1070 m3混响室的设计

李新明，张俊刚，杨 松，耿丽艳

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

1 引言

航天器在发射和飞行过程中经受的火箭发动机噪声和飞行气动噪声的激励引起的结构振动响应，可造成结构和有效载荷的过应力或疲劳破坏，还可以造成星载设备的误操作[1]，为此，需先在地面进行噪声环境的模拟试验。混响室试验是目前相对较好的声试验方法[2]。

为适应我国航天事业的不断发展，提高声试验的能力，北京卫星环境工程研究所新建了一个体积约1 000 m3的新混响室，其主要试验对象是大、中型卫星及其部组件，其设计最大总声压级为154 dB，谱成型能力应大于148 dB。

新混响室在声试验能力、试验操作自动化方面都有较大程度的提高；钢结构混响室大门在国内是首次应用；新的控制系统提高了控制精度，优化了控制界面，具备时域存储和单通道实时显示功能。

2 混响室本体

2.1 混响室结构设计

混响室采用常见的六面体结构。参考相关资料，六面体混响室理想的尺寸比例是1∶0.79∶0.63（或1∶0.82∶0.72）。对于体积为1 000 m3的混响室，其高约12 m，长约10 m，宽约8 m。依据上述尺寸比例及混响室固有频率计算公式[2]lz为混响室边长，m；nx、ny、nz为整数，n=0，1，2，……，n；c为介质声速，m/s），选择多个参数进行计算，在综合考虑产品尺寸和低频段模态分布情况的基础上，最终选择混响室尺寸为高 12 m、长10.5 m、宽8.5 m，总体积约为1 070 m3。图1为混响室结构示意图。

混响时间T60可根据经典公式[3]得到，式中：T60为混响时间，s；S为混响室面积，m3；V为混响室体积，m3；c为介质声速；α为建筑材料的吸声系数，取 0.01；m为声能衰变常数，取0.003。计算得1 070 m3混响室混响时间T60约为18.34 s。

图1 混响室结构示意图Fig.1 Schematic diagram of 1 070 m3 reverberation chamber

混响室墙体采用双层结构，内墙整体采用钢筋混凝土结构，墙厚0.5 m，内墙与外墙基础要分开，避免形成声桥。在混响室顶部设置扬声器室，用于声发生器和指数喇叭的安装。为及时排除混响室内的有害气体并保证对环境不产生噪声污染，在混响室顶部安装消声管道。

2.2 混响室大门设计

为了试验件、测试仪器进出混响室，在混响室一侧开有7 m（高）×5 m（宽）的入口，采用推拉式钢结构整体大门。大门高7.6 m、宽5.6 m、厚0.5 m，总质量约30 t，其剖面见图2。大门行走机构用来承载大门并实现大门的开启与关闭，采用单轨两轮支撑，其中一个为主动轮，另一个为从动轮。导向机构位于大门上端，起导向、定位作用，与行走机构配合实现大门的开关。为了提高混响室密封性和大门的整体隔声量，在大门与墙体重叠部分的墙体上安装两道气胎式密封圈。试验时，密封圈充气膨胀并与大门紧密接触，发挥密封、隔声作用。密封圈泄气后能自动收缩到墙壁上的安装槽内，不影响大门的开关。

大门隔声量按双层结构近似计算[4]，

式中：R为大门平均隔声量，dB；M1、M2为内、外层质量面密度，kg/m2；ΔR为中间空气层产生的附加隔声量，根据经验取10 dB。经计算，混响室大门的隔声量约为59.5 dB。

图2 大门剖面图Fig.2 Sectional view of the door

3 声功率及声压级

根据声功率计算公式

式中：P为声功率，W；Lp为声压级；A为1 070 m3混响室表面积，m2；α为建筑材料的吸声系数，取0.01。1 070 m3混响室采用4台2×104W的声发生器，总声功率达到 8×104W，因此理论最大声压级可达到 160 dB。验收调试时，最大声压级达到155 dB以上。

与声发生器相对应，在混响室顶部扬声器室安装4个指数喇叭，截止频率分别为40 Hz、100 Hz和160 Hz（两个）。在混响室施工时，喇叭的出口段作为预埋件浇注在天花板中，并与混凝土内的钢筋支架进行连接。

4 气源系统

气源系统负责为声发生器供气，1 070 m3混响室系统采用液氮气化技术进行供气。气源系统由低温液氮储罐、汽化器、水池、稳压罐、管道、阀门和相应的指示仪表等组成（如图3所示）。其工作原理是：低温储槽经它本身的增压器增压，把液氮按规定流量压入汽化器快速汽化，水池中用常温自来水相当于给汽化器管道加热，液氮汽化成氮气后进入稳压罐，然后通过内径φ200 mm的不锈钢管输到扬声器室。

根据 4台声发生器的用气量及混响室每次试验的次数和持续时间，1 070 m3混响室选用20 m3的液氮储罐，汽化器的汽化量为 300 m3/min，稳压罐容积为20 m3。氮气经φ200 mm的不锈钢管输到扬声器室后分成4路，供给4个声发生器，每个声发生器前端设置一个远程压力阀门，可远程控制声发生器的前端压力以确保在其工作范围内。

图3 气源系统原理图Fig.3 Principle diagram of gas system

5 控制系统

控制系统采用数字式闭环自动控制技术，基本原理及组成如图4所示：首先根据标准参考谱产生初始的激励信号，经过功放送到扬声器，然后将声场内传声器的响应反馈到控制系统，计算响应信号的功率谱密度，并与标准的功率谱比较，如有不同则自动修正。此过程反复进行，直到满足试验条件，完成试验均衡过程。

图4 数字式闭环自动控制系统基本原理Fig.4 The digital close-loop acoustic control system

为避免声压级分布不均匀引起欠试验或过试验，一般采用多点平均控制方式。另外，为改善混响室内的声场特性，增加驱动信号频段间的平衡性，控制系统采用多路输出驱动。1 070 m3混响室控制系统采取8通道输入，5通道输出（各通道频段可设定），16位控制精度，分析频率 20～10 000 Hz。

6 其他设备

为了混响室系统正常运行，还应配备相应的辅助设备：(1) 照明设备，照度达到300 lx；(2) 监视设备，在墙壁上安装3个摄像头，可监视试验时混响室内的情况；(3) 空气压缩设备，供大门密封系统使用。

7 结束语

本文对1 070 m3混响室的本体、气源系统、控制系统的设计进行了介绍。新混响室具有以下特点：

(1) 混响室尺寸为12 m×10.5 m×8.5 m，总体积约为 1 070 m3，表面积约为 630 m²，混响时间约18.34 s；

(2) 大门首次采用钢结构形式，尺寸 7.6 m×5.6 m×0.5 m，隔声量59.5 dB；

(3) 混响室的试验能力得到提高，最大声压级可达到155 dB以上；

(4) 控制系统采用数字式闭环自动控制技术，提高了控制精度，具备时域存储、单通道实时显示功能和良好的人机对话界面。

目前，该混响室已建设完成，通过初步调试，各项指标均能满足设计要求。

（References）

[1]耿丽艳, 李新明, 张俊刚.大型混响室高频特性试验研究[J].航天器环境工程, 2007, 24(5)： 322-325

[2]柯受全.卫星环境工程和模拟试验（下）[M].北京： 宇航出版社, 1996

[3]马大猷.声学手册[M].北京： 科学出版社, 2004

[4]马大猷.噪声与振动控制工程[M].北京： 机械工业出版社, 2002