空间站舱内噪声仿真、验证与声源布局优化

冯国松，杨 江，武 耀，王 栋，孙 通，冯咬齐,2

（1. 北京卫星环境工程研究所；2. 北京卫星环境工程研究所 可靠性与环境工程技术重点实验室：北京 100094）

空间站舱内噪声仿真、验证与声源布局优化

冯国松1，杨 江1，武 耀1，王 栋1，孙 通1，冯咬齐1,2

（1. 北京卫星环境工程研究所；2. 北京卫星环境工程研究所 可靠性与环境工程技术重点实验室：北京 100094）

文章开展了空间站舱内噪声仿真研究，给出了声学参数设置方法，使用FE/FEM耦合方法和SEA方法完成了空间站模拟舱建模仿真分析，设计了模拟舱噪声验证试验，提出了基于声功率等效的声源模拟技术，证明了两种方法结合可在全频段较好地预示空间站舱内噪声环境，仿真总声压级与测试结果偏差在2 dB以内。最后对空间站的声源布局进行了优化分析，结果表明集中布局更有利于降低噪声水平。

空间站；舱内噪声；仿真；FE/FEM耦合；SEA方法; 试验验证；声源布局

0 引言

空间站舱内噪声会影响航天员的正常生活，如干扰语言交流、分散注意力、影响睡眠等，严重时还能造成航天员听力损失以及其他生理损害[1]，因此需要对舱内噪声进行严格控制。我国空间站目前正在建设当中，开展舱内噪声环境仿真预示分析，对提高空间站降噪设计水平、缩短研制周期和降低研制成本有重要意义。

中低频段声学仿真一般采用数值计算方法。而针对空间站舱体中低频的声学仿真问题，需要采用声振耦合分析方法。对于舱内声场的声振耦合计算，采用结构有限元/声学有限元耦合方法（coupled FE/FE method）计算效率较高[2]。高频段声学仿真中，密集的结构模态将导致数值方法的计算量急剧增大，一般采用统计能量分析方法（SEA）[3]。

本文针对空间站舱内噪声环境仿真预示问题，拟采取如下研究思路：首先，基于FE/FEM耦合和SEA方法，分别进行空间站模拟舱的声学建模和仿真，给出声学参数设置方法，将两种噪声仿真结果进行综合，得到模拟舱内全频段的噪声响应；然后，设计模拟舱噪声验证试验，提出基于声功率等效的声源模拟技术，并同仿真结果进行对比，以验证两种仿真方法的有效性；最后，对空间站的声源布局进行优化仿真分析，旨在为后期空间站舱内降噪设计提供参考。

1 声学仿真基本原理

1.1 FE/FEM耦合基本原理

声学有限元模型可表示为[2]

式中：Ma、Ca和Ka分别为声腔的质量、阻尼和刚度矩阵；{pi}为声压响应；{Fa}为声载荷。

结构有限元模型可表示为[2]

式中：Ms、Cs和Ks分别为结构的质量、阻尼和刚度矩阵；{wi}为结构位移响应；{Fs}为结构载荷。

声学有限元和结构有限元的耦合通过结构耦合矩阵来实现，将式(1)和式(2)进行综合后得到的耦合矩阵为[2]

式中：{Fai}和{Fsi}分别为加载到耦合模型上的声激励和结构激励；Kc为耦合刚度矩阵；-ρ0KcT是耦合质量矩阵。耦合矩阵与结构位移和声场声压有关。

1.2 SEA方法基本原理

统计能量分析方法基于系统的保守弱耦合假设，利用统计分析手段，以振动能量作为描述子系统响应的基本参数，通过建立子系统间的功率流平衡方程来求解系统的响应。系统响应的分析频率越高，分析带宽内模态越密集，则越适用统计能量分析。

假设系统中有k个耦合的子系统，则通过统计能量分析方法建立的功率流平衡方程为[3]

式中：ηi、ni、Ei和Pi,in分别为第i个子系统的内损耗因子、模态密度、能量和输入功率；ηij为子系统i和j的耦合损耗因子。

通过式(4)求解出各个子系统的振动能量，可以转化为所需要的动力学响应参数（振动量级、声压级、应力、压力等）。对于声腔子系统的响应，一般通过声压级来描述。声腔中声场能量Ea和声压p的关系式为[3]

式中：V0为声腔体积；ρa为介质密度；Ca为介质内的声速。

声压和声压级Lp之间的换算关系为

式中：pr为参考声压，pr= 20 µPa。通过式(5)和式(6)，可求得声腔子系统的声压级响应。

2 空间站模拟舱

通过搭建空间站模拟舱（见图1）来模拟空间站舱内的噪声环境。在一个圆柱形舱段内安装通道面板，将内部隔离成中心通道及其他功能区域；在舱壁和通道面板上粘贴30 mm厚的三聚氰胺泡沫（其材料属性见表 1），用于吸声降噪；在舱段底部的设备安装板上增加声源隔舱，用于安装扬声器作为模拟声源。舱壁材料为铝合金5A06，厚度为2.5 mm。

图1 空间站模拟舱Fig. 1 The simulated space station module

表1 三聚氰胺泡沫属性Table 1 The properties of melamine foam

3 中低频声学仿真分析

3.1 FE/FEM建模

空间站模拟舱的中低频声学仿真建模软件为LMS Virtual.Lab。其中结构和声腔均采用有限元方法来建模，仿真分析频率为31.5～500 Hz。根据最大分析频率对应波长内需有 6个有限元节点的要求，有限元网格尺寸不大于0.05 m。FE/FEM耦合仿真模型如图2所示。

仿真模型中声腔空气参数定义为声速344 m/s，密度1.225 kg/m3。

软件中需要对表面赋予不同的吸声特性（声阻抗）来表征三聚氰胺泡沫材料的吸声作用。声阻抗z与吸声系数α0的换算关系为[4]

图2 模拟舱FEM耦合仿真模型Fig. 2 Coupled FE/FEM model of the space station module

利用混响室法测得三聚氰胺泡沫的吸声系数。声阻抗一般为复数，可通过吸声系数换算得到的声阻抗只作为实部输入，虚部设为0（认为p和v的相位差为0）。得到三聚氰胺泡沫的声阻抗见表2。

表2 三聚氰胺吸声系数和声阻抗Table 2 Acoustic absorbing coefficient and impedance of melamine foam

FE/FEM耦合仿真模型中，模拟舱内的扬声器声源用单极子声源来模拟，输入声压谱见表3。

表3 模拟声源声压谱Table 3 Noise pressure spectrum of a typical noise source

3.2 中低频仿真结果

利用FE/FEM耦合仿真模型计算的结果见表4，500 Hz 舱内噪声仿真云图见图3。可以看出，测点噪声响应随着位置远离，声压级逐渐减小；测点低频响应的能量集中在250 Hz频带内，与声源激励一致。

表4 中低频仿真结果Table 4 Noise spectrum analysis at low frequencies

图3 舱内噪声仿真云图（500 Hz）Fig. 3 Pressure map of noise levels at 500 Hz

4 高频声学仿真分析

4.1 SEA建模仿真

利用VA One软件建立的空间站模拟舱的SEA仿真模型见图4。

在统计能量分析建模时，将舱壁结构简化为各向同性板或壳。利用VA One软件的声学包模块对舱内铺设的三聚氰胺吸声材料建模，作为吸声层设置到结构子系统表面。模拟舱内部空气简化为声腔子系统。

图4 模拟舱SEA仿真模型Fig. 4 SEA model of the space station module

子系统的模态密度、内损耗因子、耦合损耗因子等统计能量参数一般通过试验测得。子系统模态密度可用仿真软件根据经验公式计算；统计能量分析由于假定各子系统间弱耦合，耦合损耗因子也可通过经验公式计算且对结果影响不大；因此，最后考察内损耗因子对仿真结果的影响。结合大量经验公式和试验结果[5-6]，仿真模型中结构舱壁（铝）的内损耗因子定义如下：

以倍频程作为分析带宽，模拟舱的功能区声腔在分析带宽内模态数见图5。在500 Hz倍频程带宽内模态数为4.6，并不满足SEA仿真对于带宽内模态数大于5的要求。

图5 功能区声腔倍频程带宽内模态数Fig. 5 Modes of acoustic cavity in octave bands

SEA仿真模型中，模拟舱内的扬声器声源用功率输入来模拟，声压谱见表3。

4.2 高频仿真结果

SEA仿真分析频率范围为 500～8000 Hz，仿真结果见表5，可见：测点噪声响应随着位置远离声压级逐渐降低；高频响应的能量集中在2000 Hz频带内，与声源激励一致。

表5 SEA高频仿真结果Table 5 SEA result of noise spectrum at high frequencies

5 噪声仿真的试验验证

在空间站模拟舱内布置了 4个噪声测量传声器，其位置和编号见表6，安装声源和传声器后的舱内布局见图6。选取某旋转机械声源的实测声谱作为空间站舱内噪声输入激励，其声压谱见表3。

表6 噪声传感器位置Table 6 The position of acoustic sensors

图6 空间站模拟舱内部布局Fig. 6 The interior layout of the space station module

用声模拟源来模拟旋转机械声源的辐射噪声，测试流程参见图7。麦克风阵列布置参照声功率测试方法[7]。

将FE/FEM和SEA两种仿真分析方法得到的结果进行综合，可得到模拟舱内噪声的全频段响应。考虑到SEA模型在500 Hz频带带宽内的模态数为 4.6，不满足 SEA仿真的模态数要求，因此500 Hz处选取FE/FEM仿真结果作比对。

图7 基于声功率等效的声源模拟技术Fig. 7 Sound source simulation technology based on acoustic power equivalence

将空间站模拟舱内的扬声器按输入谱进行声源模拟，测量模拟舱内指定位置的噪声响应。测试结果与综合后得到的全频段结果进行对比，见表7和图8。

表7 仿真结果与试验响应对比Table 7 Comparison of noise response between the simulation and the test results

图8 仿真结果与试验响应对比Fig. 8 Comparison between simulation and test result

通过比对可以得出以下结论：

1）各测点全频段总声压级仿真误差在2 dB以内，表明仿真对能量分布有较为准确的预示，在声压较高的频段，如中低频的250 Hz、高频的2000 Hz处，预示结果较好。

2）在声压较低的频段，预示结果较差。AM1测点在 31.5 Hz处为-13.54 dB，在 1000 Hz处为15.67 dB。表 8给出了测试过程中的背景噪声，31.5 Hz中心频段达42.57 dB，说明低频段由于背景噪声引入的测试误差不能忽视。在1000 Hz处，测试结果低于仿真结果，说明在真实工况中该频段存在较为明显的漏声现象，即 AM1所在子系统的噪声泄漏到其他子系统，而仿真模型相对简化，无法体现漏声现象，故需要对模型作进一步细化修正。

表8 模拟舱背景噪声Table 8 Background noise of space station module

3）各子系统间的主要功率流传递关系见图9。AC1测点所在子系统的功率流来源相对单一，为模拟声源的输入，距离声源较近，仿真结果误差的离散性较好。AM1、AM2、AM3 测点所在子系统与声源间隔的子系统逐渐增多，且距离声源较远，功率流传递关系逐渐复杂，其中，最为复杂的 AM3测点有4个频段处仿真误差超过了5 dB，仿真结果的误差趋于离散。

图9 子系统功率流传递分析Fig. 9 Power transfer analysis of the subsystems

6 声源布局优化

空间站声源较多，采用上述方法对舱段进行1∶1建模，沿舱段轴向分为A、B、C、D四个区域，研究声源分布对人区走廊噪声响应的影响。仿真计算工况分为声源集中和分散两种。

1）集中工况：声源集中在 C、D区的Ⅰ、Ⅲ象限，如图10所示。

图10 声源集中布局Fig. 10 Centralized layout of the sound source

2）分散工况：声源分散在B、C、D区的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限，如图11所示。

图11 声源分散布局Fig. 11 Distributed layout of the sound source

集中和分散工况下大柱段通道的声压分布仿真结果见表9。

表9 集中工况和分散工况下的声压分布Table 9 Sound pressure distribution of centralized layout and distributed layout

从表9可见，与声源分散工况相比，声源集中布置在C、D区时，A、B区通道内的声压级降低，C、D区通道内的声压级也并没有明显升高，只是在声源集中的I、III象限区域，声压有所升高。这说明集中布局总体上看更有利于降低噪声的声压水平。

7 结束语

本文分别使用FE/FE耦合方法和SEA方法进行了空间站模拟舱内噪声的仿真研究，并设计了模拟舱噪声验证试验，提出了基于声功率等效的声源模拟技术，仿真分析结果与试验测试数据有较好的一致性，证明了将两种仿真方法结合，可有效预示全频段空间站舱内噪声环境，从而为降噪设计提供支持。

声源布局优化结果表明，集中布局在降低噪声方面优于分散布局。通过合理布置声源位置，可以有效降低人员活动区域内的声压水平，也为后期集中降噪提供了有利条件。

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[1] ALLEN C S, DENHAM S A. International Space Station acoustics: a status report: AIAA2011-5128[R]. Johnson Space Center, 2011: 1-7

[2] LMS International. Numerical acoustics theoretical manual[G], 2006: 114-125

[3] 姚德源, 王其政. 统计能量分析原理及应用[M]. 北京:北京理工大学出版社, 1995: 6

[4] 马大猷. 声学手册[M]. 北京: 科学出版社, 1983: 463

[5] FERNANDEZ J. Vibroacoustic response of solar panels:case study: NASA 20060032933[R]. Jet Propulsion Laboratory, 2000: 3-4

[6] 冯国松, 王婉秋, 杨松. 蜂窝板统计能量参数的试验获取方法研究[J]. 航天器环境工程, 2009, 26(增刊1):68-72 FENG G S, WANG W Q, YANG S. Experimental identification study of statistical energy analysis parameters for honeycomb sandwich panel[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2009, 26(sup 1): 68-72

[7] 声学 声压法测定噪声源声功率级 消声室和半消声室精密法: GB/T 6882—2008[S]

Simulation and validation of interior noise and optimization of sound source layout for space station module

FENG Guosong1, YANG Jiang1, WU Yao1, WANG Dong1, SUN Tong1, FENG Yaoqi1,2
(1. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering;2. Science and Technology on Reliability and Environmental Engineering Laboratory,Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering: Beijing 100094, China)

The interior noise of a space station module is simulated, with acoustic parameter settings. Two typical vibro-acoustic analysis methods, namely the coupled FE/FEM and SEA, are adopted to simulate and analyze the space station module under inner acoustic source excitation. The interior noise validation test of the space station is designed. A sound source simulation technology based on the acoustic power equivalence is proposed. The compared results show that the acoustic levels in both low and high frequency regions can be predicted by using both methods, and the overall level of deviation is less than 2 dB. The layout of the sound source is optimized through analyses, and it is shown that the centralized layout is more conducive for the noise reduction.

space station; interior noise; simulation; coupled FE/FEM; SEA method; test validation; sound source configuration

V416.2

A

1673-1379(2017)05-0471-07

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.05.003

2017-06-09；

2017-09-03

国家重大科技专项工程

冯国松, 杨江, 武耀, 等. 空间站舱内噪声仿真、验证与声源布局优化[J]. 航天器环境工程, 2017, 34(5): 471-477 FENG G S, YANG J, WU Y, et al. Simulation and validation of interior noise and optimization of sound source layout for space station module[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(5): 471-477

（编辑：许京媛）

冯国松（1984—），男，硕士学位，研究方向为动力学环境工程。E-mail: gsfeng_cast@126.com。