封閉空間低氣壓環境對噪聲測量的初步研究

李遠飛， 梁鴻影， 何新星， 費錦學， 王 博， 程 亮

(中國航天員科研訓練中心， 北京 100094)

1 引言

在載人航天任務中，空間密閉狹小、設備高度集中，聲源設備復雜多樣，艙內聲環境噪聲強度較高。 過高強度的噪聲暴露會對航天員身心健康、工作效率等產生不良影響，為此在航天器內設有聲環境安全限值。 載人航天聲環境的噪聲測評是評估分析噪聲環境是否超標及是否對航天員造成不良影響的重要環節。 大氣壓力制度作為航天器的頂層設計指標之一，直接影響航天器聲環境、代謝參數、熱舒適性等指標的制定。 在登月任務及出艙活動中，航天器內需采用低壓力制度，既可以滿足人體生理要求，又具有節約資源消耗，減小航天器殼體重量，工程代價低等優勢。 不同于國際空間站乘員艙艙內采用的1 atm 壓力制度，阿波羅任務的2 艘載人飛行器指揮艙和登月艙在設計時分別采用了5.0 PSIA(34.5 kPa)和4.8 PSIA(33.1 kPa)的低壓力制度。 研究噪聲在特殊的低壓力環境下的能量和頻率特性，是制定載人航天器噪聲容許限值、測評低壓聲環境、分析低壓環境下對言語交流的影響、實施聽力保護裝具研制以及開展低氣壓噪聲對人體聽覺系統影響研究的前提。

在進行低氣壓環境噪聲測量時，由于氣壓降低改變了空氣密度，從而引起聲波傳播特性的改變。 同時，測量傳聲器的輸出同樣受到環境壓力變化的影響，傳聲器在設計時利用均壓孔來平衡內外的壓力，防止氣壓變化所引起的膜片擠壓，進而避免傳聲器頻率響應急劇改變。 但由于氣壓降低后空氣密度改變，影響了傳聲器隔膜膜片后面空腔的阻抗，最終導致傳聲器靈敏度也隨之改變。 傳聲器的靈敏度隨氣壓的降低呈升高趨勢。

低壓環境應用領域較少，其對聲源傳播特性及噪聲測試的聲學研究文獻也不多，本文在低壓實驗艙模擬不同氣壓環境，選用3 種傳聲器，研究白噪聲在不同低壓環境下聲壓級和1/3 倍頻帶聲壓級的變化，以期為載人航天任務中的低壓聲環境測評提供實驗參考依據。

2 方法

2.1 低壓實驗艙

采用中國航天員科研訓練中心研制的低壓實驗艙，單艙一門臥式結構，艙體內徑1.2 m，總長約1.7 m。 艙體設計溫度為常溫，包括3 個150 mm 的觀察窗，實驗艙系統主要附件包括2SK－3 水環式真空泵和獨立式控制臺，可控制艙內按照0 ～0.2 MPa/min 速率加壓及減壓。 低壓實驗艙為鋼體材料，內表面無吸聲材料，艙內近似擴散場；載人航天器內飾材料具有一定吸聲能力，因此低壓實驗艙與載人航天器內聲場存在一定差異。

2.2 實驗設備及連接

為探究自由場傳聲器與壓力場傳聲器，以及不同尺寸傳聲器在該聲場條件下對測試結果的影響，分別選擇3 種型號傳聲器，傳聲器基本參數和氣壓修正系數如表1 所示。 在測試前使用B＆K4231 聲校準器在常壓環境下對3 種傳聲器進行聲校準。

表1 測試傳聲器參數Table 1 Parameters of the test microphones

在低壓實驗艙內放置B＆K4292(丹麥B＆K公司，下同)全指向聲源和傳聲器。 全指向聲源為十二面體結構，以球面分布12 只揚聲器均勻發出聲音。 聲源通過Speakon 線纜與艙外B＆K2734功率放大器連接，功率放大器內置信號發生器，測試時選擇白噪聲作為輸出。

測試時傳聲器與艙外B＆K3160 數據采集模塊連接，數據采集模塊分析帶寬為51.2 kHz。 傳聲器放置在艙內距離聲源1 m 處，傳聲器所在位置在實驗前進行標定，每次測試位置保持固定不變。 所有穿艙線纜均通過艙體密封法蘭處穿艙。實驗設備連接如圖1 所示。

圖1 實驗設備連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of equipment connection

低壓實驗艙內溫度26 ℃、濕度45%，溫度和濕度對測量結果的影響忽略不計。 當艙內泄壓至41 kPa 時，低壓實驗艙抽氣所引起的背景噪聲達到最大值88.3 dBA，實驗時聲源輸出聲壓級高于104 dB，高于艙內背景噪聲15 dB，因此，可以認為背景噪聲對測試無影響。

2.3 實驗內容

1)聲源輸出功率不變、不同氣壓下聲壓級變化。 測試聲源輸出功率不變的條件下，艙內氣壓由常壓101 kPa 開始，按照每10 kPa 的間隔控制進行減壓，將艙內環境氣壓分別降到91，81，71，61，51，41 kPa，同時聲源持續輸出白噪聲，強度不變，記錄噪聲時域信號。 每當氣壓降至不同壓力值時，維持艙內壓力穩定，記錄對應氣壓條件下的噪聲測試聲壓級結果。 完成一種傳聲器測試后更換另一傳聲器，直至完成3 種傳聲器的測試。

2)改變聲源的初始輸出功率，增加或降低5 dB，研究噪聲初始條件改變后噪聲衰減值是否隨之改變。 測試分為2 組，一組將聲源輸出聲壓級增加5 dB，再對低壓實驗艙進行減壓，使用B＆K4966 傳聲器記錄不同艙壓下的噪聲測試結果；另一組將聲源輸出聲壓級減小5 dB，按照相同方法，使用B＆K4138 傳聲器記錄不同艙壓下的噪聲測試結果。 利用2 組測試結果，分析噪聲的衰減值是否與聲源強度初始條件改變有關。

3 結果

3.1 相同聲源輸出功率測試結果

設定功率放大器輸出功率不變，3 種傳聲器在不同低氣壓條件下得到的測試結果見表2。 表2中最后一行為根據表1 內傳聲器壓力修正系數，對41 kPa 壓力條件下聲壓級進行修正后的數據。

從表2 可以看出，氣壓由常壓降低了60 kPa后，3 種傳聲器測試結果線性聲壓級降低7.74 ～8.10 dB，A 計權聲級降低8.09 ～8.18 dBA。 隨著氣壓的降低，每降低10 kPa 氣壓后聲壓級降低幅度逐漸增加。 低壓實驗艙減壓60 kPa 后，3 種傳聲器測試的線性聲壓級衰減值最大相差0.36 dB，A 計權聲級衰減值最大相差0.09 dBA。 對不同氣壓條件下3 種傳聲器測試的噪聲數據進行1/3倍頻程分析，頻譜圖如圖2 所示。

圖2 3 種傳聲器的不同氣壓條件下白噪聲1/3 倍頻程頻譜Fig.2 1/3 octave spectrum of white noise for three microphones under different pressure conditions

表2 低壓條件下3 種型號傳聲器測試白噪聲結果Table 2 Test results of white noise for three types of microphones under hypobaric pressure dB

從圖中可以看出3 種傳聲器測得的噪聲1/3倍頻程聲壓級變化趨勢基本一致。 在中心頻率315～6300 Hz 的1/3 倍頻帶頻率范圍內，3 種傳聲器測試的頻帶聲壓級均隨著氣壓的降低呈現連續下降的趨勢。

3.2 改變聲源初始聲壓級測試結果

聲源輸出聲壓級增加5 dB 后，對不同氣壓條件下的噪聲測試結果見表3 所示，其中條件1 在常壓環境下將聲源初始聲壓級設置為112.57 dB，條件2 在常壓環境下將聲源聲壓級增加5 dB。由于傳聲器型號相同，表中測試結果未根據壓力修正系數對結果進行修正。 可以看出聲源聲壓級增加5 dB 后不同氣壓條件下聲壓級衰減值變化量基本一致。

表3 低氣壓環境不同聲源激勵條件下自由場傳聲器測試結果Table 3 Test results of free field microphone in hypobaric pressure environment under different sound source excitation conditions

聲源輸出聲壓級減小5 dB 后對不同氣壓條件下的噪聲測試結果如表4 所示，條件3 在常壓環境下將聲源聲壓級降低5 dB。 測試選擇B＆K4138 傳聲器。 表中測試結果同樣未進行壓力修正。 可以看出聲源聲壓級減小5 dB后不同氣壓條件下聲壓級衰減值變化量基本一致。

表4 低氣壓環境不同聲源激勵條件下壓力場傳聲器測試結果Table 4 Test results of pressure field microphone in hypobaric pressure environment under different sound source excitation conditions

對比2 種類型傳聲器對不同聲源激勵條件下的測試結果發現，改變聲源白噪聲的聲壓級輸出，不論是聲壓級增加或降低，在環境壓力降低了60 kPa 后，由空氣密度降低導致的聲壓級衰減程度基本一致。

4 討論

NASA 針對登月航天器開展了高空聲學試驗，Goodman 等在實驗研究中指出5.0 PSIA(34.5 kPa)環境壓力下，噪聲降低7 ～8 dB，而結構力學部門研究則認為噪聲降低4.7 dB。 本文聲壓級測量結果，艙壓由101 kPa 減至41 kPa，線性聲壓級降低7.74 ～8.10 dB，與NASA 研究結果接近，測量結果受以下因素影響:①揚聲器靈敏度受氣壓變化影響；②氣壓改變對噪聲傳播的影響；③由于本實驗噪聲源采用的是揚聲器，在不同氣壓條件下揚聲器靈敏度同樣會受到影響。

氣壓的減小會對傳聲器低頻和中頻的靈敏度有輕微的影響，聲壓在共振頻率處對振膜作用力減小，引起振膜欠阻尼運動，最終造成處響應得到加強，靈敏度降低。 在高頻段，頻率越高聲散射的影響越顯著，同一傳聲器在不同聲場的頻響曲線形狀也會存在差異。 載人航天器艙內噪聲近似隨機入射，此時開展噪聲測試應選擇在擴散場中具有平坦響應的傳聲器。 雖然傳聲器的自由場響應和擴散場響應在高頻存在差異，但是在本實驗中所使用自由場和壓力場傳聲器以及不同尺寸傳聲器的測試結果差異不顯著，這可能是因為在315 ～6300 Hz 測試范圍內可認為壓力場與自由場靈敏度幾乎一致，對于工程測量，所選傳聲器均可滿足測試要求。 由于傳聲器類型的不同，當置于自由聲場時，相同條件的測試結果可能與擴散場時不同，但由于實驗條件限制，本文未開展自由場聲環境的低氣壓噪聲測試研究，實驗數據還需今后進一步研究積累。

本文結果在315 ～6300 Hz 頻率范圍內，噪聲測量值隨氣壓下降而降低，由于低氣壓環境下人耳入射聲波聲能的減小，聲壓級的降低對作業人員面對面通話的影響可能會更為明顯。 此外，低氣壓條件下空氣阻抗會變小，導致人外耳道中空氣與中耳及耳蝸的聲阻抗相對比值發生變化，將引起聲波傳入人耳內的聲能減小，聲波傳播規律和人耳接收聲能均發生了變化，使得研究低壓環境對通話的影響也變得更加復雜。

改變聲源輸出功率后，白噪聲隨氣壓下降所導致的聲壓級降低幅度未見明顯改變，這提示可以通過本文的測試結果預測不同聲源在低氣壓條件下的聲壓級。

今后可在低壓艙內改變艙內飾材料，進一步對載人航天器內聲場環境進行模擬，開展航天器內特殊聲場環境噪聲傳播特性及通話效果的研究。

5 結論

本文通過低壓實驗艙模擬不同氣壓環境，選擇3 種傳聲器對低壓實驗艙內白噪聲進行測試。結論如下:

1)在低壓實驗艙內，艙壓由101 kPa 減至41 kPa后與常壓相比，3 種傳聲器測試結果顯示，白噪聲的線性聲壓級降低7.74 ～8.10 dB，A 計權聲級降低8.09～8.18 dBA；

2)低壓實驗艙內隨著氣壓的降低，中心頻率315～6300 Hz 的1/3 倍頻帶范圍內，頻帶聲壓級隨著氣壓的降低呈現連續下降趨勢；

3)聲壓級的降低幅度與環境壓力變化有關，與聲源的初始聲壓級變化無關；

4)在載人航天低壓環境下的噪聲評價及制定低壓下噪聲限值時，應考慮低氣壓下噪聲聲壓級數值的改變。

5)在擴散場環境下，本文選擇的不同類型傳聲器在選擇的測定范圍內測試結果無明顯差異，若在自由場環境下測試結果可能存在差異，還需進一步研究和數據積累。