封闭空间低气压环境对噪声测量的初步研究

李远飞， 梁鸿影， 何新星， 费锦学， 王 博， 程 亮

(中国航天员科研训练中心， 北京 100094)

1 引言

在载人航天任务中，空间密闭狭小、设备高度集中，声源设备复杂多样，舱内声环境噪声强度较高。 过高强度的噪声暴露会对航天员身心健康、工作效率等产生不良影响，为此在航天器内设有声环境安全限值。 载人航天声环境的噪声测评是评估分析噪声环境是否超标及是否对航天员造成不良影响的重要环节。 大气压力制度作为航天器的顶层设计指标之一，直接影响航天器声环境、代谢参数、热舒适性等指标的制定。 在登月任务及出舱活动中，航天器内需采用低压力制度，既可以满足人体生理要求，又具有节约资源消耗，减小航天器壳体重量，工程代价低等优势。 不同于国际空间站乘员舱舱内采用的1 atm 压力制度，阿波罗任务的2 艘载人飞行器指挥舱和登月舱在设计时分别采用了5.0 PSIA(34.5 kPa)和4.8 PSIA(33.1 kPa)的低压力制度。 研究噪声在特殊的低压力环境下的能量和频率特性，是制定载人航天器噪声容许限值、测评低压声环境、分析低压环境下对言语交流的影响、实施听力保护装具研制以及开展低气压噪声对人体听觉系统影响研究的前提。

在进行低气压环境噪声测量时，由于气压降低改变了空气密度，从而引起声波传播特性的改变。 同时，测量传声器的输出同样受到环境压力变化的影响，传声器在设计时利用均压孔来平衡内外的压力，防止气压变化所引起的膜片挤压，进而避免传声器频率响应急剧改变。 但由于气压降低后空气密度改变，影响了传声器隔膜膜片后面空腔的阻抗，最终导致传声器灵敏度也随之改变。 传声器的灵敏度随气压的降低呈升高趋势。

低压环境应用领域较少，其对声源传播特性及噪声测试的声学研究文献也不多，本文在低压实验舱模拟不同气压环境，选用3 种传声器，研究白噪声在不同低压环境下声压级和1/3 倍频带声压级的变化，以期为载人航天任务中的低压声环境测评提供实验参考依据。

2 方法

2.1 低压实验舱

采用中国航天员科研训练中心研制的低压实验舱，单舱一门卧式结构，舱体内径1.2 m，总长约1.7 m。 舱体设计温度为常温，包括3 个150 mm 的观察窗，实验舱系统主要附件包括2SK－3 水环式真空泵和独立式控制台，可控制舱内按照0 ～0.2 MPa/min 速率加压及减压。 低压实验舱为钢体材料，内表面无吸声材料，舱内近似扩散场；载人航天器内饰材料具有一定吸声能力，因此低压实验舱与载人航天器内声场存在一定差异。

2.2 实验设备及连接

为探究自由场传声器与压力场传声器，以及不同尺寸传声器在该声场条件下对测试结果的影响，分别选择3 种型号传声器，传声器基本参数和气压修正系数如表1 所示。 在测试前使用B＆K4231 声校准器在常压环境下对3 种传声器进行声校准。

表1 测试传声器参数Table 1 Parameters of the test microphones

在低压实验舱内放置B＆K4292(丹麦B＆K公司，下同)全指向声源和传声器。 全指向声源为十二面体结构，以球面分布12 只扬声器均匀发出声音。 声源通过Speakon 线缆与舱外B＆K2734功率放大器连接，功率放大器内置信号发生器，测试时选择白噪声作为输出。

测试时传声器与舱外B＆K3160 数据采集模块连接，数据采集模块分析带宽为51.2 kHz。 传声器放置在舱内距离声源1 m 处，传声器所在位置在实验前进行标定，每次测试位置保持固定不变。 所有穿舱线缆均通过舱体密封法兰处穿舱。实验设备连接如图1 所示。

图1 实验设备连接示意图Fig.1 Schematic diagram of equipment connection

低压实验舱内温度26 ℃、湿度45%，温度和湿度对测量结果的影响忽略不计。 当舱内泄压至41 kPa 时，低压实验舱抽气所引起的背景噪声达到最大值88.3 dBA，实验时声源输出声压级高于104 dB，高于舱内背景噪声15 dB，因此，可以认为背景噪声对测试无影响。

2.3 实验内容

1)声源输出功率不变、不同气压下声压级变化。 测试声源输出功率不变的条件下，舱内气压由常压101 kPa 开始，按照每10 kPa 的间隔控制进行减压，将舱内环境气压分别降到91，81，71，61，51，41 kPa，同时声源持续输出白噪声，强度不变，记录噪声时域信号。 每当气压降至不同压力值时，维持舱内压力稳定，记录对应气压条件下的噪声测试声压级结果。 完成一种传声器测试后更换另一传声器，直至完成3 种传声器的测试。

2)改变声源的初始输出功率，增加或降低5 dB，研究噪声初始条件改变后噪声衰减值是否随之改变。 测试分为2 组，一组将声源输出声压级增加5 dB，再对低压实验舱进行减压，使用B＆K4966 传声器记录不同舱压下的噪声测试结果；另一组将声源输出声压级减小5 dB，按照相同方法，使用B＆K4138 传声器记录不同舱压下的噪声测试结果。 利用2 组测试结果，分析噪声的衰减值是否与声源强度初始条件改变有关。

3 结果

3.1 相同声源输出功率测试结果

设定功率放大器输出功率不变，3 种传声器在不同低气压条件下得到的测试结果见表2。 表2中最后一行为根据表1 内传声器压力修正系数，对41 kPa 压力条件下声压级进行修正后的数据。

从表2 可以看出，气压由常压降低了60 kPa后，3 种传声器测试结果线性声压级降低7.74 ～8.10 dB，A 计权声级降低8.09 ～8.18 dBA。 随着气压的降低，每降低10 kPa 气压后声压级降低幅度逐渐增加。 低压实验舱减压60 kPa 后，3 种传声器测试的线性声压级衰减值最大相差0.36 dB，A 计权声级衰减值最大相差0.09 dBA。 对不同气压条件下3 种传声器测试的噪声数据进行1/3倍频程分析，频谱图如图2 所示。

图2 3 种传声器的不同气压条件下白噪声1/3 倍频程频谱Fig.2 1/3 octave spectrum of white noise for three microphones under different pressure conditions

表2 低压条件下3 种型号传声器测试白噪声结果Table 2 Test results of white noise for three types of microphones under hypobaric pressure dB

从图中可以看出3 种传声器测得的噪声1/3倍频程声压级变化趋势基本一致。 在中心频率315～6300 Hz 的1/3 倍频带频率范围内，3 种传声器测试的频带声压级均随着气压的降低呈现连续下降的趋势。

3.2 改变声源初始声压级测试结果

声源输出声压级增加5 dB 后，对不同气压条件下的噪声测试结果见表3 所示，其中条件1 在常压环境下将声源初始声压级设置为112.57 dB，条件2 在常压环境下将声源声压级增加5 dB。由于传声器型号相同，表中测试结果未根据压力修正系数对结果进行修正。 可以看出声源声压级增加5 dB 后不同气压条件下声压级衰减值变化量基本一致。

表3 低气压环境不同声源激励条件下自由场传声器测试结果Table 3 Test results of free field microphone in hypobaric pressure environment under different sound source excitation conditions

声源输出声压级减小5 dB 后对不同气压条件下的噪声测试结果如表4 所示，条件3 在常压环境下将声源声压级降低5 dB。 测试选择B＆K4138 传声器。 表中测试结果同样未进行压力修正。 可以看出声源声压级减小5 dB后不同气压条件下声压级衰减值变化量基本一致。

表4 低气压环境不同声源激励条件下压力场传声器测试结果Table 4 Test results of pressure field microphone in hypobaric pressure environment under different sound source excitation conditions

对比2 种类型传声器对不同声源激励条件下的测试结果发现，改变声源白噪声的声压级输出，不论是声压级增加或降低，在环境压力降低了60 kPa 后，由空气密度降低导致的声压级衰减程度基本一致。

4 讨论

NASA 针对登月航天器开展了高空声学试验，Goodman 等在实验研究中指出5.0 PSIA(34.5 kPa)环境压力下，噪声降低7 ～8 dB，而结构力学部门研究则认为噪声降低4.7 dB。 本文声压级测量结果，舱压由101 kPa 减至41 kPa，线性声压级降低7.74 ～8.10 dB，与NASA 研究结果接近，测量结果受以下因素影响:①扬声器灵敏度受气压变化影响；②气压改变对噪声传播的影响；③由于本实验噪声源采用的是扬声器，在不同气压条件下扬声器灵敏度同样会受到影响。

气压的减小会对传声器低频和中频的灵敏度有轻微的影响，声压在共振频率处对振膜作用力减小，引起振膜欠阻尼运动，最终造成处响应得到加强，灵敏度降低。 在高频段，频率越高声散射的影响越显著，同一传声器在不同声场的频响曲线形状也会存在差异。 载人航天器舱内噪声近似随机入射，此时开展噪声测试应选择在扩散场中具有平坦响应的传声器。 虽然传声器的自由场响应和扩散场响应在高频存在差异，但是在本实验中所使用自由场和压力场传声器以及不同尺寸传声器的测试结果差异不显著，这可能是因为在315 ～6300 Hz 测试范围内可认为压力场与自由场灵敏度几乎一致，对于工程测量，所选传声器均可满足测试要求。 由于传声器类型的不同，当置于自由声场时，相同条件的测试结果可能与扩散场时不同，但由于实验条件限制，本文未开展自由场声环境的低气压噪声测试研究，实验数据还需今后进一步研究积累。

本文结果在315 ～6300 Hz 频率范围内，噪声测量值随气压下降而降低，由于低气压环境下人耳入射声波声能的减小，声压级的降低对作业人员面对面通话的影响可能会更为明显。 此外，低气压条件下空气阻抗会变小，导致人外耳道中空气与中耳及耳蜗的声阻抗相对比值发生变化，将引起声波传入人耳内的声能减小，声波传播规律和人耳接收声能均发生了变化，使得研究低压环境对通话的影响也变得更加复杂。

改变声源输出功率后，白噪声随气压下降所导致的声压级降低幅度未见明显改变，这提示可以通过本文的测试结果预测不同声源在低气压条件下的声压级。

今后可在低压舱内改变舱内饰材料，进一步对载人航天器内声场环境进行模拟，开展航天器内特殊声场环境噪声传播特性及通话效果的研究。

5 结论

本文通过低压实验舱模拟不同气压环境，选择3 种传声器对低压实验舱内白噪声进行测试。结论如下:

1)在低压实验舱内，舱压由101 kPa 减至41 kPa后与常压相比，3 种传声器测试结果显示，白噪声的线性声压级降低7.74 ～8.10 dB，A 计权声级降低8.09～8.18 dBA；

2)低压实验舱内随着气压的降低，中心频率315～6300 Hz 的1/3 倍频带范围内，频带声压级随着气压的降低呈现连续下降趋势；

3)声压级的降低幅度与环境压力变化有关，与声源的初始声压级变化无关；

4)在载人航天低压环境下的噪声评价及制定低压下噪声限值时，应考虑低气压下噪声声压级数值的改变。

5)在扩散场环境下，本文选择的不同类型传声器在选择的测定范围内测试结果无明显差异，若在自由场环境下测试结果可能存在差异，还需进一步研究和数据积累。