劉大志，朱子宏，張俊剛，晏廷飛，向樹(shù)紅

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高聲強(qiáng)聲場(chǎng)模擬裝置設(shè)計(jì)與聲試驗(yàn)1/3倍頻程控制技術(shù)研究

劉大志，朱子宏，張俊剛，晏廷飛，向樹(shù)紅

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

為了提高混響室聲場(chǎng)模擬能力，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所自研一套高聲強(qiáng)聲場(chǎng)模擬試驗(yàn)設(shè)備。文章介紹了該設(shè)備的行波管發(fā)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)和消聲降噪處理過(guò)程——行波終端設(shè)計(jì)以及聲試驗(yàn)控制儀器的原理。經(jīng)過(guò)調(diào)試試驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)量結(jié)果滿足聲壓級(jí)165 dB行波聲場(chǎng)的要求，行波管試驗(yàn)段性能良好，達(dá)到167.9 dB，消聲道出口噪聲能夠滿足環(huán)境模擬需求。

高聲強(qiáng)聲場(chǎng)；行波管；1/3倍頻程；消聲降噪

0 引言

目前混響場(chǎng)試驗(yàn)方法是大型航天器地面聲振環(huán)境模擬試驗(yàn)的主要方法。對(duì)照國(guó)外的混響室設(shè)備指標(biāo)和噪聲試驗(yàn)，我國(guó)的混響室容積水平與之相差不大，但是在總聲壓級(jí)和控制精度上距離國(guó)外先進(jìn)水平還有一定差距，如美國(guó)早在“阿波羅”探月工程中的噪聲試驗(yàn)量級(jí)就已達(dá)到了165dB[1]。而我國(guó)混響室聲場(chǎng)模擬能力的最大總聲壓級(jí)經(jīng)不斷改進(jìn)提升，目前可以達(dá)到157dB。

我國(guó)航天器的多元化發(fā)展（如載人航天器、深空探測(cè)衛(wèi)星及高軌道衛(wèi)星等）對(duì)地面聲試驗(yàn)?zāi)M能力要求越來(lái)越高。另外，載人航天器的返回艙、返回式衛(wèi)星在再入過(guò)程中以及航天器在發(fā)射過(guò)程中因故障而逃逸時(shí)都有暴露于大氣中的高速運(yùn)動(dòng)，在

這些情況下，勢(shì)必經(jīng)歷高聲強(qiáng)的聲學(xué)環(huán)境[1]。

因此，為提升我國(guó)航天器聲試驗(yàn)?zāi)芰Γ瑵M足未來(lái)航天任務(wù)的需要，有必要研制一套總聲壓級(jí)能達(dá)到165dB甚至更高的具有高聲強(qiáng)模擬能力的噪聲試驗(yàn)設(shè)備。本文對(duì)高聲強(qiáng)聲場(chǎng)模擬系統(tǒng)進(jìn)行研究，結(jié)合北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的現(xiàn)有設(shè)備和未來(lái)的航天器環(huán)境試驗(yàn)需求，設(shè)計(jì)了一套具高聲強(qiáng)模擬能力的噪聲試驗(yàn)設(shè)備。

1 行波管硬件設(shè)計(jì)

1.1 喇叭設(shè)計(jì)

在換能器和行波試驗(yàn)段間，通常用指數(shù)喇叭進(jìn)行匹配，以達(dá)到理想的電、氣聲效率。喇叭截面積為[2]

=0e， (1)

式中：0為喇叭喉部截面面積，mm2；為喉部至擴(kuò)充段的軸向距離，mm；為蜿展常數(shù)，

=4π0/， (2)

其中0為喇叭的下限截止頻率（Hz），為空氣中的聲波速度（m/s）。

1.2 行波試驗(yàn)段設(shè)計(jì)

行波試驗(yàn)段聲場(chǎng)應(yīng)符合平面波條件，在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮行波管試驗(yàn)段的模態(tài)頻率及截止頻率。以矩形截面行波管為例，其模態(tài)頻率為[3]

式中：為行波管試驗(yàn)段模態(tài)頻率，Hz；l、l為行波試驗(yàn)段橫向尺寸，m；n、n為整數(shù)，= 0,1,2,…,；c為介質(zhì)聲速，m/s。

設(shè)l＞l，則行波管的截止頻率=/(2l)。當(dāng)行波試驗(yàn)段的頻率小于該頻率時(shí)，管中聲波為平面波；否則，會(huì)出現(xiàn)橫向駐波。

為滿足行波管中聲壓級(jí)沿縱向可變，其橫截面積應(yīng)作相應(yīng)改變。遵循的規(guī)律是：聲壓平方與截面乘積保持常數(shù)。但管截面不宜突變，以防止聲波反射[3]。

考慮到聲在傳播過(guò)程中的能量損失，在揚(yáng)聲器喇叭和行波管試驗(yàn)段之間的連接應(yīng)采取隔振和密封措施，各個(gè)部分與地面固定時(shí)也需要采取隔振或減振措施。

1#喇叭第一、第二段和2#喇叭、行波試驗(yàn)段均由1Cr18Ni9Ti不銹鋼板焊接而成，外壁用井字筋加強(qiáng)。1#喇叭第三段為ZL104鑄造成型。各部分接口處有密封處理。設(shè)備安裝完成后內(nèi)部進(jìn)行了環(huán)氧處理。

1.3 行波終端設(shè)計(jì)

通常要求行波終端至少能吸收掉使用頻區(qū)聲能。行波終端由安裝在喇叭出口的正前方壁面上的消聲尖劈和安裝在混響室內(nèi)其余各面的厚阻性吸聲層構(gòu)成。消聲尖劈表面安裝吸聲系數(shù)=0.99（聲壓反射系數(shù)0.01）的擋風(fēng)網(wǎng)布，網(wǎng)布材料選用

24 kg/m3吸聲棉和玻璃纖維布。阻性吸聲層主要成分為100mm厚的聚氨酯泡沫。消聲部分安裝圖見(jiàn)圖1。

圖1 消聲部分安裝圖

2 1/3倍頻程控制技術(shù)研究

控制算法是1/3倍頻程控制技術(shù)的核心，主要包括聲壓級(jí)計(jì)算以及控制系統(tǒng)均衡算法等方面的內(nèi)容。

2.1 聲壓級(jí)計(jì)算

聲壓級(jí)以符號(hào)SPL表示，1/3倍頻程聲壓級(jí)計(jì)算公式為[4-5]

式中：=0,1,2,…,；PSD()為采樣系列的功率譜密度估計(jì)；sp()為每級(jí)中心頻率的譜線數(shù)，=0,1,2,…,；0為參考值，2×10-5Pa。

總聲壓級(jí)計(jì)算為[4-5]

式中取26。

2.2 試驗(yàn)方法與平均算法的研究

高的聲壓級(jí)是在狹窄的空間即行波管中產(chǎn)生，行波管中的聲場(chǎng)與混響室中的聲場(chǎng)有較大區(qū)別：聲波在混響室中多以衍射波形式存在，而行波管中的聲場(chǎng)為行波，即反射較少的波。因此試驗(yàn)時(shí)為了避免欠試驗(yàn)和過(guò)試驗(yàn)，傳感器應(yīng)朝同一方向安放。行波管試驗(yàn)針對(duì)的對(duì)象主要是小的元器件或者大塊的材料側(cè)壁結(jié)構(gòu)，對(duì)于整星（船）試驗(yàn)方法還有待進(jìn)一步探索。

試驗(yàn)方法借鑒了混響室中的控制方法，采用多點(diǎn)平均控制[5]。假設(shè)系統(tǒng)傳遞函數(shù)為()，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的傳遞關(guān)系

則輸入功率譜G()與輸出功率譜G()的關(guān)系可表示為

要使系統(tǒng)響應(yīng)滿足試驗(yàn)要求，即

則需驅(qū)動(dòng)功率譜滿足

閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)可采用修正驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)減小偏差的修正方法，直接修正驅(qū)動(dòng)的頻域幅值進(jìn)行比較修正。此方法是比較響應(yīng)頻譜()和參考頻譜()的差異，得到每個(gè)譜線的修正系數(shù)λ，修正下一時(shí)段的驅(qū)動(dòng)譜(+1)，進(jìn)行循環(huán)迭代，如式(9)。

以上方法對(duì)于控制收斂速度較慢。為了加快控制的收斂速度，需要調(diào)整修正系數(shù)中的指數(shù)以及功率譜估計(jì)中的參數(shù)。

2.3 1/3倍頻程控制算法的實(shí)現(xiàn)

控制軟件基于Visual C++6.0，由北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所自主開(kāi)發(fā)。控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)計(jì)算、頻譜分析及圖形顯示功能。該系統(tǒng)將動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)轉(zhuǎn)化成時(shí)域、頻域指標(biāo)。在數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中選擇了相位隨機(jī)化生成隨機(jī)信號(hào)，構(gòu)造了1/3倍頻程線性模型，嘗試用簡(jiǎn)單的比例-積分-微分（PID）進(jìn)行超前、滯后設(shè)計(jì)，并且評(píng)估、修正受控對(duì)象?？刂葡到y(tǒng)程序流程及控制系統(tǒng)布置如圖3[5]、圖4所示。

圖3 控制系統(tǒng)流程圖

圖4 控制系統(tǒng)布置圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

應(yīng)用30kW的低頻聲發(fā)生器[6-7]對(duì)該裝置進(jìn)行開(kāi)環(huán)滿量級(jí)調(diào)試，結(jié)果見(jiàn)圖5?？梢钥闯?，在行波管中0.522 m2截面積處，63Hz中心頻率處，最大聲壓級(jí)達(dá)到167.9dB。

圖5 開(kāi)環(huán)調(diào)試結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)裝置分別進(jìn)行了155、160dB量級(jí)試驗(yàn)，參考NASA的試驗(yàn)方法[8]，采用兩點(diǎn)平均控制方法，控制聲譜見(jiàn)圖6～圖8所示。圖中可以看出，試驗(yàn)裝置在155、160dB時(shí)均有較好的譜成型能力，最大譜成型能力約為160.5 dB。在進(jìn)行160 dB量級(jí)調(diào)試時(shí)，頻譜在1kHz附近略低于參考譜，這可能與行波管的特性以及聲發(fā)生器的頻響特性有關(guān)。

本次調(diào)試只用了1個(gè)30 kW的低頻聲發(fā)生器，若增加聲發(fā)生器數(shù)量，提高輸入能力，采用高、低頻聲發(fā)生器配合使用，則裝置最大譜成型能力和譜型控制會(huì)有進(jìn)一步提高和改善。

圖6 155dB閉環(huán)調(diào)試結(jié)果

圖7 160dB倍頻程閉環(huán)調(diào)試結(jié)果

圖8 160dB 1/3倍頻程閉環(huán)調(diào)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從高聲強(qiáng)聲源模擬系統(tǒng)、1/3倍頻程聲試驗(yàn)控制系統(tǒng)等方面對(duì)高聲強(qiáng)聲場(chǎng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究?；谛胁ü艿墓ぷ髟?，完成了行波管的喇叭段、行波試驗(yàn)段和消聲部分的設(shè)計(jì)，給出了行波管的設(shè)計(jì)計(jì)算公式，并最終研制完成行波試驗(yàn)裝置。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，行波管得到的聲波為平面波，聲壓級(jí)達(dá)到167.9dB，滿足預(yù)期要求。該成果已經(jīng)

應(yīng)用在科研生產(chǎn)中，并完成了多項(xiàng)試驗(yàn)任務(wù)，提高了北京衛(wèi)星環(huán)境研究所的試驗(yàn)技術(shù)能力和水平。

（References）

[1] 劉大志, 張俊剛, 方貴前. 高聲強(qiáng)聲場(chǎng)模擬與聲試驗(yàn)1/3倍頻程控制技術(shù)研究[C]//中國(guó)宇航學(xué)會(huì)深空探測(cè)技術(shù)專業(yè)委員會(huì)第八屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（下篇）, 2011-10-25

[2] 馬大猷. 噪聲控制工程手冊(cè)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1983

[3] 丁愛(ài)祥, 楊煦, 白繼軍, 等. 高聲強(qiáng)行波管裝置[J]. 航空工業(yè)總公司飛機(jī)強(qiáng)度研究所, 1998, 17(1):18-20

[4] 董小衛(wèi), 丁愛(ài)祥. 行波管系統(tǒng)頻響特性的測(cè)試與分析[J]. 航空學(xué)報(bào), 1998,19(4): 506-508

[5] 晏廷飛, 方貴前. 聲學(xué)試驗(yàn)三分之一倍頻程控制技術(shù)研究[J]. 航天器環(huán)境工程, 2008, 25(5): 464-466

Yan Tingfei, Fang Guiqian. Research on 1/3 octave acoustic test control technique[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2008, 25(5): 464-466

[6] 沈山豪. 氣流揚(yáng)聲器的聲輻射和它的測(cè)量[J]. 強(qiáng)度與環(huán)境, 1993, 30(1): 16-23

[7] 沈山豪. 強(qiáng)噪聲環(huán)境試驗(yàn)的頻譜模擬[J]. 強(qiáng)度與環(huán)境, 1997, 34(1): 46-52

[8] Yu Wenjun, Zhong Siyang, Huang Xun. Dynamic modeling and numerical simulation of acoustic-thermal-fluid coupling for hypersonic vehicle fatigue test[C]∥19thAIAA/CEAS. Berlin, 2013. AIAA 2013-2130

（編輯：閆德葵）

Design of high-intensity acoustic field simulator and1/3 octave band control for acoustic test

Liu Dazhi, Zhu Zihong, Zhang Jungang, Yan Tingfei, Xiang Shuhong

(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

A high intensity acoustic test system designed by BISEE is presented in this paper, including the acoustic design, the anechoic approach and the noise elimination, and the development of a closed-loop acoustic control system. The test results show that with the overall sound power level of 165dB, the TWT performs well, and the noise at the end of the exhaust flow meets the environmental requirements.

high intensity acoustic field; traveling wave tube; 1/3 octave band; noise elimination

TB52+5; TB534; TB535

B

1673-1379(2016)03-0312-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.03.014

劉大志（1978—），男，碩士學(xué)位，主要從事航天器動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)研究。E-mail: dazhil@126.com。

2015-09-22；

2016-05-14

http://www.bisee.ac.cn E-mail: htqhjgc@126.com Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544