比翱工程实验室丨猎户座飞船舱室降噪消声器的研制
研究摘要
控制猎户座飞船乘员舱（CM：Crew Module）中的机舱噪声水平对于确保足够的语音清晰度、避免疲劳和防止机组人员出现任何暂时和永久听力损失的可能性至关重要。在轨任务阶段机舱噪音的主要来源是环境控制和生命支持系统（ECLSS：Environmental Control and Life Support System），该系统回收和调节呼吸空气并通过其管道网络和组件保持机舱增压。然而，来自ECLSS风扇的噪音也会通过这些管道传播，并通过ECLSS出入口散发到机舱可居住空间中。为了减轻过多的管道噪声，研究团队设计了两个ECLSS消声器以提供显著的声学传输损失（TL），从而满足机舱噪声要求。每个消声器分别安装在ECLSS空气入口和出口侧的管道中。包装限制和严格的体积要求使消声器必须具有复杂的几何形状并与ECLSS管道布局的弯曲兼容。为了设计和表征入口和出口消声器的声学性能，使用有限元方法（FEM）和声振仿真软件开发了声学计算模型。消声器中的声学材料和穿孔的表征通过多孔弹性介质理论（BIOT、比翱理论）得到解决。在图纸上设计消声器并预测其TL后，这些消声器的原型是使用增材制造创建的。随后在实验室中使用各种声学材料配置对消声器原型进行声学TL测试。将分析预测与测试性能进行比较，产生了极好的声学TL相关性，并证明了显著的宽带噪声衰减。ECLSS消声器目前计划安装在猎户座飞船的Artemis II乘员舱上，并将在任务期间能为乘员带来明显的舱内舒适感受。
图文导读
Artemis II将是自1972年12月阿波罗17号最后一次任务以来，美国宇航局猎户座航天器首次由空间发射系统（SLS）提供动力，载人进入低地轨道以外的深空。目前的计划是让猎户座航天器搭载4名宇航员进行月球飞越试验并返回地球。这将要求宇航员在猎户座乘员舱的舱内最多居住21天。飞行任务在轨和深空阶段舱内噪声的主要来源是环境控制和生命支持系统，该系统通过其管道网络及部件回收和调节呼吸空气，并维持舱内增压。在此过程中，ECLSS风机和泵也会在较小的可居住空间内产生噪音，需要对其进行控制，以确保机组舒适。国际空间站（ISS）先前的任务和经验表明，需要一个安静的工作和可居住的空间，以避免机组人员的不适，使他们能够有效地工作并在睡眠中得到休息。洛克希德·马丁航天公司是美国宇航局设计和制造猎户座航天器的主要承包商。作为运载工具要求的一部分，猎户座在任务的每个阶段（包括在太空中）都必须遵守座舱噪音要求。对于该任务阶段，猎户座座舱的可居住体积必须符合背景噪音水平，如国际空间站当前的声学工作环境。鉴于噪音控制处理装置的体积小、占地面积大，要达到这一安静水平很有挑战性。客舱可居住空间有一些系统级噪声控制处理，旨在减少客舱混响，但大部分噪声来自风机，这些风机通过管道系统传播，并通过空气进口和出口散发到机舱内。本文描述了为满足猎户座座舱的背景噪声要求，将在猎户座安装用于Artemis II和后续任务的ECLSS消声器的设计、原型制造和声学测试。这是洛克希德·马丁空间系统公司和NASA约翰逊航天中心声学办公室之间的合作成果。
声学分析的基准测试
由于包装限制，消声器不仅必须提供大的宽带噪声衰减，而且必须符合复杂的几何形状。研究团队已设计了两个与ECLSS管道一致的消声器，一个用于进气侧（进气消声器），另一个用于排气侧（排气消声器）。这两种设计略有不同，以符合现有ECLSS管道布局和两侧不同噪声衰减的需要。
这两种消声器的基本概念均基于[1]中已确立的穿孔反应器概念。使用声振仿真软件[2]对消声器进行了声学分析评估。在设计猎户座消声器之前，对穿孔消声器设计及其可量化声学性能的分析过程进行了基准测试，以与[1]中执行的消声器声学传递损失（TL）测试进行比较，如图1所示。消声器TL测试装置的声学有限元法（FEM）模型如图2所示。两种方法内部管道和外部膨胀室采用声学体积单元进行建模。消声器的入口由扩散场声学激励。消声器的入口和出口均采用了无限管道终止边界条件，因此可以从模型中轻松提取入射声功率和透射声功率，以计算声学TL（见图3）。内部管道中的穿孔尚未明确建模，但已在内部管道体积和外部膨胀室体积的界面处实现为阻抗边界条件。
猎户座ECLSS消声器设计与声学测试
图4显示了猎户座ECLSS入口消声器的声学有限元模型。消声器几何形状的曲率由ECLSS风管网络的包装要求决定。消声器模型的建立方式与文中所述的基准消声器声学模型相同，并在图4中作了进一步解释。由于其形状复杂，消声器的原型由洛克希德·马丁空间系统公司使用增材制造的塑料制成，并运至JSC声学和噪声控制实验室（ANCL），以插入纤维声学材料并执行声学TL测试。
图5显示了在JSC ANCL的“静音室”中为进气消声器设置的声学TL测试。TL测量采用阻抗管与传输损耗测试套件，基于ASTM E2611-19[6]中所述的四传声器传递函数法。对于每个管道设置，两个不同的出口端产生两种负载情况，这两种负载情况是推导穿过消声器的2×2声学传递矩阵所必需的，然后对其进行后处理，以推导正入射传输损耗。TL管的激励由驱动扬声器的白噪声产生。消声器结构用质量承载乙烯基包裹，以防止任何泄漏和堵塞壳体辐射噪声，否则会影响TL测量。
图6显示了覆盖在单个图上的大管和小管设置的进气消声器的传输损耗测试测量值。y轴已用出口控制限制的相对dB标识为空白。红色和蓝色图表对应于消声器中测试的两种不同声学材料。对应于红色图表的消声器中的声学材料在500–1000 Hz的临界频率范围内提供更高的TL。2 kHz以上的小管测量显示出极端的峰值行为，可能是测试伪影，也可能是声学纤维材料的结构- 流体（空气）框架中的耦合共振。无论出于何种原因，2kHz以上的峰值响应可能无法持续重复，因此不应依赖。
图7显示了进气消声器声传递损失的分析预测与试验的比较。红线对应于大管测量，绿线对应于小管测量。我们注意到了小管测量数据中的尖峰现象，并在之前对其进行了解释。黑线表示消声器声学有限元模型的预测。低于2 kHz的相关性非常好，模型能够以高精度捕获测试测量值。在2–4.6 kHz范围内，分析很好地捕获了平均响应，但无法捕获峰值和谷值，因为声学纤维材料的多孔弹性表示假定为刚性结构框架（Delany-Bazley经验模型），因此，无法预测消声器膨胀室中声学材料的流体结构框架的耦合共振。总的来说，进气消声器预测并测量显著的宽带声衰减。排气消声器也观察到了类似的趋势，但本文并未涉及。一旦进气和排气ECLSS消声器经过鉴定试验，飞行装置将采用使用增材制造的坚固金属结构。一旦安装在猎户座乘员舱中，它们将在舱内提供一个安静的声学环境，这是成功完成Artemis II任务及以后任务所必需的。
结论
本文描述了洛克希德·马丁空间系统公司和美国宇航局之间关于两个声学消声器的设计、开发和测试的合作工作，这两个消声器计划安装在猎户座航天器上，用于Artemis II任务和以后的任务。猎户座乘员舱内的噪音主要由环境控制和生命支持系统（ECLSS）控制，该系统为机组人员循环和调节呼吸空气。猎户座在其任务的在轨阶段有严格的座舱噪声要求，以确保最大的乘员舒适度。ECLSS消声器的设计基于可用的包装空间和所需的噪声衰减，以满足乘员舱可居住体积的系统级声学目标。使用声振仿真软件对消声器进行声学有限元分析。由于形状复杂，消声器的塑料原型采用增材制造，并在NASA约翰逊航天中心声学和噪声控制实验室进行了声传输损失测试。消声器不仅在测试中表现出显著的宽带声衰减，有限元声学模型也与试验数据表现出良好的相关性，这为整个设计过程提供了很高的可信度。
参考文献