郭強(qiáng)嶺，郭迅

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471009）

隱身作戰(zhàn)是新一代戰(zhàn)斗機(jī)的主要特點(diǎn)之一，為其配備的武器需要采用內(nèi)埋掛載方式。飛機(jī)巡航飛行時(shí)武器艙封閉，外部氣流擾動(dòng)引起的振動(dòng)和噪聲環(huán)境被艙體有效隔離，內(nèi)埋武器只承受通過(guò)掛架結(jié)構(gòu)傳遞的機(jī)體振動(dòng)，使用環(huán)境明顯優(yōu)于外部掛載時(shí)的振動(dòng)和噪聲環(huán)境。飛機(jī)進(jìn)入戰(zhàn)斗準(zhǔn)備時(shí)打開(kāi)武器艙門(mén)，形成開(kāi)口空腔，高速氣流流過(guò)空腔時(shí)能夠引起很高量級(jí)的氣動(dòng)壓力顫動(dòng)，可能對(duì)內(nèi)埋武器造成損傷而導(dǎo)致任務(wù)失敗。筆者初步分析了內(nèi)埋武器的噪聲環(huán)境，結(jié)合多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)推薦的空腔共鳴試驗(yàn)條件，給出內(nèi)埋武器可行的空腔共鳴噪聲試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法。

1 噪聲環(huán)境分析

噪聲一般是由飛行器高速飛行引起的高能級(jí)空氣壓力脈動(dòng)，這些壓力脈動(dòng)在5～87 kPa的幅值范圍和10 Hz～10 kHz的頻率范圍內(nèi)是寬帶隨機(jī)分布的，當(dāng)有空腔存在時(shí)也可能產(chǎn)生很高的離散頻率壓力脈動(dòng)。內(nèi)埋武器的殼體可以認(rèn)為是由“薄壁結(jié)構(gòu)”組成，噪聲作用其上，能夠引起直接安裝在內(nèi)埋武器殼體上的設(shè)備的振動(dòng)響應(yīng)。此外，由于噪聲在固體中傳播衰減量很小，內(nèi)埋武器內(nèi)部空氣振蕩形成內(nèi)聲場(chǎng)，并直接作用于安裝在內(nèi)部的電子設(shè)備上，造成設(shè)備功能喪失。噪聲環(huán)境引起的主要故障模式有［1］：

1）光學(xué)器件光軸失調(diào)；

2）電觸點(diǎn)斷續(xù)工作；

3）導(dǎo)線(xiàn)磨損或斷裂；

4）印刷電路板破裂；

5）慣性部件、波導(dǎo)管失靈或損壞；

6）引起以空氣為介質(zhì)的電容器電容的變化，導(dǎo)致設(shè)備性能超差或失效。

噪聲的大小與自由來(lái)流的動(dòng)壓成正比，同時(shí)也與武器外形、飛行馬赫數(shù)和攻角等密切相關(guān)，其總聲壓級(jí)在130～170 dB范圍內(nèi)，飛行試驗(yàn)測(cè)量是唯一能確定這些壓力的有效的精確手段。另外對(duì)于給定的噪聲環(huán)境，也很難預(yù)知將產(chǎn)生的振動(dòng)，大的空腔（特別是武器艙）引起的振動(dòng)對(duì)全機(jī)環(huán)境和內(nèi)埋武器可能都是主要因素。據(jù)英國(guó)《防務(wù)新聞》2006年4月的報(bào)道，美國(guó)第四代戰(zhàn)機(jī)F-22掛載AIM120C導(dǎo)彈多次進(jìn)行了機(jī)動(dòng)飛行、武器艙門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉等狀態(tài)的振動(dòng)和噪聲環(huán)境測(cè)試工作，以驗(yàn)證雷神公司關(guān)于振動(dòng)噪聲傳遞的模擬和確定噪聲振動(dòng)環(huán)境對(duì)導(dǎo)彈電子設(shè)備的影響。隨著我國(guó)新一代戰(zhàn)斗機(jī)的研制，內(nèi)埋武器艙具有隱身性能較好的配置方案，但由于各種原因，目前可用的飛行噪聲環(huán)境測(cè)試數(shù)據(jù)很少?？梢灶A(yù)計(jì)的是武器艙開(kāi)門(mén)時(shí)氣穴掠入氣流形成的高量級(jí)空腔共鳴噪聲對(duì)艙體結(jié)構(gòu)和艙內(nèi)武器有較大影響，是內(nèi)埋武器研制必須考慮的環(huán)境因素之一，應(yīng)及時(shí)開(kāi)展噪聲試驗(yàn)以驗(yàn)證其對(duì)噪聲環(huán)境的適應(yīng)性。

2 噪聲試驗(yàn)方法分析

國(guó)外非常重視機(jī)載武器噪聲試驗(yàn)，美國(guó)的AGM84A，AGM88A導(dǎo)彈除進(jìn)行20～2000 Hz的隨機(jī)振動(dòng)外還進(jìn)行100～2000 Hz、總聲壓為159 dB的全彈噪聲試驗(yàn)，AIM120導(dǎo)彈更是將低頻隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)和高頻噪聲試驗(yàn)結(jié)合進(jìn)行，作為系統(tǒng)考核試驗(yàn)項(xiàng)目［2］。1986年頒布的GJB 150雖然等效采用了MIL-STD-810D推薦的噪聲試驗(yàn)方法，配置了相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)施，但針對(duì)武器的噪聲試驗(yàn)開(kāi)展較少。GJB 150.17給出的噪聲環(huán)境試驗(yàn)分混響場(chǎng)噪聲、掠入射噪聲和空腔共鳴噪聲三類(lèi)［3］。

混響場(chǎng)噪聲方法要求一個(gè)均勻強(qiáng)度的噪聲譜型，使噪聲沖擊所有暴露的試驗(yàn)件表面。通常在一個(gè)混響室中產(chǎn)生混響場(chǎng)，提供寬帶隨機(jī)激勵(lì)并形成規(guī)定的頻譜，機(jī)載外掛類(lèi)產(chǎn)品推薦采用混響室試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。常規(guī)的混響室只能產(chǎn)生160 dB以?xún)?nèi)的均勻聲場(chǎng)，對(duì)于高量級(jí)噪聲輸入應(yīng)考慮使用掠入射噪聲進(jìn)行試驗(yàn)。

掠入射噪聲方法要求有一個(gè)高強(qiáng)度、具有某一譜型的快速脈動(dòng)的噪聲，以一個(gè)特定的方向沖擊試驗(yàn)件表面。掠入射噪聲可以在行波管管道內(nèi)產(chǎn)生，最高聲壓級(jí)可達(dá)165 dB以上，主要適用于系統(tǒng)級(jí)外掛產(chǎn)品，試驗(yàn)配置相對(duì)較容易，并可根據(jù)產(chǎn)品體積大小加工相應(yīng)的行波管。試驗(yàn)件在行波管內(nèi)最好保證其表面與管道的內(nèi)表面平行，以防止引入空腔或局部紊流效應(yīng)［4］。

空腔共鳴噪聲方法一般采用正弦聲能激勵(lì)，其聲譜強(qiáng)度和頻率分量在很大程度上受空腔的幾何形狀與腔內(nèi)裝備之間關(guān)系的支配，適用于武器艙內(nèi)埋武器?？涨还缠Q噪聲試驗(yàn)可以在混響室或行波管內(nèi)完成，通過(guò)將激勵(lì)源調(diào)諧到開(kāi)口空腔的共鳴頻率的正弦聲源來(lái)模擬共鳴狀況，空腔共鳴噪聲試驗(yàn)應(yīng)規(guī)定下列試驗(yàn)參數(shù)：噪聲頻率、空腔內(nèi)的總聲壓級(jí)、試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間。

內(nèi)埋武器實(shí)際使用中受到的噪聲環(huán)境不僅有空腔共鳴正弦噪聲，還有載機(jī)進(jìn)氣道引起的隨機(jī)噪聲，是由行波聲場(chǎng)和混響聲場(chǎng)合成的復(fù)雜聲場(chǎng)。由于實(shí)際條件限制，空腔共鳴正弦噪聲試驗(yàn)通常單獨(dú)在混響室或行波管內(nèi)進(jìn)行。

3 空腔共鳴試驗(yàn)條件分析

GJB 150.17給出了空腔共鳴試驗(yàn)條件的計(jì)算方法，認(rèn)為空腔共鳴聲壓級(jí)與自由來(lái)流動(dòng)壓有關(guān)，而共鳴頻率取決于空腔尺寸和空氣動(dòng)力流動(dòng)條件，見(jiàn)公式（1）和公式（2）。

式中：B0為試驗(yàn)聲壓級(jí)，dB；q為空腔敞開(kāi)時(shí)的飛行動(dòng)壓，Pa；fN為第N階模態(tài)共鳴頻率（N=1，2，3，…），Hz；N為模態(tài)數(shù)；Ma為馬赫數(shù)；L為暴露于氣流中的開(kāi)口長(zhǎng)度/半徑，m；C為飛行高度上的聲速，m/s。

該計(jì)算方法主要基于Heller，Smith.D等人1975年的研究報(bào)告給出。由公式（2）計(jì)算的共鳴頻率非常低，遠(yuǎn)低于目前噪聲試驗(yàn)設(shè)備能夠達(dá)到的下限頻率，由此確定的空腔共鳴試驗(yàn)頻率無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)算例計(jì)算分析，公式（2）給出的共鳴頻率計(jì)算方法存在較大誤差。2008年頒布的MILSTD-810G對(duì)空腔共鳴頻率計(jì)算方法進(jìn)行了修正，對(duì)于長(zhǎng)深比大于2、飛行馬赫數(shù)在0.4～1.5以?xún)?nèi)的空腔，給出的共鳴頻率計(jì)算方法見(jiàn)公式（3）。以典型參數(shù)進(jìn)行例證，假定長(zhǎng)度為4 m的大型武器艙以馬赫數(shù)1.5的速度在12 km高度開(kāi)艙飛行，分別用公式（2）和公式（3）計(jì)算其共鳴頻率。公式（2）計(jì)算的第5階模態(tài)共鳴頻率才達(dá)到0.06 Hz，公式（3）第1階模態(tài)共鳴頻率已達(dá)到45.7 Hz，在10階以?xún)?nèi)就能達(dá)到500 Hz的上限要求，并與模型測(cè)試結(jié)果有較好的一致性，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。由此可見(jiàn)，按公式（3）給出的空腔共鳴頻率具有更好的可實(shí)施性。

式中：U為自由來(lái)流速度，m/s；L為暴露于氣流中的空腔長(zhǎng)度，m；Ma為自由來(lái)流馬赫數(shù)；N為聲模態(tài)階數(shù)；γ為空氣的比熱比，恒定常數(shù)1.4。

表1 空腔共鳴頻率計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculating results of cavity resonance frequency

關(guān)于空腔共鳴噪聲試驗(yàn)頻率的下限，應(yīng)考慮可實(shí)施性。有文獻(xiàn)認(rèn)為若產(chǎn)品進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，則不進(jìn)行低于100 Hz頻率范圍內(nèi)的噪聲試驗(yàn)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)保證其耐受低于上述頻率的噪聲作用的穩(wěn)定性，高于100 Hz的噪聲可以方便地在行波管或混響室中實(shí)現(xiàn)激勵(lì)［5］。

關(guān)于空腔共鳴噪聲試驗(yàn)時(shí)間，由于武器艙開(kāi)艙門(mén)的持續(xù)時(shí)間很短，且按內(nèi)埋武器典型使用動(dòng)壓計(jì)算，噪聲試驗(yàn)聲壓級(jí)超過(guò)170 dB。因此空腔共鳴噪聲試驗(yàn)時(shí)間可確定為10 min或完成一次性能測(cè)試時(shí)間，以保證試驗(yàn)的可實(shí)施性。

4 噪聲試驗(yàn)程序

按圖1所示，將內(nèi)埋武器用彈性支承系統(tǒng)懸掛在行波管或混響室的中間，并使武器表面積最大的方向朝向聲源方向并暴露于噪聲激勵(lì)中。支承系統(tǒng)或任何輔助結(jié)構(gòu)不應(yīng)引入附加噪聲或振動(dòng)，其共振頻率應(yīng)選擇小于25 Hz或1/4最低試驗(yàn)頻率兩者中較小者。

試驗(yàn)期間，與內(nèi)埋武器連接的電纜、導(dǎo)管等，應(yīng)類(lèi)似于服役中的狀態(tài)（約束和質(zhì)量）。靠近內(nèi)埋武器的每個(gè)不同的主要表面上，放置用于試驗(yàn)控制的傳聲器（3～9個(gè)），距離表面0.5 m或介于表面中心和室壁之間的中間，取兩者中較小者，試驗(yàn)控制的總聲壓級(jí)偏差應(yīng)在-2～4 dB以?xún)?nèi)。

圖1 噪聲試驗(yàn)配置狀態(tài)Fig.1 Acoustic noise test configuration

按規(guī)定的噪聲試驗(yàn)量級(jí)對(duì)內(nèi)埋武器施加噪聲激勵(lì)，同時(shí)測(cè)試受試產(chǎn)品性能。試驗(yàn)后進(jìn)行必要的外觀檢查，以確定內(nèi)埋武器在噪聲環(huán)境下結(jié)構(gòu)和性能是否符合使用要求。

若條件允許，應(yīng)在武器外表面配置振動(dòng)傳感器，測(cè)試噪聲試驗(yàn)時(shí)各部位的振動(dòng)響應(yīng)，并與飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。

5 結(jié)論

空腔共鳴噪聲環(huán)境是新一代戰(zhàn)機(jī)內(nèi)埋武器在武器艙開(kāi)艙門(mén)瞬間遇到的嚴(yán)酷環(huán)境因素之一，為確定內(nèi)埋武器艙結(jié)構(gòu)和武器在此環(huán)境下能夠正常工作，必須開(kāi)展相應(yīng)的空腔共鳴噪聲環(huán)境試驗(yàn)。筆者在討論噪聲環(huán)境試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，給出了內(nèi)埋武器可行的噪聲環(huán)境試驗(yàn)方法，嘗試確定了內(nèi)埋武器空腔共鳴試驗(yàn)條件的計(jì)算方法和試驗(yàn)程序，為開(kāi)展進(jìn)一步的試驗(yàn)研究工作提供參考。

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