沈志強(qiáng)，晏廷飛，張俊剛，方貴前，朱子宏

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

目前對航天器發(fā)射及飛行過程經(jīng)歷的動力學(xué)環(huán)境的模擬通常采用隨機(jī)振動試驗(yàn)或者噪聲試驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)。隨機(jī)振動試驗(yàn)和噪聲試驗(yàn)都是鑒定航天器高頻振動環(huán)境的關(guān)鍵試驗(yàn)項(xiàng)目，但是這兩種試驗(yàn)方法不能完全相互代替。國內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果表明：在噪聲試驗(yàn)中，被聲場直接激勵的外殼或板具有最高的振動級，載物塊的振動級次之，中心結(jié)構(gòu)的響應(yīng)級最小；而隨機(jī)振動試驗(yàn)的結(jié)果相反，中心結(jié)構(gòu)（承力筒）由于直接安裝在振動臺上，具有最大的振動級，其余地方較小[1]。為了保證航天器的高可靠性，最好是既做隨機(jī)振動又做噪聲試驗(yàn)，但這樣不僅要增加研制成本和周期，還可能對航天器造成不必要的累積疲勞。有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，質(zhì)量相對集中的有效載荷只做隨機(jī)振動試驗(yàn)考核[2-3]。美軍標(biāo)MIL-STD-1540E 規(guī)定對于質(zhì)量小于180 kg 的緊湊結(jié)構(gòu)可用隨機(jī)振動試驗(yàn)代替噪聲試驗(yàn)。與美軍標(biāo)相比，GJB 1027A 對航天器質(zhì)量要求有所放寬，規(guī)定對于結(jié)構(gòu)緊湊的、一般不超過450 kg 的質(zhì)量密集型的飛行器，可以用隨機(jī)振動試驗(yàn)代替噪聲試驗(yàn)。但對于尺寸、質(zhì)量相對較小的衛(wèi)星，尤其是500～1000 kg 的小衛(wèi)星，對隨機(jī)振動試驗(yàn)或者噪聲試驗(yàn)的選擇一直存在爭議[4-5]，這給相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目的制定和剪裁帶來了困難[6-7]。

國外航天機(jī)構(gòu)在研究隨機(jī)振動與噪聲激勵組合試驗(yàn)的同時(shí)也進(jìn)行了正弦振動與噪聲試驗(yàn)的組 合試驗(yàn)研究，例如：為了適應(yīng)“阿里安那”42P 運(yùn)載火箭的發(fā)射環(huán)境，Goddard 空間飛行中心在1993年對 Fairchild 航空公司的海洋勘測衛(wèi)星POSEODON 進(jìn)行了加速度為1.5g的正弦掃描振動和總聲壓級為146 dB 的噪聲激勵的組合試驗(yàn)，同時(shí)采用了統(tǒng)計(jì)能量分析方法對衛(wèi)星在該組合環(huán)境下的響應(yīng)進(jìn)行了預(yù)示，特別是對星箭連接處的6 個(gè)主要承力部件進(jìn)行了重點(diǎn)考察，以確保發(fā)射過程中衛(wèi)星的響應(yīng)不超出結(jié)構(gòu)和裝配的容差范圍，預(yù)示結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合得很好[8]。

我國已開展了聲振組合環(huán)境試驗(yàn)的研究并取得一些進(jìn)展，例如：晏廷飛等針對某航天器天線開展了聲振組合試驗(yàn)與單項(xiàng)試驗(yàn)的對比研究，分析了天線的聲振組合試驗(yàn)效應(yīng)[9]；楊江等以太陽電池板為例開展了航天器組件聲振組合試驗(yàn)及仿真技術(shù)的研究[10]。這些研究都表明單項(xiàng)環(huán)境模擬試驗(yàn)忽略了聲振耦合的影響，會導(dǎo)致航天器在某些頻段欠試驗(yàn)或過試驗(yàn)，不能反映在復(fù)合環(huán)境激勵下的響應(yīng)[9,11]。

本文從試驗(yàn)原理出發(fā)，提出衛(wèi)星產(chǎn)品進(jìn)行聲振組合試驗(yàn)的必要性，研究聲振組合試驗(yàn)的控制方法和試驗(yàn)條件確定方法，目的是為衛(wèi)星產(chǎn)品的力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目制定及條件剪裁奠定基礎(chǔ)。

1 聲振組合試驗(yàn)原理及系統(tǒng)組成

1.1 試驗(yàn)原理

聲振組合試驗(yàn)的原理如圖1所示。振動臺放置在混響室中央（用行波管作為激勵源時(shí)一般置于行波管底部），受試產(chǎn)品固定在振動臺上。試驗(yàn)時(shí)同時(shí)施加振動和噪聲激勵：振動臺提供低頻振動激勵，混響室輸出噪聲激勵，用二者的組合試驗(yàn)來彌補(bǔ)隨機(jī)振動試驗(yàn)高頻段和噪聲試驗(yàn)低頻段的欠試驗(yàn)。

圖1 聲振組合試驗(yàn)原理 Fig.1 Principles of the vibro-acoustic test system

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

聲振組合試驗(yàn)系統(tǒng)（見圖2）包括噪聲試驗(yàn)子系統(tǒng)和振動試驗(yàn)子系統(tǒng)兩大部分，其中噪聲試驗(yàn)子系統(tǒng)又可分為混響室噪聲激勵設(shè)備和行波管噪聲激勵設(shè)備。

圖2 聲振組合試驗(yàn)系統(tǒng)組成 Fig.2 Composition of the vibro-acoustic test system

混響室總聲壓級最高可達(dá)150 dB，頻率范圍31.5～10 000 Hz?；祉懯覂?nèi)安裝4 個(gè)聲傳感器用于聲場的平均控制，其設(shè)置高度與試件高度一致，并勻布在試件的周圍，距離試件約0.5 m。

行波管的最高總聲壓級一般超過160 dB。為實(shí)現(xiàn)聲場的平均控制，行波管內(nèi)安裝不少于2 個(gè)聲傳感器，且一般布置在試件的對立面或者行波管前后段。行波管的底部開口，讓球頭機(jī)構(gòu)穿過，連接振動臺和試件。

振動激勵使用的是電動振動臺，要求安裝在混響室地面中心位置。為避免振動臺冷風(fēng)機(jī)的噪聲對聲場產(chǎn)生影響，不宜將其放置于混響室內(nèi)。振動試驗(yàn)控制傳感器粘貼在航天器與工裝連接面上；空載調(diào)試時(shí)，粘貼在振動臺動圈上表面。

2 聲振組合試驗(yàn)控制方法探討

2.1 噪聲與正弦振動組合試驗(yàn)控制方法

本節(jié)主要是研究噪聲激勵與振動激勵的加載順序。噪聲試驗(yàn)采用小衛(wèi)星驗(yàn)收級試驗(yàn)條件，為141 dB；正弦振動試驗(yàn)的量級為1g。

1）先加載噪聲激勵，后加載正弦振動激勵

按照噪聲試驗(yàn)條件，加載流程為先加載噪聲激勵直到滿量級；然后加載正弦振動激勵，振動控制系統(tǒng)自檢噪聲；若自檢噪聲超出允許值，則系統(tǒng)自保護(hù)而終止試驗(yàn)。

將振動控制系統(tǒng)的靈敏度設(shè)置為1000 mV/g，采用峰值控制方式，開始按加載流程加載。加載后，振動控制系統(tǒng)自檢噪聲，顯示高達(dá)310 mV，已超出允許值，因此系統(tǒng)自保護(hù)而無法進(jìn)行試驗(yàn)。在其他試驗(yàn)條件不變的情況下，將正弦振動控制方式改為濾波控制再次進(jìn)行試驗(yàn)，振動控制系統(tǒng)自檢噪聲為200 mV，再次超出允許值，系統(tǒng)自保護(hù)使得試驗(yàn)仍然不能進(jìn)行。

試驗(yàn)證明，該加載流程不利于聲振組合試驗(yàn)。

2）先加載正弦振動激勵，后加載噪聲激勵

組合試驗(yàn)的加載流程如圖3所示。將振動控制系統(tǒng)的靈敏度設(shè)為1000 mV/g，采用峰值控制方式，按流程加載并啟動正弦振動控制系統(tǒng)，自檢噪聲為60 mV，該值未超出允許值，繼續(xù)試驗(yàn)；將正弦振動量級加載到1g后，加載噪聲激勵；使噪聲量級達(dá)到滿量級后，實(shí)現(xiàn)噪聲和正弦振動的同時(shí)激勵。整個(gè)試驗(yàn)過程表明：噪聲試驗(yàn)啟動時(shí)振動控制信號未出現(xiàn)明顯變化，噪聲試驗(yàn)譜控制穩(wěn)定，且均在試驗(yàn)容差范圍內(nèi)；正弦控制曲線在200 Hz 以前比較光滑，200 Hz 以后有一定波動，但波動比較小， 1000 Hz 后某些點(diǎn)出現(xiàn)超差。

圖3 先加載正弦振動激勵后加載噪聲激勵流程圖 Fig.3 Flow chart of the sine vibration excitation applied before the acoustic excitation

將振動控制方式改為濾波控制后按照上述步驟再次進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)控制曲線更光滑平直，曲線均在容差范圍內(nèi)。

對比加載噪聲激勵和無噪聲激勵時(shí)示波器顯示的正弦信號，在有噪聲激勵的情況下示波器顯示信號有較多毛刺，此時(shí)采用峰值處理的振動控制曲線顯示值要比采用濾波處理的高0.2g～0.3g。這是因?yàn)榉逯堤幚頃r(shí)疊加了高頻信號，控制并不真實(shí)，因此噪聲與正弦振動組合試驗(yàn)應(yīng)采用濾波處理。

試驗(yàn)證明，該加載流程適合聲振組合試驗(yàn)。

2.2 噪聲與隨機(jī)振動組合試驗(yàn)控制方法

本節(jié)主要研究噪聲激勵控制與隨機(jī)振動激勵控制的相互影響。隨機(jī)振動控制條件為頻率范圍20～2000 Hz、總方均根值10grms的平直譜，振動控制系統(tǒng)的靈敏度設(shè)置為100 mV/g；噪聲激勵采用小衛(wèi)星驗(yàn)收級試驗(yàn)條件，試驗(yàn)量級141 dB。結(jié)果如下：

1）有噪聲激勵時(shí)，振動控制系統(tǒng)自檢噪聲為35 mV，無噪聲激勵時(shí)為3.4 mV。這說明噪聲對振動控制系統(tǒng)自檢有較大影響，因此噪聲與隨機(jī)振動組合試驗(yàn)時(shí)先加載隨機(jī)振動激勵，并逐級加載至接近滿量級后，再加載噪聲激勵，并同時(shí)加載至滿量級。

2）噪聲激勵到滿量級后觀察到，與隨機(jī)振動控制傳感器相連接的示波器示值及振動試驗(yàn)控制曲線均無明顯變化，表明在空載情況下噪聲激勵對隨機(jī)振動試驗(yàn)控制沒有影響。噪聲試驗(yàn)控制譜均在容差范圍內(nèi)，總聲壓級誤差小于0.3 dB。這表明，噪聲激勵與隨機(jī)振動激勵正常啟動后，振動控制系統(tǒng)相互之間的影響很小，甚至可以忽略不計(jì)。

3 噪聲與隨機(jī)振動組合試驗(yàn)實(shí)例

3.1 試驗(yàn)條件確定方法

有些衛(wèi)星產(chǎn)品在研制階段既要進(jìn)行噪聲試驗(yàn)，又要進(jìn)行隨機(jī)振動試驗(yàn)。圖4為某衛(wèi)星艙板單獨(dú)的隨機(jī)振動試驗(yàn)和噪聲試驗(yàn)的測點(diǎn)響應(yīng)曲線，其中紅色曲線為隨機(jī)振動激勵時(shí)結(jié)構(gòu)響應(yīng)曲線，黑色曲線為噪聲激勵時(shí)結(jié)構(gòu)響應(yīng)曲線。根據(jù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)曲線，在20～200 Hz（f1～f2）頻率范圍內(nèi)，隨機(jī)振動激勵結(jié)構(gòu)的響應(yīng)值更大，更能有效地激發(fā)結(jié)構(gòu)低頻模態(tài)響應(yīng)；在200～600 Hz（f2～f3），隨機(jī)振動激勵與噪聲激勵結(jié)構(gòu)響應(yīng)相當(dāng)，個(gè)別頻段噪聲激勵響應(yīng)略高于隨機(jī)振動激勵響應(yīng)，而在某些頻率則相反，但是總體趨勢相當(dāng)；600 Hz 以上（f3～f4），噪聲激勵更能有效地激發(fā)結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

圖4 隨機(jī)激勵與噪聲激勵結(jié)構(gòu)響應(yīng)對比 Fig.4 Structural response comparison between the random test and acoustic test

衛(wèi)星產(chǎn)品可以按照單獨(dú)的隨機(jī)振動試驗(yàn)與噪聲試驗(yàn)結(jié)果確定聲振組合試驗(yàn)的輸入條件：噪聲激勵下衛(wèi)星產(chǎn)品在f1～f2頻段結(jié)構(gòu)考核不充分，因此可通過振動臺提供f1～f2頻段的隨機(jī)振動激勵，模擬低頻部分的載荷環(huán)境，噪聲試驗(yàn)條件按照f2～f4條件輸入。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)4.1 節(jié)確定的輸入條件，該衛(wèi)星艙板在混響室內(nèi)進(jìn)行了噪聲與隨機(jī)振動組合試驗(yàn)，200 Hz以下采用隨機(jī)振動激勵，200 Hz 以上采用噪聲激勵。組合試驗(yàn)與單獨(dú)試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)如圖5所示，其中藍(lán)色曲線為噪聲與隨機(jī)振動組合激勵下結(jié)構(gòu)響應(yīng)曲線，紅色曲線為單獨(dú)隨機(jī)振動激勵時(shí)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)曲線，黑色曲線為單獨(dú)噪聲激勵時(shí)結(jié)構(gòu)響應(yīng)曲線。從圖5可看出：

1）在20～200 Hz 頻段，噪聲與隨機(jī)振動組合試驗(yàn)結(jié)構(gòu)響應(yīng)曲線與單獨(dú)的隨機(jī)振動結(jié)構(gòu)響應(yīng)曲線一致；在600 Hz 以上，組合試驗(yàn)結(jié)構(gòu)響應(yīng)要高于隨機(jī)振動試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

2）在200～5000 Hz，噪聲與隨機(jī)振動組合試驗(yàn)結(jié)構(gòu)響應(yīng)曲線與單獨(dú)噪聲激勵的一致；在200 Hz 以下，組合試驗(yàn)結(jié)構(gòu)響應(yīng)要高于噪聲激勵的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

結(jié)果表明：艙板進(jìn)行噪聲與隨機(jī)振動組合試驗(yàn)時(shí)，在低頻段隨機(jī)振動激勵更能激發(fā)結(jié)構(gòu)的模態(tài)響應(yīng)，而在中高頻段噪聲激勵更能激發(fā)結(jié)構(gòu)的模態(tài)響應(yīng)。艙板的噪聲與隨機(jī)振動組合試驗(yàn)彌補(bǔ)了噪聲試驗(yàn)低頻段考核不充分而隨機(jī)振動試驗(yàn)高頻段考核不充分的缺陷，對產(chǎn)品考核更加充分、全面。

圖5 聲振組合試驗(yàn)與單獨(dú)試驗(yàn)激勵響應(yīng)曲線對比 Fig.5 The board response comparison between the vibro-acoustic test and individual test

4 結(jié)論

本文對衛(wèi)星產(chǎn)品的聲振組合試驗(yàn)方法進(jìn)行了初步研究，探討了聲振組合試驗(yàn)控制方法，開展了衛(wèi)星艙板的噪聲與隨機(jī)振動組合試驗(yàn)，并對結(jié)構(gòu)響應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行了對比分析，可得出如下結(jié)論：

1）在混響室中放置聲振組合試驗(yàn)系統(tǒng)，根據(jù)噪聲、振動試驗(yàn)條件對噪聲試驗(yàn)系統(tǒng)和振動試驗(yàn)系統(tǒng)分別進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星產(chǎn)品聲振組合環(huán)境模擬試驗(yàn)。

2）在進(jìn)行噪聲與正弦振動組合試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)先啟動正弦振動試驗(yàn)控制，后啟動噪聲試驗(yàn)控制，且正弦振動控制應(yīng)采用濾波處理。

3）在進(jìn)行噪聲與隨機(jī)振動組合試驗(yàn)時(shí)，噪聲激勵與隨機(jī)振動激勵正常啟動后，相互之間影響很小，可以按照要求的條件施加激勵。

4）對于面積質(zhì)量比大的衛(wèi)星艙板產(chǎn)品，在結(jié)構(gòu)上同時(shí)施加隨機(jī)振動載荷和噪聲載荷，聲振組合試驗(yàn)考核更加合理。

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