空间站在轨舱内噪声地面模拟与测试技术

冯国松，杨 江，王 栋，魏 博，王 睿

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 引言

噪声作为空间站舱内环境的重要因素之一，会影响航天员的正常生活和认知能力，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伤以及其他生理损害[1]。为保障航天员健康状态和生命安全，需要严格控制发射、在轨、再入等各阶段的舱内噪声环境。

空间站是航天员在轨活动的主要场所，舱内噪声扰源主要为：

1）自由飞行阶段风扇、风机、控制力矩陀螺（CMG）等设备工作产生的噪声[2]。这些噪声扰源根据空间站的飞行状态可能为单个扰源或多个扰源组合，其特点为持续时间长、状态稳定，属于连续稳态噪声。

2）出舱活动过程中，为平衡气闸舱内外压力，需要进行泄/复压操作，气体快速释放和充压过程中会产生较大噪声。该过程持续时间较短，所产生的噪声属于非稳态噪声。

航天医学部门根据人体承受噪声的能力，要求舱内连续噪声水平不高于60 dBA，睡眠区连续噪声水平不高于50 dBA；泄/复压过程中，环境噪声最大不能超过105 dBA[3]。

为满足内部噪声评估与后期降噪需求，波音公司、NASA分别建立了室内噪声试验室[4]，实现结构传递损失测试、声场模拟等功能。试验室由混响室和消声室构成，耗资较大，无法短时间内实现。卢春玲、刘皙皙等[5-6]采用数值模型方法评估风机等噪声对环境的污染，经过实测数据对模型中的参数进行修正；王永亮[7]通过大量鱼雷实航试验数据，采用窄带信号、线性调频信号、调幅信号和宽带信号综合模拟鱼雷真实噪声特性谱；Mathur等人[8]采用单频激励方法，利用激振器与扬声器在DC-9型飞机舱段外部实现振动与噪声的模拟。以上方法均需要大量的试验测试数据作为支撑。姜良奎等人[9]以声压级为目标参数，采用开环回放的方式，实现了高速车辆客室噪声模拟。该方法由于声压分布对空间布局、材料属性较为敏感，所以适合布局与设备已经固化的成熟产品的环境体验验证。

我国空间站在方案设计及初样阶段，充分考虑到噪声控制的重要性，采用虚拟仿真方法模拟了空间站高低频噪声，对CMG等噪声较大单机设计了降噪隔舱。但该阶段风机、CMG等单机还未交付，无法采用真实单机扰源展开系统级噪声验证。

本文采用声功率等效的方法，对单机扰源的噪声进行模拟；在模拟舱内，利用多输入多输出（MIMO）控制方法，实现舱内多扰源状态下舱内声场的重构，为总体部门向各单机研制单位提出噪声控制指标提供依据。在初样阶段，还在真空罐内模拟了空间站出舱活动泄/复压全过程操作，并测试该过程中噪声压力的变化情况，以验证舱内噪声是否满足设计要求。

1 基于声功率等效的单机噪声模拟技术

1.1 单机噪声声功率等效模拟原理

声压级与距离、空间等因素直接相关。考虑到不同噪声扰源在空间站的安装位置、安装空间差异性，将噪声扰源声功率作为等效指标，实现单机噪声源的模拟复现。

半消声室内采用声压法实现声功率测试，半球面包络被测声源，声功率计算公式为[10-11]

扰源单机的声功率可参考以往相似单机型号或由总体部门给出，声功率等效模拟流程见图1。

图1 声功率模拟流程Fig.1 Sound power simulation process

1.2 单机声功率模拟

CMG是空间站的主要噪声源之一，其单机噪声测试结果接近80 dBA，因此设计了CMG隔舱，以满足空间站舱内连续噪声不高于60 dBA的要求。为验证CMG隔舱设计的合理性，在空间站综合验证舱内，采用声模拟源完成隔舱内CMG噪声模拟。

声模拟源尺寸为325 mm×330 mm×305 mm，其在50～8000 Hz频带范围内的1/3倍频程带宽声压级均高于80 dB。图2给出了声模拟源的安装位置及隔舱外空间站走廊声压评价点安装情况。图3给出了CMG单机真实声谱与模拟谱的对比：由于声源模拟现场背景噪声较大，个别低声压频段误差较大，但总声压级模拟十分准确，误差在0.1 dB以内。

图2 声模拟源与目标测试点安装Fig.2 The installation of simulated sound source and target test points

图3 CMG声谱与模拟声谱的对比Fig.3 Comparison between the actual and simulated sound spectrum of CMG

2 基于MIMO闭环控制的多声源模拟技术

航天医学部门给出的舱内连续噪声指标是空间站舱内噪声控制的重要依据。在研制初期，总体部门需向单机研制部门提出合理的噪声控制指标，以实现最终的舱内噪声控制。将舱内噪声作为目标点，通过MIMO闭环控制方法，可以实现多声源模拟，为单机噪声指标制定提供参考。

2.1 基本原理

基于线性时不变（LTI）系统理论，从MIMO振动系统的激励与响应在频域中的关系出发，将目标谱表示为自谱、相位和相干函数等元素的组合形式，给出激励谱与响应谱的函数关系，根据响应谱不断修正驱动谱，实现实时闭环控制[12]。MIMO窄带随机控制算法实现流程如下（见图4）：

1）获得系统初始频响矩阵逆矩阵Z，并给定目标点处噪声水平的参考谱矩阵，通过系统频响逆矩阵与参考谱获得初始频域驱动信号；

3）发出驱动信号作用在真实结构上，测量结构时域响应y(t)，给出响应谱矩阵Syy；

4）通过实际响应谱与参考谱的差值Eyy，计算驱动信号频域修正量Euu（对计算过程中用到的结构频响矩阵重新进行系统辨识）；

图4 MIMO控制算法流程Fig.4 Flow chart of MIMO control algorithm

2.2 空间站模拟舱多声源模拟实现

在总装大厅搭建了空间站模拟舱（见图5）来模拟空间站舱内的噪声环境。模拟舱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三聚氰胺泡沫，用于吸声降噪。舱壁材料为铝合金，三聚氰胺泡沫属性见表1[13]。在舱内中心通道布置4个噪声测点（见表2），作为MIMO控制的目标点。安装2个噪声模拟源（见图6），分别模拟单机扰源直接发声与单机扰源振动引起的舱壁发声。

图5 空间站模拟舱Fig.5 The layout of simulated space station module

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

表2 多声源模拟中测点位置和编号Table 2 The position of acoustic sensors in multiple noise source simulation test

图6 噪声模拟源安装Fig.6 The installation of simulated acoustic source

考虑到大厅的本底噪声已经接近60 dB，为保证信噪比，目标谱量级定为80 dB左右。4个目标点声压谱参见图7。可以看出：总声压级随着测点与声源的距离增加而逐渐降低；W2、W3测点声谱总体趋势一致，160 Hz与1250 Hz存在2个明显峰值，800 Hz附近存在谷底，代表了大柱段声场特性；W1测点在大柱段与小柱段之间，160 Hz处峰值分化为2个，到小柱段内测点W4则更为明显。

模拟舱内声场控制情况见图8，其中：UpAbort、LowAbort分别为±6 dB停机上下限；UpAlarm、LowAlarm分别为±3 dB报警上下限；Reference为目标参考谱；W1～W4为目标点的实际控制效果。可以看出，1/3倍频程各频点处声压误差均小于±3 dB，总声压级误差在±2 dB范围内。

图8 模拟舱声场控制曲线Fig.8 Acoustic field control curve for the simulated space station module

3 出舱活动泄/复压过程噪声测试

利用真空罐模拟在轨真空环境与热环境，通过配置排气泄压组件和复压供气组件，采用程序控制实现密封舱自动泄/复压模拟。空间站舱内共布置6个噪声测点，如表3所示。

表3 泄/复压噪声模拟试验中测点位置和编号Table 3 The position of acoustic sensors in depressurization and repressurization noise simulation test

3.1 泄压过程模拟及噪声测试

先利用真空罐实现舱外真空环境，再通过排气泄压组件完成舱内的压力控制[14]（见图9）。为保证舱内压力平缓过渡，泄压过程分为4个阶段进行：阶段1和阶段2将舱内压力由1个大气压降至几十kPa，持续时间30 min；阶段3将舱压降至几kPa，持续时间15 min；阶段4将舱压降至几百Pa，持续时间75 min，随后可进行出舱活动。

图9 排气泄压组件组成示意Fig.9 Schematic diagram of exhausting depressurization system

泄压过程中，小柱段与节点舱的舱门处于关闭状态。图10给出了泄压过程空间站各区域总声压级随时间的变化情况。

图10 泄压工况总声压级变化曲线Fig.10 Total sound pressure level under depressurization condition

从图10可以看出：1）对于小柱段，在阶段1～3，其噪声相对平稳，均在80～100 dBA以内；在阶段4，其压力变化在几kPa以内，噪声明显变小，在60 dBA以下；2）对于节点舱，噪声呈现逐渐降低的趋势，在阶段1～3，其声压级从90 dBA逐渐降至60 dBA；在阶段4其声压级从80 dBA降至30 dBA。

表4给出了各阶段的最大总声压级统计，最大值发生在阶段3的小柱段A区IV象限仪器板，达99.75 dBA。

表4 泄压工况噪声测点总声压级最大值统计Table 4 Statistics of maximum value of total sound pressure level under depressurization condition

3.2 复压过程模拟及噪声测试

采用复压供气组件，使用高压空气瓶向模拟舱内补充新鲜干燥空气进行大气环境重构。复压过程分为2个阶段：阶段1舱压恢复至几十kPa；阶段2舱压恢复至1个大气压。

图11为复压过程空间站各区域总声压级随时间的变化情况。从图可见：复压过程中，小柱段的噪声声压在阶段1为60～70 dBA，在阶段2逐渐降低至30 dBA；节点舱的噪声不断降低，从92.29 dBA逐渐降至50 dBA以下。

图11 复压工况噪声测点总声压级随测试时间变化曲线Fig.11 Total sound pressure level under repressurization condition

表5为复压过程各阶段的最大总声压级统计，可见，总声压级最大值发生在阶段1的小柱段舱门端框附近，达92.29 dBA。

表5 复压工况噪声测点总声压级最大值统计Table 5 Statistics of maximum value of total sound pressure level under repressurization condition

4 结论

本文根据空间站在轨舱内噪声特性，针对典型单机噪声源CMG，提出了声功率等效的噪声模拟方法，总声压级模拟误差在0.1 dB以内；采用MIMO控制方法对舱内多噪声源环境进行模拟，1/3倍频程各频点处声压模拟误差小于±3 dB，总声压级模拟误差可控制在±2 dB以内，实现了空间站在轨舱内噪声环境的地面模拟。真空罐内泄/复压模拟过程噪声测试结果表明，空间站舱内总声压级均在100 dBA以下，满足设计指标要求。