空间站核心舱的全频域声振环境仿真预示研究

仲作阳，张海联，周建平

（1.中国载人航天工程办公室，北京 100034；2.载人航天总体研究论证中心，北京 100094）

·工程技术·

空间站核心舱的全频域声振环境仿真预示研究

仲作阳1，2，张海联2，周建平1

（1.中国载人航天工程办公室，北京 100034；2.载人航天总体研究论证中心，北京 100094）

空间站的设备功率大、噪声源数目多、声振环境特性复杂，为确保舱段噪声指标满足要求，基于声学有限元、统计能量分析以及FE-SEA混合方法，建立了整舱全频段的复杂声振耦合精细化噪声仿真模型。对环控、热控及推进分系统等多种噪声源单独工作或同时工作时密封舱内的噪声进行仿真，得到了舱内全频域噪声水平特性分布，并对现有吸声降噪措施进行了对比评价。研究结果表明：目前设计状态下，三个睡眠区、小柱段工作通道和大柱段工作通道总的声压级在个别频率点处略微偏高，是后续噪声控制的重点。

空间站；全频域声振环境；统计能量分析；声学有限元；FE-SEA混合法

1 引言

空间站在轨运营和长期载人飞行期间，持续、过度的噪声环境会危害航天员的身心健康，并影响工作效率［1］。长期微重力环境下，低频噪声和次声波对人体生理健康的伤害尤为严重［2］，因此需要对空间站的舱内噪声进行预测、评价和控制［3-4］。NASA对国际空间站的长期在轨噪声控制给予了极大的重视［5］，在设计阶段就提出了系统级和单机的噪声指标，将其作为一个系统设计因素来考虑，在噪声评价与控制研究方面获得了宝贵的理论积累和工程经验。但截至2015年，在轨测试结果显示，美国节点舱3内的噪声值仍然较高（为61.5 dBA），俄罗斯各舱段噪声测量值的超标问题则普遍比较突出［4］。

准确的声振环境预示是指导空间站系统减振降噪设计、提出分系统设备减振降噪指标，以及设计地面试验方案与试验条件制定的重要依据［6］。对于我国空间站：一方面，由于不同性质噪声源在舱内的噪声传播路径和频域特性均不相同，其全频域的动力学环境特性很复杂，导致声振环境预示的难度很大；另一方面，由于其结构形式、材料属性非常复杂，整个预示模型可能出现子系统模态密度差异较大的情况。比如，空间站本体的主承力结构往往刚度较大、模态稀疏，而站体大型外壁板、内饰板等结构的面积-质量比较大，模态密集，对高频激励十分敏感［7］。

目前的各种声振环境分析手段主要是针对某个频段有效，因此全频域的声振环境预示难以用单一的分析方法实现［8］。例如在低频段，由于空间站结构和声腔的模态较为稀疏，有限元和边界元等基于单元离散技术的方法较为实用；而在高频段，结构和声腔的模态密集且随机特性影响突出，模态间的重叠现象也比较严重，因此统计能量分析和能量有限元分析等方法在工程上应用较多。然而，当系统内的子结构或子系统模态密度差异较大时，即一部分子结构或子系统在某个频段模态密集（波长较短），而另一部分模态稀疏（波长较长），系统的动力学特性尤其复杂，这个频段的动力学问题称之为“中频”问题。中频段力学和声振环境的预示问题，采用传统的低频或高频分析方法均很难解决。该问题一直是国内外研究的热点和难点［9］，主要研究方法包括区域分解技术（Domain Decomposition）［10］、波基方法（Wave-based Method，WBM）［11］、有限元-统计能量（FE-SEA）混合方法［12］以及FEA-EFEA混合方法［13］等。

由于全频域声振环境预示问题涉及声场与结构耦合建模方法、结构与声的耦合效应分析、激励源特别是声源的模拟技术、关键力学参数获取，以及力学环境预示的试验验证等一系列关键技术，故而该领域一直备受国内外学者的关注。

空间站噪声控制是一个跨越整个方案、初样、正样、在轨全研制周期，要求总体、分系统、单机共同参与的系统工程。而载人航天器复杂声振系统的全频域响应分析技术是制约空间站噪声控制设计的一项关键技术。本文拟基于声学有限元、统计能量分析以及FE-SEA混合方法，建立整舱全频段的复杂声振耦合精细化噪声仿真模型，对核心舱全频域噪声特性进行评价。

2 空间站核心舱全频域声振耦合精细化仿真模型

2.1 “低频”有限元仿真模型

本节基于声学有限元方法，采用声振耦合分析软件LMS Virtual Lab Acoustics进行整舱声振耦合建模与仿真分析。整舱结构有限元分析模型共计74.3万个节点、86.6万个单元。声腔有限元模型按照最大单元的边长应小于计算频率最短波长1／6的原则，共计112.5万个节点，410万个体单元。利用软件统计可知，100%单元的计算上限频率都能达到460.2 Hz，有80%的单元能够计算到807 Hz。具体的建模流程及仿真要素如下［6，14］：

1）如图1所示，首先基于三维几何建模软件Pro／E和网格划分软件HyperMesh分别建立其结构有限元模型和声腔有限元模型；

2）在不考虑结构和声场耦合效应的情况下，基于有限元分析软件MSC.Pantran／Nastran计算舱段的结构模态和载荷作用下的速度响应；

3）将结构有限元模型、声腔有限元模型以及速度边界条件分别导入声学分析软件LMS Virtual Lab Acoustics进行声振网格映射，并设置声学边界条件，求解舱内声场分布。

限于网格密度和计算机配置水平，本文中非声振耦合声腔噪声仿真分析频率范围为中心频率20～630 Hz的16个1／3倍频程频带。声振耦合噪声仿真分析频率范围为中心频率31.5～100 Hz的6个1／3倍频程频带。

2.2 “高频”统计能量分析模型

本节基于统计能量分析法，采用软件VA one进行整舱高频噪声建模与仿真分析。主要根据空间站核心舱初样三维模型，构型布局方案、材料声学特性、已识别的噪声源、噪声源频谱特性、噪声源机械干扰力谱等输入条件，建立核心舱的统计能量声振耦合仿真分析模型，如图2所示。

1）划分子系统。首先将系统FE模型导入软件VA one中，然后根据设计研究的需要在模型上选取点，建立系统或部件级别的声腔和结构子系统。

2）创建及应用各种物质、属性和参数。首先针对不同的子系统分别确定其材料特性参数，对于复杂材料，需考虑其等效密度、等效弹性模量等属性。然后将这些物理属性应用于相应的子系统中。

3）确定系统的统计能量分析参数。主要包括模态密度、内损耗因子、耦合损耗因子、输入功率。

4）将各个结构和声学子系统连接起来成为完整的系统，确定模型中各个子系统的功率流平衡方程，进而求解系统的动力学响应。

2.3 “中频”有限元-统计能量混合模型

本文依据统计能量子系统划分原则，将空间站核心舱共划分为532个结构子系统和56个声腔子系统。

图3给出了具体的系统级高频噪声仿真流程及要素。具体地：

在上一节的统计能量模型中，我们已利用Va One软件计算得到了模型的中高频声振响应。但在100～500 Hz频段范围内，由于各子系统之间的模态密度差异较大，得到的结果不一定精确。在该频段，本节将对统计能量模型加以修改，应用有限元-统计能量混合法分析该频段的动力学响应。

本文所建空间站核心舱的有限元-统计能量混合分析模型如图4所示，将刚度较大的梁、筋等结构子系统划分为有限元子系统，进行模态求解。结合上节的统计能量仿真分析模型，将所建有限元子系统与统计能量结构子系统和声腔子系统分别进行混合连接，得到空间站核心舱的有限元-统计能量混合仿真分析模型，其中蓝色连接为有限元-统计能量混合连接。

在长期载人飞行中，空间站的环控通风系统、压气机／液冷模块以及控制力矩陀螺（CMG）等设备均会产生噪声。目前，空间站已经对噪声源进行了系统性的识别，共梳理出41种噪声源，共60余台设备。在上述模型中已对所有噪声源逐个进行了特征分析、合理简化和建模加载，但限于篇幅所限，在此未对其频谱特征及加载方式等进行详细记述。

3 空间站核心舱全频域噪声仿真结果

综合“低频”有限元模型、“中频”有限元-统计能量混合模型和“高频”统计能量模型的仿真结果，本节给出空间站核心舱的全频域噪声分布结果。其中，31.5～63 Hz频带内的声压级主要由“低频”有限元模型仿真得到，125～500 Hz频带内的声压级主要由“中频”有限元-统计能量混合模型仿真得到，1000～8000 Hz频带内的声压级则主要由“高频”统计能量模型仿真得到。

图5和图6分别给出了核心舱睡眠区和工作区通道在粘贴吸声材料前后的全频域声压级分布。可以看到，在目前设计阶段，三个睡眠区、小柱段工作通道和大柱段工作通道总的声压级在个别频率点处略微偏高，是后续噪声控制的重点。采用现有吸声降噪措施后，对三个睡眠区约有2.04～4.55 dBA左右的降噪效果，工作通道的降噪效果则偏弱。此外，吸声材料措施对250 Hz以上频率有一定降噪效果，但对63 Hz则效果微弱，需进一步从噪声源头采取措施。

基于上述结果，仿真模型后续将根据空间站核心舱初样最终构型布局及噪声源分布、材料声学特性、初样单机噪声源声功率测试结果、初样整舱舱内噪声水平测试结果，修正噪声水平仿真分析模型，为未来正样研制阶段、在轨运行阶段进行准确的噪声水平预测奠定基础。

4 结论

本文基于声学有限元法、统计能量分析法以及FE-SEA混合法建立了空间站核心舱的精细化全频域声振耦合噪声仿真分析模型，对空间站的全频域噪声水平特性进行评价，结果表明：目前设计状态下，三个睡眠区、小柱段工作通道和大柱段工作通道总的声压级在个别频率点处略微偏高，是后续噪声控制的重点；采用现有吸声降噪措施后，对三个睡眠区约有2.04～4.55 dBA左右的降噪效果，工作通道的降噪效果则偏弱；系统需进一步辨识舱内振动噪声的传递路径，找出重点噪声源，开展空间站核心舱内噪声控制措施设计。

（References）

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Research on Full-frequency Vibroacoustic Simulation and Prediction in Core Module of Space Station

ZHONG Zuoyang1，2，ZHANG Hailian2，ZHOU Jianping1
（1.China Manned Space Agency，Beijing 100034，China；2.Manned Space Technology System Center，Beijing 100094，China）

Due to the high equipment power and numerous noise sources in the space station，the vibro-acoustic environment in the space station is quite complex.To satisfy the noise index requirements，the acoustic finite element method，the statistical energy analysis method and the FE-SEA hybrid method were adopted to establish a complicated vibration-acoustics coupling simulation model for the core module of the space station.By multi-condition simulation，the distribution characteristics of the“Full-Frequency”noise level were obtained.The results showed that the total sound pressure of the three sleep quarters，the small column segment working corridor and large column working corridor was slightly high at certain frequencies in the current design state，which will be the focus of subsequent noise control.

space station；full-frequency noise prediction；statistical energy analysis；acoustic finite element；FE-SEA hybrid method

V476.1；O328

A

1674-5825（2017）06-0719-05

2017-01-13；

2017-09-11

国家自然科学基金（11402303）；中国博士后科学基金一等资助（2016M592931）和特别资助（2017T100830）

仲作阳，男，博士后，研究方向为空间站噪声评价与控制。E-mail：zhongzuoyang123＠163.com

（责任编辑：康金兰）