行星大气声探测平台声学风洞吸声材料的选用

万任新，张振龙*，杨晓超，汤晓忱，沈旭晨，尹 铫

（1.中国科学院 国家空间科学中心，北京 100190；2.中国科学院大学，北京 101499；3.北京科奥克声学技术有限公司，北京 100086；4.中国科学院 声学研究所，北京 100190）

0 引言

深空探测尤其是对太阳系其他行星的探测是未来航天计划的重要组成部分[1]，行星大气使声波传播成为可能，声波中蕴含着大量的大气成分、大气分布及运动、气候、行星内部活动等信息，因此声探测技术对了解行星环境具有十分重要的科学意义。目前我国火星探测任务已完成“绕、落、巡”，木星系及行星际穿越探测进入关键技术攻关与方案深化论证阶段[2]，水星探测也有了规划，因此需要提前布局并建立相应的行星环境地面模拟装置。

丹麦奥尔胡斯大学为服务于ESA 的火星探测计划研制了火星风洞，能够模拟火星表面的温度、气体组分、压力、风速和悬浮尘埃粒子等[3-4]。北京卫星环境工程研究所在KM3E 内部增加环状回流式风洞等，使其具备火星表面风场、气体温度、气体成分、压力等综合热环境模拟条件[5]。中国科学院国家空间科学中心正在研制行星大气声探测平台，该平台除具备在成分、压力、风速等方面模拟行星大气环境的能力外，首次将声学测试环境模拟能力集成到装置中，而声学风洞吸声材料的选用对该平台声学测试环境消声能力的构建至关重要。目前，声学风洞吸声材料在常温常压条件下的应用已比较成熟[6-8]，在低压低温环境下的应用尚未见报道。行星大气声探测平台中吸声材料的实际使用需要经历高真空后在低压（700 Pa）低温环境下，因此，需要摸索到底选用哪种材料最合适，在材料选用上需重点关注其耐低温性能、在200～6300 Hz 频率范围内的吸声性能以及在高真空下的放气率。

材料吸声性能通常以吸声系数表征，一般材料的吸声系数α在0～1 之间，吸声系数越大表明材料的吸声性能越好[9]。材料的平均吸声系数取其在125、250、500、1000、2000、4000 Hz 这6 个倍频程中心频率吸声系数的算术平均值，吸声材料的平均吸声系数＞0.2[10-11]。在常温常压下纤维类吸声材料通常具有良好的吸声性能[12-13]。经过大量的吸声系数测试，本文以平均吸声系数＞0.5 为标准挑选3 种纤维类候选材料，经对比试验确定1 种材料作为声学风洞吸声材料，并验证其应用于行星大气声探测平台声学风洞的可行性。

1 声学风洞吸声材料选用要求

行星大气声探测平台主要由真空系统和声学风洞2 部分组成，真空系统的功能是对行星大气压力、温度及气体成分等进行环境模拟，声学风洞的功能是对风场和声学测试环境进行模拟。声学风洞须背景噪声低，尺寸足够大（可进行远场声测量），无声反射[14]。声学风洞主要由进口转弯段、稳定段、消声室试验段及风扇段等构成，详见图1。本文讨论的吸声材料主要用于声学风洞消声室试验段。

图1 声学风洞结构Fig.1 Acoustic wind tunnel structure

1.1 吸声材料选用要求

1）行星环境模拟装置应具备截止频率200 Hz、背景噪声低于10 dB(A)的自由声场空间。因此声学风洞吸声材料在200～6300 Hz 频段内的吸声系数α越大越好。

2）行星环境模拟装置需要模拟行星表面大气成分、压力等，以火星为例，装置模拟火星大气的配气比例为二氧化碳95.68%、氮气2.71%、氩气1.61%，工作压力为700 Pa。要保证并维持一定的配气精度，需要先将装置内真空度抽至10-3Pa 量级，然后采用流量比混合法对装置充气。因此声学风洞吸声材料需经历10-3Pa 量级高真空环境后在700 Pa 低压环境下使用。声速c与环境压力的1/2次方成正比，故低压环境下声速降低、波长变短，对材料的吸声和消声更为有利，因此主要考虑在高真空环境下吸声材料的放气影响，放气率越小越好。

3）火星、木星等行星表面的平均温度低，因此行星环境模拟装置支持-170 ℃低温环境模拟，而本文初选的3 种纤维类候选材料的厂家推荐最低使用温度仅为-90 ℃，极限使用低温需要进一步探索。同时，研究表明材料吸声系数和温度相关，在一定压力下温度变化会使材料表面的声阻抗等发生变化，进而导致其吸声系数变化[15]。因此，声学风洞吸声材料需满足经历-170 ℃低温后吸声性能在200～6300 Hz 频段内不受影响。

4）低温易使纤维类吸声材料变脆，因此吸声材料需满足在真空低温环境下声学风洞内部风机转动不会使其脆化掉渣，以防止给装置环境带来污染。

1.2 对比试验设计

通常在温度越低的条件下材料越脆，为验证吸声材料在-170 ℃下是否会由于低温脆性丧失吸声性能，分别对3 种纤维类候选材料（部分参数见表1）放入-196 ℃液氮罐浸透后再次测试其吸声系数。通过真空抽气时间测试和液氮冷冻前/后吸声系数测试结果的对比来分析确定选取声学风洞吸声材料。对比试验设计详见图2。

表1 3 种纤维类候选材料Table 1 Three fiber candidate materials

图2 候选吸声材料对比试验设计Fig.2 Comparative experimental design of candidate soundabsorbing materials

2 3 种材料对比试验的测试结果分析

2.1 吸声系数测试及结果分析

在常温常压下将3 种候选材料分别制成厚度为200 mm，直径为100 mm 和29 mm 的2 种尺寸的试验样品，采用阻抗管传递函数法进行测试，依据阻抗管吸声测试系统双传声器的传递函数可得到候选材料的吸声系数[16]。传递函数是系统输入与输出间的固有特性，测量2 个传声器的复声压，根据传声器间距和传声器与试件的间距计算传声器之间的复传递函数，得到试件的法向入射吸声系数[17]。为覆盖吸声系数的测试频段200～6300 Hz，本文使用以下2 种阻抗管进行测试：

1）阻抗管1——直径100 mm，管长900 mm；传声器1 与试件间距L1=100 mm，传声器1 与传声器2间距L2=50 mm，吸声系数测试范围50～1600 Hz。

2）阻抗管2——直径29 mm，管长1050 mm；传声器1 与试件间距L1=35 mm，传声器1 与传声器2间距L2=20 mm，吸声系数测试范围500～6300 Hz。

阻抗管吸声测试系统主要由多通道声分析仪、电容传声器、声级校准器、音频功率放大器以及驻波管级阻抗管等构成，如图3 所示。

图3 阻抗管吸声测试系统Fig.3 Impedance tube sound absorption test system

3 种纤维类候选材料的吸声系数测试结果见图4，可以看到，在200～6300 Hz 频率范围内，碳化聚丙烯腈纤维预氧丝棉的吸声性能优于其余2 种候选材料。

图4 3 种纤维类候选材料的吸声系数对比Fig.4 Comparison of sound absorption coefficients of three candidate fiber materials

为考察候选吸声材料在-170 ℃环境下的吸声性能，将候选材料样品分别放入液氮罐冷冻，确保其被-196 ℃液氮浸透后再次测试其吸声系数，并将测试结果与液氮冷冻前的吸声系数测试结果进行对比，详见图5。结果显示，在200～6300 Hz 频率范围内，碳化聚丙烯腈纤维预氧丝棉和无胶长纤维白色玻璃棉在液氮冷冻前/后的吸声系数无明显变化，纳米纤维棉在液氮冷冻后吸声性能更佳。这表明，-196 ℃低温没有改变候选吸声材料原有结构，未使其丧失原有的吸声性能，即候选材料均能耐受-196 ℃低温环境。

图5 三种吸声材料液氮冷冻前/后吸声系数对比Fig.5 Comparison of sound absorption coefficient of three soung-absorbing materials before/after liquid nitrogen freezing

2.2 真空抽气时间测试及结果分析

在不考虑系统漏气的情况下，高真空的抽气时间主要由材料的放气速率决定，一般材料的放气速率呈指数衰减，使得抽气时间也随之呈指数延长[18]。对比3 种候选材料的抽气时间，抽气时间越短说明该种材料放气速率越低，更适合于经历高真空环境后在低压环境下使用。分别取相同质量的3 种纤维类候选材料置于同一真空系统进行真空抽气时间测试，分别测试从常压下抽真空至1.0 Pa 和1.3×10-3Pa的抽气时间。测试采用KM1200-1500 热真空试验系统，容器尺寸为ϕ1.2 m×1.5 m（直段），抽真空系统含1 台160 m3/h 的螺杆干泵和1 台2000 L/s 的分子泵，极限真空度为5.0×10-5Pa。

三种纤维类候选材料的真空抽气时间测试结果详见表2。可以看到，碳化聚丙烯腈纤维预氧丝棉的抽真空时间明显长于另外2 种候选材料的，表明其相较另外2 种材料，在真空下的放气速率偏大，不适于在真空/低压环境下使用。

要鼓励学生“说”书。学生围绕着课外书讨论，这是教师非常期盼的事情，教师要鼓励学生发表对课外书的看法。针对最近阅读的课外书、读过的最喜欢的课外书或者是最讨厌的课外书，学生很有话说。有时，学生不由自主地由课外书谈到了自己的生活、自己的趣事，这也是可以的，教师不必立即制止，更不能批评，否则会棒杀孩子谈论图书的热情和兴趣。艾登·钱伯斯认为，孩子在讨论图书中的“任何意见都弥足珍贵，即便是没有道理可讲的直觉或猜测”，如“我不知道”和“我猜的”。是的，在学生交流课外书这件事情上，学生是要夸的。学生能大胆地“说”书了，这就是成功。

表2 3 种纤维类候选材料抽气时间对比Table 2 Comparison of pumping time with regard to three candidate fiber materials

2.3 小结

综合对比试验结果，3 种候选材料均具备耐低温性能，碳化聚丙烯腈纤维预氧丝棉的吸声性能优于另外2 种候选材料，但由于其在真空下的放气率过大，不适用于经历真空环境后的低压环境。对比另外2 种材料，无胶长纤维白色玻璃棉的吸声性能和抽气时间均优于纳米纤维棉，因此，本文最终选定无胶长纤维白色玻璃棉为声学风洞吸声材料。

3 验证试验及结果分析

为验证选定材料应用于行星大气声探测平台的实际效果，采用KM2-Y 真空试验系统进行验证试验。

3.1 确定验证试验对象质量

材料在真空下的污染量和质量密切相关，因此需根据实际使用吸声材料质量缩比计算验证试验用吸声材料质量。行星环境模拟装置有效空间为ϕ4.2 m×10 m（直段），有效抽速Sp,valid=6047×6 (L/s)，实际需要吸声材料质量为200 kg 左右。KM2-Y 真空试验系统有效空间为ϕ1.8 m×2.0 m（直段），极限真空度为8.6×10-6Pa，温度范围-180～180 ℃，有效抽速Sp,valid=5700 L/s。在高真空条件下，

式(1)～式(4)中：Q为真空容器内的气体负载；P为真空容器内的真空度；Q1为真空容器和热沉内表面吸附及溶解气体的解析释放总量；Ai为容器内第i种材料的表面积，cm2；qi为容器内第i种材料的表面放气率，Pa·L/(s·cm2)；M为吸声材料的质量；ρ为吸声材料的密度；S为吸声材料的底面积；h为吸声材料的厚度；Q2为真空容器的漏率。

式(2)中Q1只考虑容器内吸声材料的放气，热沉放气量极小不予考虑。行星大气模拟装置和KM2-Y 热真空环境模拟系统均为设计制作良好的真空容器，取Q2=5×10-4Pa·L/s。式(3)中吸声材料表面积只考虑其底面积S，吸声材料厚度很小不予考虑。吸声材料的密度ρ和厚度h在验证试验和实际使用中是一致的。结合式(1)～式(4)可得出验证试验对象的质量为30 kg 左右。

3.2 验证试验及结果分析

为了防止选定材料脆裂掉渣，在实际使用中吸声材料需包裹400 目304 不锈钢网。将包裹好的试验对象放置于真空系统内部平台，见图6。由于30 kg无胶长纤维白色玻璃棉的体积过大，导致其与设备内红外加热笼加热片接触，为防范安全风险，将试验温度设定为常温（无须加热），用石英晶体微量天平监测试验过程污染量，试验要求为：在真空度优于6.65×10-3Pa 的常温环境下，连续监测24 h 后的有机物污染量不应大于1.0×10-7g/cm2。

图6 放置在真空试验系统内的30 kg 无胶长纤维白色玻璃棉Fig.6 30 kg non-adhesive long fiber white glass wool placed in a vacuum test system

除了研究吸声材料放气的污染量影响外，本文还设计了一个振动模拟装置，在真空度优于103Pa量级、-140 ℃低温环境下模拟声学风洞风机的转动影响。结果表明，在真空低温环境下所选定吸声材料不会因为声学风洞风机转动而脆化掉渣，不会给行星模拟装置带来污染。

要说明的是，本行星环境模拟装置主要模拟火星及木星大气风场，重点关注-140 ℃低温环境，而-170 ℃属极端情况，可待后续设备能力提升后再对选定吸声材料在-170 ℃下开展相应验证试验。

4 结束语

本文着眼于行星大气声探测平台声学风洞中吸声材料的应用选材，在3 种纤维类候选吸声材料基础上，通过吸声系数测试（耐低温性能和真空抽气时间测试）对比试验确定无胶长纤维白色玻璃棉作为声学风洞优选吸声材料，并对该材料开展了真空常温下污染量和真空低温下振动影响验证试验，为行星大气声探测平台声学风洞吸声材料的选用提供了技术支撑。