51.2 kHz。 傳聲器放置在艙內(nèi)距離聲源1 m 處，傳聲器所在位置在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行標(biāo)定，每次測試位置保持固定不變。 所有穿艙線纜均通過艙體密封法蘭處穿艙。實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of equipment connection

低壓實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)溫度26 ℃、濕度45%，溫度和濕度對測量結(jié)果的影響忽略不計(jì)。 當(dāng)艙內(nèi)泄壓至41 kPa 時，低壓實(shí)驗(yàn)艙抽氣所引起的背景噪聲達(dá)到最大值88.3 dBA，實(shí)驗(yàn)時聲源輸出聲壓級高于104 dB，高于艙內(nèi)背景噪聲15 dB，因此，可以認(rèn)為背景噪聲對測試無影響。

2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1)聲源輸出功率不變、不同氣壓下聲壓級變化。 測試聲源輸出功率不變的條件下，艙內(nèi)氣壓由常壓101 kPa 開始，按照每10 kPa 的間隔控制進(jìn)行減壓，將艙內(nèi)環(huán)境氣壓分別降到91，81，71，61，51，41 kPa，同時聲源持續(xù)輸出白噪聲，強(qiáng)度不變，記錄噪聲時域信號。 每當(dāng)氣壓降至不同壓力值時，維持艙內(nèi)壓力穩(wěn)定，記錄對應(yīng)氣壓條件下的噪聲測試聲壓級結(jié)果。 完成一種傳聲器測試后更換另一傳聲器，直至完成3 種傳聲器的測試。

2)改變聲源的初始輸出功率，增加或降低5 dB，研究噪聲初始條件改變后噪聲衰減值是否隨之改變。 測試分為2 組，一組將聲源輸出聲壓級增加5 dB，再對低壓實(shí)驗(yàn)艙進(jìn)行減壓，使用B＆K4966 傳聲器記錄不同艙壓下的噪聲測試結(jié)果；另一組將聲源輸出聲壓級減小5 dB，按照相同方法，使用B＆K4138 傳聲器記錄不同艙壓下的噪聲測試結(jié)果。 利用2 組測試結(jié)果，分析噪聲的衰減值是否與聲源強(qiáng)度初始條件改變有關(guān)。

3 結(jié)果

3.1 相同聲源輸出功率測試結(jié)果

設(shè)定功率放大器輸出功率不變，3 種傳聲器在不同低氣壓條件下得到的測試結(jié)果見表2。 表2中最后一行為根據(jù)表1 內(nèi)傳聲器壓力修正系數(shù)，對41 kPa 壓力條件下聲壓級進(jìn)行修正后的數(shù)據(jù)。

從表2 可以看出，氣壓由常壓降低了60 kPa后，3 種傳聲器測試結(jié)果線性聲壓級降低7.74 ～8.10 dB，A 計(jì)權(quán)聲級降低8.09 ～8.18 dBA。 隨著氣壓的降低，每降低10 kPa 氣壓后聲壓級降低幅度逐漸增加。 低壓實(shí)驗(yàn)艙減壓60 kPa 后，3 種傳聲器測試的線性聲壓級衰減值最大相差0.36 dB，A 計(jì)權(quán)聲級衰減值最大相差0.09 dBA。 對不同氣壓條件下3 種傳聲器測試的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行1/3倍頻程分析，頻譜圖如圖2 所示。

圖2 3 種傳聲器的不同氣壓條件下白噪聲1/3 倍頻程頻譜Fig.2 1/3 octave spectrum of white noise for three microphones under different pressure conditions

表2 低壓條件下3 種型號傳聲器測試白噪聲結(jié)果Table 2 Test results of white noise for three types of microphones under hypobaric pressure dB

從圖中可以看出3 種傳聲器測得的噪聲1/3倍頻程聲壓級變化趨勢基本一致。 在中心頻率315～6300 Hz 的1/3 倍頻帶頻率范圍內(nèi)，3 種傳聲器測試的頻帶聲壓級均隨著氣壓的降低呈現(xiàn)連續(xù)下降的趨勢。

3.2 改變聲源初始聲壓級測試結(jié)果

聲源輸出聲壓級增加5 dB 后，對不同氣壓條件下的噪聲測試結(jié)果見表3 所示，其中條件1 在常壓環(huán)境下將聲源初始聲壓級設(shè)置為112.57 dB，條件2 在常壓環(huán)境下將聲源聲壓級增加5 dB。由于傳聲器型號相同，表中測試結(jié)果未根據(jù)壓力修正系數(shù)對結(jié)果進(jìn)行修正。 可以看出聲源聲壓級增加5 dB 后不同氣壓條件下聲壓級衰減值變化量基本一致。

表3 低氣壓環(huán)境不同聲源激勵條件下自由場傳聲器測試結(jié)果Table 3 Test results of free field microphone in hypobaric pressure environment under different sound source excitation conditions

聲源輸出聲壓級減小5 dB 后對不同氣壓條件下的噪聲測試結(jié)果如表4 所示，條件3 在常壓環(huán)境下將聲源聲壓級降低5 dB。 測試選擇B＆K4138 傳聲器。 表中測試結(jié)果同樣未進(jìn)行壓力修正。 可以看出聲源聲壓級減小5 dB后不同氣壓條件下聲壓級衰減值變化量基本一致。

表4 低氣壓環(huán)境不同聲源激勵條件下壓力場傳聲器測試結(jié)果Table 4 Test results of pressure field microphone in hypobaric pressure environment under different sound source excitation conditions

對比2 種類型傳聲器對不同聲源激勵條件下的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改變聲源白噪聲的聲壓級輸出，不論是聲壓級增加或降低，在環(huán)境壓力降低了60 kPa 后，由空氣密度降低導(dǎo)致的聲壓級衰減程度基本一致。

4 討論

NASA 針對登月航天器開展了高空聲學(xué)試驗(yàn)，Goodman 等在實(shí)驗(yàn)研究中指出5.0 PSIA(34.5 kPa)環(huán)境壓力下，噪聲降低7 ～8 dB，而結(jié)構(gòu)力學(xué)部門研究則認(rèn)為噪聲降低4.7 dB。 本文聲壓級測量結(jié)果，艙壓由101 kPa 減至41 kPa，線性聲壓級降低7.74 ～8.10 dB，與NASA 研究結(jié)果接近，測量結(jié)果受以下因素影響:①揚(yáng)聲器靈敏度受氣壓變化影響；②氣壓改變對噪聲傳播的影響；③由于本實(shí)驗(yàn)噪聲源采用的是揚(yáng)聲器，在不同氣壓條件下?lián)P聲器靈敏度同樣會受到影響。

氣壓的減小會對傳聲器低頻和中頻的靈敏度有輕微的影響，聲壓在共振頻率處對振膜作用力減小，引起振膜欠阻尼運(yùn)動，最終造成處響應(yīng)得到加強(qiáng)，靈敏度降低。 在高頻段，頻率越高聲散射的影響越顯著，同一傳聲器在不同聲場的頻響曲線形狀也會存在差異。 載人航天器艙內(nèi)噪聲近似隨機(jī)入射，此時開展噪聲測試應(yīng)選擇在擴(kuò)散場中具有平坦響應(yīng)的傳聲器。 雖然傳聲器的自由場響應(yīng)和擴(kuò)散場響應(yīng)在高頻存在差異，但是在本實(shí)驗(yàn)中所使用自由場和壓力場傳聲器以及不同尺寸傳聲器的測試結(jié)果差異不顯著，這可能是因?yàn)樵?15 ～6300 Hz 測試范圍內(nèi)可認(rèn)為壓力場與自由場靈敏度幾乎一致，對于工程測量，所選傳聲器均可滿足測試要求。 由于傳聲器類型的不同，當(dāng)置于自由聲場時，相同條件的測試結(jié)果可能與擴(kuò)散場時不同，但由于實(shí)驗(yàn)條件限制，本文未開展自由場聲環(huán)境的低氣壓噪聲測試研究，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還需今后進(jìn)一步研究積累。

本文結(jié)果在315 ～6300 Hz 頻率范圍內(nèi)，噪聲測量值隨氣壓下降而降低，由于低氣壓環(huán)境下人耳入射聲波聲能的減小，聲壓級的降低對作業(yè)人員面對面通話的影響可能會更為明顯。 此外，低氣壓條件下空氣阻抗會變小，導(dǎo)致人外耳道中空氣與中耳及耳蝸的聲阻抗相對比值發(fā)生變化，將引起聲波傳入人耳內(nèi)的聲能減小，聲波傳播規(guī)律和人耳接收聲能均發(fā)生了變化，使得研究低壓環(huán)境對通話的影響也變得更加復(fù)雜。

改變聲源輸出功率后，白噪聲隨氣壓下降所導(dǎo)致的聲壓級降低幅度未見明顯改變，這提示可以通過本文的測試結(jié)果預(yù)測不同聲源在低氣壓條件下的聲壓級。

今后可在低壓艙內(nèi)改變艙內(nèi)飾材料，進(jìn)一步對載人航天器內(nèi)聲場環(huán)境進(jìn)行模擬，開展航天器內(nèi)特殊聲場環(huán)境噪聲傳播特性及通話效果的研究。

5 結(jié)論

本文通過低壓實(shí)驗(yàn)艙模擬不同氣壓環(huán)境，選擇3 種傳聲器對低壓實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)白噪聲進(jìn)行測試。結(jié)論如下:

1)在低壓實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，艙壓由101 kPa 減至41 kPa后與常壓相比，3 種傳聲器測試結(jié)果顯示，白噪聲的線性聲壓級降低7.74 ～8.10 dB，A 計(jì)權(quán)聲級降低8.09～8.18 dBA；

2)低壓實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)隨著氣壓的降低，中心頻率315～6300 Hz 的1/3 倍頻帶范圍內(nèi)，頻帶聲壓級隨著氣壓的降低呈現(xiàn)連續(xù)下降趨勢；

3)聲壓級的降低幅度與環(huán)境壓力變化有關(guān)，與聲源的初始聲壓級變化無關(guān)；

4)在載人航天低壓環(huán)境下的噪聲評價及制定低壓下噪聲限值時，應(yīng)考慮低氣壓下噪聲聲壓級數(shù)值的改變。

5)在擴(kuò)散場環(huán)境下，本文選擇的不同類型傳聲器在選擇的測定范圍內(nèi)測試結(jié)果無明顯差異，若在自由場環(huán)境下測試結(jié)果可能存在差異，還需進(jìn)一步研究和數(shù)據(jù)積累。