变孔径微穿孔板在空间站应用的初步研究

李林凌, 王 岩

(北京空间飞行器总体设计部, 北京 100094)

1 引言

空间站舱内环境噪声是空间站重要的环境因素之一,直接影响航天员长期在轨任务执行和健康安全。

空间站舱内环境噪声主要来源于以下3 条途径: ①环控生保系统的通风和空气净化,风机连续运行产生的噪声; ②有效载荷设备与空间实验装置的运行、能源供给、通风散热以及泵、风机、电机、电动阀等运行产生的噪声; ③航天员空间活动产生的振动噪声。

对于上述噪声控制,有望应用变孔径微穿孔板解决[1]。马大猷[2]40 多年前创立的微穿孔板吸声理论解决了不少噪声控制问题。随着计算分析技术进步,马大猷[3-5]不断完善微穿孔板吸声理论,张斌等[6]深入研究了变孔径微穿孔板结构的部分影响因素。因空间站声环境要求不断提高,变孔径微穿孔板结构优化研究有待进一步开展。

本文对空间站某些舱内噪声特点(周期、宽频、长期等)进行分析,提出适合这些舱的变孔径微穿孔板结构构形,并对具体构形开展结构参数优化分析、试验,研制满足使用要求的产品。

2 国际空间站舱内噪声特点

国际空间站有美国航空航天局单元(美国舱)、俄罗斯单元(俄罗斯服务舱)、欧洲局单元(哥伦布欧洲实验室)、日本宇宙航空局单元(日本舱)及连接各单元的节点舱,各舱布局如图1所示[7]。

图1 国际空间站各舱布局示意图[7]Fig.1 The layout of the International Space Station modules[7]

从监测的情况来看,2003 年以来,节点舱1和气压闸处的噪声符合美国舱内噪声允许值[8]。设备闸和乘员闸处噪声在NC-50 范围内;2014年8 月1 日气压闸的噪声与2015 年4 月1 日节点舱1 处的噪声分别如图2 所示[9],该测量值为沿舱段中心线进行的4 次单独测量的空间均值,节点舱1 不满足NC-50 舱内全频段噪声值,但是满足特定飞行器噪声值。2011 年以来,美国实验舱噪声水平基本保持稳定,除舱间通风机关停期间会造成噪声值变化,其余时间舱内噪声值在NC-50.2 和NC-52.8 之间变化[9]。

图2 节点舱和气压闸噪声值 (2014, 2015) [9]Fig.2 Node 1 and airlock acoustic level (2014,2015) [9]

对节点舱2 的噪声测试数据进行分析,节点舱2 布置的6 个测量点处的噪声值在NC-50 范围内,空间均值为NC-49.4。节点舱2 内4 个航天员睡眠区有长期运行的风扇。这些长期运行的风扇增加了节点舱2 的噪声,但仍然在NC-50 范围内。

节点舱3 布置的运动设备,如跑步机、高阻力运动装置等,产生间断环境噪声。节点舱3 噪声测量值不包括间断环境噪声,但包括这些泵、分离器等稳态环境噪声。2 套环控和生保系统、水回收系统产生的噪声会导致节点舱3 噪声超标。因此,节点舱3 的声环境面临很大挑战。为了实现节点舱3 满足NC-50 的核心舱连续噪声要求,休斯顿任务控制中心决定在航天员睡眠期间控制尿液处理装置;同时,2015 年,针对水回收系统2,开发了一扇声屏蔽门,用于解决水回收系统2 稳态环境噪声超标问题;新开发的声屏蔽门也应用到了制氧系统,用来控制制氧系统稳态环境噪声问题。

2015 年4 月1 日,对空间站舱段噪声监测,得到了部分舱段噪声的空间均值如图3 所示[9-10],其中节点舱3 的噪声包括尿液处理装置运行和未运行2 个状态的对比。

图3 空间站舱段噪声情况[9-10]Fig.3 Summary of current average acoustic levels in ISS[9-10]

3 变孔径微穿孔板吸声特点

3.1 变孔径微穿孔板

变孔径微穿孔板指穿孔板上的孔径沿轴线方向非定值。微穿孔板利用微孔的粘性作用消耗能量,具有高效吸声特点。由于微穿孔板结构各参数影响微穿孔板吸声系数、吸声带宽等,对于普通微穿孔板结构,很难达到高吸声系数、宽吸声带宽的效果。变孔径微穿孔板结构因其结构形状的变化,能起到微穿孔板组合吸声效果的特点。变孔径微穿孔板的结构如图4 所示。

图4 变孔径微穿孔板内部结构示意图Fig.4 Internal structure of variable aperture microperforated panel

从图4 中可以看出,当穿孔板上的微孔均匀时,为传统微穿孔板结构;当微孔孔径发生变化时,为变孔径微穿孔板结构。相对传统微孔板结构,变孔径微穿孔板结构参数增多,因此,变孔径微穿孔板吸声特性分析有别于微穿孔板结构[1]。

3.2 吸声特性分析

对于单层微穿孔板吸声结构的声阻抗率研究,其声阻抗率Zs为式(1):

其中:μ为运动粘滞系数,μ=η/ρ0,ρ0为空气密度,η为空气的粘滞系数,l为孔径长度,d为孔口直径,ω=2πf,f为频率,为孔口半径() 与孔口粘滞附面层厚度()比。

因微穿孔板结构的孔径在0.1～1 mm(直径)范围时,根据穿孔常数的表达式,得到x值。

因此,具有板后空腔的微穿孔板吸声结构的相对声阻抗率为式(2):

通过对我国航道的养护管理模式进行完善不仅可以使船舶通过的能力提高，并且对于防汛排涝的目的也有着一定的促进作用。另外，在当前新时期下对于航道管理模式的创新还可以使发展过程中的一些问题得到有效的解决，并且能够更好的推动我国水路运输整体水平的提高。

根据变孔径微穿孔板吸声结构相对声阻抗率及等效电路,变孔径微孔板吸声结构吸声等效处理相当于几层微孔板串联吸声效果,其相对声阻抗率为式(3)～(4):

将式(4)代入式(3),即得到变孔径微穿孔板吸声结构的相对声阻抗率。

当声波垂直入射时,根据微穿孔吸声结构的吸声系数计算方式,变孔径微穿孔板的吸声系数为式(5):

4 仿真分析与试验测试

4.1 仿真分析

对于图4 微穿孔板结构,从厚度方向对其进行有限层离散,采用层间没有空腔的微穿孔吸声结构串联方法进行吸声等效分析计算。

首先采用吸声等效处理方法分析均匀孔径微穿孔板吸声结构如图4 所示,d1=0.8 mm,板厚l=4 mm,孔间距b=3.5 mm,微孔呈正方形排列,微穿孔板吸声结构中板后空腔D=50 mm。分别采用单层等厚度微穿孔吸声结构、多层无空腔串联微穿孔板吸声结构处理方法,计算吸声系数。可以看出,采用串联吸声等效处理方法,在选用不同的层数时,正确处理微孔末端的声阻抗率修正系数,等效处理后,2 种方法计算微穿孔板结构的吸声系数完全等效。

然后,采用同样的吸声等效处理方法,分析变孔径微穿孔板吸声结构如图4 所示,d1=0.8 mm,d2=0.25 mm,板厚l=0.3 mm,孔间距b=3.5 m,微孔呈正方形排列,微穿孔板吸声结构中板后空腔D=25 mm。等效的多层微穿孔板为3 层,各层的参数板厚为0.1 mm,孔间距是3.5 mm,孔径分别为:d1=0.7 mm,d2=0.5 mm,d3=0.3 mm。

4.2 试验测试

测试用变孔径微穿孔板内部结构图4 所示,试件为铜板材制成的变孔径微穿孔板,变孔径微穿孔板各结构参数跟理论计算用的结构参数一致。仪器设备:B&K 公司的4206 型阻抗测量管(直径为100 mm)、3560 型信号采集器、4187 型1/4 传声器。按照美国国家标准ASTM1050-984双传声器测量法。被测试件的吸声系数如5 所示。从图5 中可以看出,试件的试验测试结果与理论计算较好吻合。试验测试值比理论计算值要大,且试验测试值中出现局部频率吸声系数跳变。这些现象产生的原因为:本试件采用化学腐蚀的方法得到,在制作完成后,发现个别微孔的直径存在误差,实际微孔的直径小于设计值。从图5 实验测试值与理论计算值的对比情况,可以明确得到:运用串联等效处理方法可以指导变孔径微穿孔板的工程应用,减少吸声系数测试工作量,提高设计效率。

图5 变孔径微穿孔板吸声系数理论计算与试验测试对比Fig.5 Tested absorption coefficient of variable aperture micro-perforated panel vs theoretical calculation

工程应用中,某型多层微穿孔板是由双层不同直径的微穿孔板和蜂窝芯子组成,即两面板上不同直径微孔的蜂窝板。将这种微孔蜂窝板又按照串联方法制作如图6 所示试验件[11](这种试验件也属于多层微穿孔板结构),开展不同材质面板试验件吸声系数测试,得到如图7 所示测试结果。从测试结果来看,在100 ～400 Hz 范围内的吸声系数在0.8 以上,双层微穿孔板吸声结构吸声频带宽、吸声系数大[12]。

图6 双层微穿孔板试验件[11]Fig.6 The tested double layer variable aperture micro-perforated panel[11]

图7 双层微穿孔板吸声系数试验测试[12]Fig.7 Absorption coefficient test of double layer variable aperture micro-perforated panel[12]

4.3 可行性分析

从变孔径微穿孔板吸声系数理论仿真分析与试验测试的结果可以看出,该吸声系数具有频率范围宽、吸声系数大等特点;同时,变孔径微孔板无碎屑产生。变孔径微孔板与其后的空腔组成吸声结构,制成成品后,便于在轨更换安装,且其容重与纤维类吸声材料容重相当。

载人飞船、国际空间站、航天飞机和中国空间站[13]中的噪声多为周期性旋转噪声,此时航天员处于空间微重力条件下,以往控制这种环境噪声的方法是用吸声布或纤维类、泡沫类材料。微重力作用下,密封环境中空气密度不变,而空气的粘滞系数变大,空气的运动粘滞系数提高,变截面微穿孔板的吸声系数将有所变大,变孔径微穿孔板吸声结构有望缓解环境噪声污染。

5 结论

1)根据国际空间站的噪声频率特点,某型变孔径微穿孔板在100 ～400 Hz 范围内的吸声系数在0.8 以上,该结构对于周期性噪声的控制,其效果明显。

2)通过对某型变孔径微穿孔板的设计,对影响其吸声系数结构参数进行优化,优化后可以获取目标频段内吸声效果较好的结构,考虑到噪声特点,在具体工程应用中,针对噪声状况,细化噪声控制目标频段,进一步优化结构参数。

3)变孔径微孔板无碎屑产生,组成吸声结构后,其容重与纤维类吸声材料相当,且制成成品后,易于安装和维护,环境适用性好。