行星大氣聲探測平臺(tái)聲學(xué)風(fēng)洞吸聲材料的選用

萬任新，張振龍*，楊曉超，湯曉忱，沈旭晨，尹 銚

（1.中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 101499；3.北京科奧克聲學(xué)技術(shù)有限公司，北京 100086；4.中國科學(xué)院 聲學(xué)研究所，北京 100190）

0 引言

深空探測尤其是對(duì)太陽系其他行星的探測是未來航天計(jì)劃的重要組成部分[1]，行星大氣使聲波傳播成為可能，聲波中蘊(yùn)含著大量的大氣成分、大氣分布及運(yùn)動(dòng)、氣候、行星內(nèi)部活動(dòng)等信息，因此聲探測技術(shù)對(duì)了解行星環(huán)境具有十分重要的科學(xué)意義。目前我國火星探測任務(wù)已完成“繞、落、巡”，木星系及行星際穿越探測進(jìn)入關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與方案深化論證階段[2]，水星探測也有了規(guī)劃，因此需要提前布局并建立相應(yīng)的行星環(huán)境地面模擬裝置。

丹麥奧爾胡斯大學(xué)為服務(wù)于ESA 的火星探測計(jì)劃研制了火星風(fēng)洞，能夠模擬火星表面的溫度、氣體組分、壓力、風(fēng)速和懸浮塵埃粒子等[3-4]。北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所在KM3E 內(nèi)部增加環(huán)狀回流式風(fēng)洞等，使其具備火星表面風(fēng)場、氣體溫度、氣體成分、壓力等綜合熱環(huán)境模擬條件[5]。中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心正在研制行星大氣聲探測平臺(tái)，該平臺(tái)除具備在成分、壓力、風(fēng)速等方面模擬行星大氣環(huán)境的能力外，首次將聲學(xué)測試環(huán)境模擬能力集成到裝置中，而聲學(xué)風(fēng)洞吸聲材料的選用對(duì)該平臺(tái)聲學(xué)測試環(huán)境消聲能力的構(gòu)建至關(guān)重要。目前，聲學(xué)風(fēng)洞吸聲材料在常溫常壓條件下的應(yīng)用已比較成熟[6-8]，在低壓低溫環(huán)境下的應(yīng)用尚未見報(bào)道。行星大氣聲探測平臺(tái)中吸聲材料的實(shí)際使用需要經(jīng)歷高真空后在低壓（700 Pa）低溫環(huán)境下，因此，需要摸索到底選用哪種材料最合適，在材料選用上需重點(diǎn)關(guān)注其耐低溫性能、在200～6300 Hz 頻率范圍內(nèi)的吸聲性能以及在高真空下的放氣率。

材料吸聲性能通常以吸聲系數(shù)表征，一般材料的吸聲系數(shù)α在0～1 之間，吸聲系數(shù)越大表明材料的吸聲性能越好[9]。材料的平均吸聲系數(shù)取其在125、250、500、1000、2000、4000 Hz 這6 個(gè)倍頻程中心頻率吸聲系數(shù)的算術(shù)平均值，吸聲材料的平均吸聲系數(shù)＞0.2[10-11]。在常溫常壓下纖維類吸聲材料通常具有良好的吸聲性能[12-13]。經(jīng)過大量的吸聲系數(shù)測試，本文以平均吸聲系數(shù)＞0.5 為標(biāo)準(zhǔn)挑選3 種纖維類候選材料，經(jīng)對(duì)比試驗(yàn)確定1 種材料作為聲學(xué)風(fēng)洞吸聲材料，并驗(yàn)證其應(yīng)用于行星大氣聲探測平臺(tái)聲學(xué)風(fēng)洞的可行性。

1 聲學(xué)風(fēng)洞吸聲材料選用要求

行星大氣聲探測平臺(tái)主要由真空系統(tǒng)和聲學(xué)風(fēng)洞2 部分組成，真空系統(tǒng)的功能是對(duì)行星大氣壓力、溫度及氣體成分等進(jìn)行環(huán)境模擬，聲學(xué)風(fēng)洞的功能是對(duì)風(fēng)場和聲學(xué)測試環(huán)境進(jìn)行模擬。聲學(xué)風(fēng)洞須背景噪聲低，尺寸足夠大（可進(jìn)行遠(yuǎn)場聲測量），無聲反射[14]。聲學(xué)風(fēng)洞主要由進(jìn)口轉(zhuǎn)彎段、穩(wěn)定段、消聲室試驗(yàn)段及風(fēng)扇段等構(gòu)成，詳見圖1。本文討論的吸聲材料主要用于聲學(xué)風(fēng)洞消聲室試驗(yàn)段。

圖1 聲學(xué)風(fēng)洞結(jié)構(gòu)Fig.1 Acoustic wind tunnel structure

1.1 吸聲材料選用要求

1）行星環(huán)境模擬裝置應(yīng)具備截止頻率200 Hz、背景噪聲低于10 dB(A)的自由聲場空間。因此聲學(xué)風(fēng)洞吸聲材料在200～6300 Hz 頻段內(nèi)的吸聲系數(shù)α越大越好。

2）行星環(huán)境模擬裝置需要模擬行星表面大氣成分、壓力等，以火星為例，裝置模擬火星大氣的配氣比例為二氧化碳95.68%、氮?dú)?.71%、氬氣1.61%，工作壓力為700 Pa。要保證并維持一定的配氣精度，需要先將裝置內(nèi)真空度抽至10-3Pa 量級(jí)，然后采用流量比混合法對(duì)裝置充氣。因此聲學(xué)風(fēng)洞吸聲材料需經(jīng)歷10-3Pa 量級(jí)高真空環(huán)境后在700 Pa 低壓環(huán)境下使用。聲速c與環(huán)境壓力的1/2次方成正比，故低壓環(huán)境下聲速降低、波長變短，對(duì)材料的吸聲和消聲更為有利，因此主要考慮在高真空環(huán)境下吸聲材料的放氣影響，放氣率越小越好。

3）火星、木星等行星表面的平均溫度低，因此行星環(huán)境模擬裝置支持-170 ℃低溫環(huán)境模擬，而本文初選的3 種纖維類候選材料的廠家推薦最低使用溫度僅為-90 ℃，極限使用低溫需要進(jìn)一步探索。同時(shí)，研究表明材料吸聲系數(shù)和溫度相關(guān)，在一定壓力下溫度變化會(huì)使材料表面的聲阻抗等發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致其吸聲系數(shù)變化[15]。因此，聲學(xué)風(fēng)洞吸聲材料需滿足經(jīng)歷-170 ℃低溫后吸聲性能在200～6300 Hz 頻段內(nèi)不受影響。

4）低溫易使纖維類吸聲材料變脆，因此吸聲材料需滿足在真空低溫環(huán)境下聲學(xué)風(fēng)洞內(nèi)部風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)不會(huì)使其脆化掉渣，以防止給裝置環(huán)境帶來污染。

1.2 對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通常在溫度越低的條件下材料越脆，為驗(yàn)證吸聲材料在-170 ℃下是否會(huì)由于低溫脆性喪失吸聲性能，分別對(duì)3 種纖維類候選材料（部分參數(shù)見表1）放入-196 ℃液氮罐浸透后再次測試其吸聲系數(shù)。通過真空抽氣時(shí)間測試和液氮冷凍前/后吸聲系數(shù)測試結(jié)果的對(duì)比來分析確定選取聲學(xué)風(fēng)洞吸聲材料。對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì)詳見圖2。

表1 3 種纖維類候選材料Table 1 Three fiber candidate materials

圖2 候選吸聲材料對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì)Fig.2 Comparative experimental design of candidate soundabsorbing materials

2 3 種材料對(duì)比試驗(yàn)的測試結(jié)果分析

2.1 吸聲系數(shù)測試及結(jié)果分析

在常溫常壓下將3 種候選材料分別制成厚度為200 mm，直徑為100 mm 和29 mm 的2 種尺寸的試驗(yàn)樣品，采用阻抗管傳遞函數(shù)法進(jìn)行測試，依據(jù)阻抗管吸聲測試系統(tǒng)雙傳聲器的傳遞函數(shù)可得到候選材料的吸聲系數(shù)[16]。傳遞函數(shù)是系統(tǒng)輸入與輸出間的固有特性，測量2 個(gè)傳聲器的復(fù)聲壓，根據(jù)傳聲器間距和傳聲器與試件的間距計(jì)算傳聲器之間的復(fù)傳遞函數(shù)，得到試件的法向入射吸聲系數(shù)[17]。為覆蓋吸聲系數(shù)的測試頻段200～6300 Hz，本文使用以下2 種阻抗管進(jìn)行測試：

1）阻抗管1——直徑100 mm，管長900 mm；傳聲器1 與試件間距L1=100 mm，傳聲器1 與傳聲器2間距L2=50 mm，吸聲系數(shù)測試范圍50～1600 Hz。

2）阻抗管2——直徑29 mm，管長1050 mm；傳聲器1 與試件間距L1=35 mm，傳聲器1 與傳聲器2間距L2=20 mm，吸聲系數(shù)測試范圍500～6300 Hz。

阻抗管吸聲測試系統(tǒng)主要由多通道聲分析儀、電容傳聲器、聲級(jí)校準(zhǔn)器、音頻功率放大器以及駐波管級(jí)阻抗管等構(gòu)成，如圖3 所示。

圖3 阻抗管吸聲測試系統(tǒng)Fig.3 Impedance tube sound absorption test system

3 種纖維類候選材料的吸聲系數(shù)測試結(jié)果見圖4，可以看到，在200～6300 Hz 頻率范圍內(nèi)，碳化聚丙烯腈纖維預(yù)氧絲棉的吸聲性能優(yōu)于其余2 種候選材料。

圖4 3 種纖維類候選材料的吸聲系數(shù)對(duì)比Fig.4 Comparison of sound absorption coefficients of three candidate fiber materials

為考察候選吸聲材料在-170 ℃環(huán)境下的吸聲性能，將候選材料樣品分別放入液氮罐冷凍，確保其被-196 ℃液氮浸透后再次測試其吸聲系數(shù)，并將測試結(jié)果與液氮冷凍前的吸聲系數(shù)測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，詳見圖5。結(jié)果顯示，在200～6300 Hz 頻率范圍內(nèi)，碳化聚丙烯腈纖維預(yù)氧絲棉和無膠長纖維白色玻璃棉在液氮冷凍前/后的吸聲系數(shù)無明顯變化，納米纖維棉在液氮冷凍后吸聲性能更佳。這表明，-196 ℃低溫沒有改變候選吸聲材料原有結(jié)構(gòu)，未使其喪失原有的吸聲性能，即候選材料均能耐受-196 ℃低溫環(huán)境。

圖5 三種吸聲材料液氮冷凍前/后吸聲系數(shù)對(duì)比Fig.5 Comparison of sound absorption coefficient of three soung-absorbing materials before/after liquid nitrogen freezing

2.2 真空抽氣時(shí)間測試及結(jié)果分析

在不考慮系統(tǒng)漏氣的情況下，高真空的抽氣時(shí)間主要由材料的放氣速率決定，一般材料的放氣速率呈指數(shù)衰減，使得抽氣時(shí)間也隨之呈指數(shù)延長[18]。對(duì)比3 種候選材料的抽氣時(shí)間，抽氣時(shí)間越短說明該種材料放氣速率越低，更適合于經(jīng)歷高真空環(huán)境后在低壓環(huán)境下使用。分別取相同質(zhì)量的3 種纖維類候選材料置于同一真空系統(tǒng)進(jìn)行真空抽氣時(shí)間測試，分別測試從常壓下抽真空至1.0 Pa 和1.3×10-3Pa的抽氣時(shí)間。測試采用KM1200-1500 熱真空試驗(yàn)系統(tǒng)，容器尺寸為?1.2 m×1.5 m（直段），抽真空系統(tǒng)含1 臺(tái)160 m3/h 的螺桿干泵和1 臺(tái)2000 L/s 的分子泵，極限真空度為5.0×10-5Pa。

三種纖維類候選材料的真空抽氣時(shí)間測試結(jié)果詳見表2。可以看到，碳化聚丙烯腈纖維預(yù)氧絲棉的抽真空時(shí)間明顯長于另外2 種候選材料的，表明其相較另外2 種材料，在真空下的放氣速率偏大，不適于在真空/低壓環(huán)境下使用。

要鼓勵(lì)學(xué)生“說”書。學(xué)生圍繞著課外書討論，這是教師非常期盼的事情，教師要鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)表對(duì)課外書的看法。針對(duì)最近閱讀的課外書、讀過的最喜歡的課外書或者是最討厭的課外書，學(xué)生很有話說。有時(shí)，學(xué)生不由自主地由課外書談到了自己的生活、自己的趣事，這也是可以的，教師不必立即制止，更不能批評(píng)，否則會(huì)棒殺孩子談?wù)搱D書的熱情和興趣。艾登·錢伯斯認(rèn)為，孩子在討論圖書中的“任何意見都彌足珍貴，即便是沒有道理可講的直覺或猜測”，如“我不知道”和“我猜的”。是的，在學(xué)生交流課外書這件事情上，學(xué)生是要夸的。學(xué)生能大膽地“說”書了，這就是成功。

表2 3 種纖維類候選材料抽氣時(shí)間對(duì)比Table 2 Comparison of pumping time with regard to three candidate fiber materials

2.3 小結(jié)

綜合對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，3 種候選材料均具備耐低溫性能，碳化聚丙烯腈纖維預(yù)氧絲棉的吸聲性能優(yōu)于另外2 種候選材料，但由于其在真空下的放氣率過大，不適用于經(jīng)歷真空環(huán)境后的低壓環(huán)境。對(duì)比另外2 種材料，無膠長纖維白色玻璃棉的吸聲性能和抽氣時(shí)間均優(yōu)于納米纖維棉，因此，本文最終選定無膠長纖維白色玻璃棉為聲學(xué)風(fēng)洞吸聲材料。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)及結(jié)果分析

為驗(yàn)證選定材料應(yīng)用于行星大氣聲探測平臺(tái)的實(shí)際效果，采用KM2-Y 真空試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

3.1 確定驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)象質(zhì)量

材料在真空下的污染量和質(zhì)量密切相關(guān)，因此需根據(jù)實(shí)際使用吸聲材料質(zhì)量縮比計(jì)算驗(yàn)證試驗(yàn)用吸聲材料質(zhì)量。行星環(huán)境模擬裝置有效空間為?4.2 m×10 m（直段），有效抽速Sp,valid=6047×6 (L/s)，實(shí)際需要吸聲材料質(zhì)量為200 kg 左右。KM2-Y 真空試驗(yàn)系統(tǒng)有效空間為?1.8 m×2.0 m（直段），極限真空度為8.6×10-6Pa，溫度范圍-180～180 ℃，有效抽速Sp,valid=5700 L/s。在高真空條件下，

式(1)～式(4)中：Q為真空容器內(nèi)的氣體負(fù)載；P為真空容器內(nèi)的真空度；Q1為真空容器和熱沉內(nèi)表面吸附及溶解氣體的解析釋放總量；Ai為容器內(nèi)第i種材料的表面積，cm2；qi為容器內(nèi)第i種材料的表面放氣率，Pa·L/(s·cm2)；M為吸聲材料的質(zhì)量；ρ為吸聲材料的密度；S為吸聲材料的底面積；h為吸聲材料的厚度；Q2為真空容器的漏率。

式(2)中Q1只考慮容器內(nèi)吸聲材料的放氣，熱沉放氣量極小不予考慮。行星大氣模擬裝置和KM2-Y 熱真空環(huán)境模擬系統(tǒng)均為設(shè)計(jì)制作良好的真空容器，取Q2=5×10-4Pa·L/s。式(3)中吸聲材料表面積只考慮其底面積S，吸聲材料厚度很小不予考慮。吸聲材料的密度ρ和厚度h在驗(yàn)證試驗(yàn)和實(shí)際使用中是一致的。結(jié)合式(1)～式(4)可得出驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)象的質(zhì)量為30 kg 左右。

3.2 驗(yàn)證試驗(yàn)及結(jié)果分析

為了防止選定材料脆裂掉渣，在實(shí)際使用中吸聲材料需包裹400 目304 不銹鋼網(wǎng)。將包裹好的試驗(yàn)對(duì)象放置于真空系統(tǒng)內(nèi)部平臺(tái)，見圖6。由于30 kg無膠長纖維白色玻璃棉的體積過大，導(dǎo)致其與設(shè)備內(nèi)紅外加熱籠加熱片接觸，為防范安全風(fēng)險(xiǎn)，將試驗(yàn)溫度設(shè)定為常溫（無須加熱），用石英晶體微量天平監(jiān)測試驗(yàn)過程污染量，試驗(yàn)要求為：在真空度優(yōu)于6.65×10-3Pa 的常溫環(huán)境下，連續(xù)監(jiān)測24 h 后的有機(jī)物污染量不應(yīng)大于1.0×10-7g/cm2。

圖6 放置在真空試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)的30 kg 無膠長纖維白色玻璃棉Fig.6 30 kg non-adhesive long fiber white glass wool placed in a vacuum test system

除了研究吸聲材料放氣的污染量影響外，本文還設(shè)計(jì)了一個(gè)振動(dòng)模擬裝置，在真空度優(yōu)于103Pa量級(jí)、-140 ℃低溫環(huán)境下模擬聲學(xué)風(fēng)洞風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)影響。結(jié)果表明，在真空低溫環(huán)境下所選定吸聲材料不會(huì)因?yàn)槁晫W(xué)風(fēng)洞風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而脆化掉渣，不會(huì)給行星模擬裝置帶來污染。

要說明的是，本行星環(huán)境模擬裝置主要模擬火星及木星大氣風(fēng)場，重點(diǎn)關(guān)注-140 ℃低溫環(huán)境，而-170 ℃屬極端情況，可待后續(xù)設(shè)備能力提升后再對(duì)選定吸聲材料在-170 ℃下開展相應(yīng)驗(yàn)證試驗(yàn)。

4 結(jié)束語

本文著眼于行星大氣聲探測平臺(tái)聲學(xué)風(fēng)洞中吸聲材料的應(yīng)用選材，在3 種纖維類候選吸聲材料基礎(chǔ)上，通過吸聲系數(shù)測試（耐低溫性能和真空抽氣時(shí)間測試）對(duì)比試驗(yàn)確定無膠長纖維白色玻璃棉作為聲學(xué)風(fēng)洞優(yōu)選吸聲材料，并對(duì)該材料開展了真空常溫下污染量和真空低溫下振動(dòng)影響驗(yàn)證試驗(yàn)，為行星大氣聲探測平臺(tái)聲學(xué)風(fēng)洞吸聲材料的選用提供了技術(shù)支撐。