劉振皓，任方，原凱，李海波，張忠，秦朝紅

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076）

為了考核航天器承受噪聲環(huán)境的能力，需要在地面真實(shí)地復(fù)現(xiàn)發(fā)射過程中其所經(jīng)歷的噪聲環(huán)境。目前針對(duì)航天器結(jié)構(gòu)，常用的噪聲試驗(yàn)主要有混響場(chǎng)試驗(yàn)與行波管試驗(yàn)，這兩種試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展已較為成熟，且已形成了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

這兩種傳統(tǒng)的噪聲試驗(yàn)技術(shù)存在以下幾方面的問題。

1）對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地與設(shè)備存在嚴(yán)格的限制。開展混響場(chǎng)噪聲試驗(yàn)需要具備一定規(guī)模的混響室，而開展行波管試驗(yàn)則需要將試驗(yàn)件置于行波管內(nèi)，同時(shí)此二者均需要擁有較為龐大的氣源系統(tǒng)。

2）試驗(yàn)周期較長(zhǎng)。在正式開展混響場(chǎng)試驗(yàn)前，除了需要經(jīng)歷試驗(yàn)件運(yùn)輸與安裝、大量的測(cè)試電纜與傳感器的安裝工作外，還需要進(jìn)行液氮系統(tǒng)加注與穩(wěn)定。

3）試驗(yàn)成本較高。大型的聲試驗(yàn)所要消耗的聲能可達(dá)到數(shù)十萬聲瓦[1]，因此會(huì)消耗大量的液氮，以及予以輔助的水與電能。同時(shí)，大流量氮?dú)馀欧乓獫M足環(huán)保和安全要求，還需要配套大型的消聲管道。

隨著我國(guó)新一代運(yùn)載火箭及新型航天器的研制，航天產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造與試驗(yàn)并行性的要求逐漸得到了提升。在這樣的條件下，則需要提高試驗(yàn)效率、縮短試驗(yàn)周期。直接聲場(chǎng)試驗(yàn)（Direct Field Acoustic Test，DFAT）技術(shù)是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一種新型的噪聲試驗(yàn)技術(shù)。這種試驗(yàn)技術(shù)不需要混響室、行波管和氣源，只需將試驗(yàn)件置于電動(dòng)揚(yáng)聲器圍成的陣列內(nèi)部，通過揚(yáng)聲器直接對(duì)試驗(yàn)件產(chǎn)生噪聲激勵(lì)[2]。DFAT技術(shù)方便快捷，與傳統(tǒng)的混響場(chǎng)試驗(yàn)相比，極大地縮短了試驗(yàn)周期，降低了試驗(yàn)成本。文中介紹并梳理了DFAT技術(shù)近十年的進(jìn)展情況，并對(duì)該技術(shù)的后續(xù)應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，為我國(guó)未來飛行器的研制與試驗(yàn)提供參考。

1 DFAT揚(yáng)聲器陣列

DFAT系統(tǒng)主要由電動(dòng)揚(yáng)聲器陣列、功率放大器、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等系統(tǒng)組成。其中，揚(yáng)聲器陣列與控制系統(tǒng)對(duì)DFAT試驗(yàn)起著重要作用。

在DFAT技術(shù)發(fā)展的早期，揚(yáng)聲器系統(tǒng)采用“模塊化”布置。美國(guó) Maryland Sound International（MSI）在1999年所開展的DFAT試驗(yàn)中，使用了3組揚(yáng)聲器模塊，每組模塊中包含6個(gè)VA4音箱，每個(gè)音箱內(nèi)裝有2個(gè)低頻揚(yáng)聲器、1個(gè)中頻揚(yáng)聲器和1個(gè)高頻壓縮驅(qū)動(dòng)器，頻率覆蓋80～1000 Hz。同時(shí)還包含4個(gè)附加的SB1000音箱，每個(gè)內(nèi)裝2個(gè)低頻揚(yáng)聲器，頻率覆蓋35～125 Hz。另外還包含2個(gè)M4音箱，每個(gè)內(nèi)裝1個(gè)中頻壓縮驅(qū)動(dòng)器，頻率覆蓋 200～800 Hz，主要用于對(duì)200～500 Hz的頻率范圍進(jìn)行補(bǔ)充，如圖1所示[3]。

從2000年起，美國(guó)MSI逐漸將揚(yáng)聲器陣列以圓環(huán)的形式進(jìn)行布置，同時(shí)，為了使試驗(yàn)件頂部得到充分的激勵(lì)，將一組附加的揚(yáng)聲器布置在了揚(yáng)聲器陣列的頂部，如圖 2所示[3]。這樣布置后發(fā)現(xiàn)，對(duì)于產(chǎn)生25～700 Hz噪聲的效果取決于揚(yáng)聲器所在的位置和方向。在700～10 000 Hz頻率范圍，在音箱正前方1 m處所測(cè)得的聲壓級(jí)比音箱側(cè)面高 3～6 dB，而在頂部布置揚(yáng)聲器進(jìn)行激勵(lì)的方式容易使試驗(yàn)件頂部響應(yīng)過大。

為了避免這種現(xiàn)象，MSI在2009年發(fā)現(xiàn)，不使用頂部揚(yáng)聲器，而是通過將揚(yáng)聲器陣列高度延長(zhǎng)至試驗(yàn)件上方1.5 m取得了更好的效果，并在隨后的試驗(yàn)中采用了這種布置方式。其揚(yáng)聲器陣列的高度達(dá)到了7.3 m，使用了192個(gè)JBL/VT-4889音箱和60個(gè)EM/Quake音箱，如圖3所示，該試驗(yàn)總聲壓級(jí)達(dá)到145.2 dB[3]。此外，John Hopkins大學(xué)研究表明，將一些上層的揚(yáng)聲器向下傾斜，得到了與混響場(chǎng)接近的聲振效果。2013年，MSI所開展的DFAT試驗(yàn)中采用了這種布置方式，如圖4所示[4]。

2017年，Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室針對(duì)某飛行器儀器設(shè)備，專門搭建了一套小型DFAT試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖5所示[5]。該系統(tǒng)放置在3 m×3 m×2.4 m的空間內(nèi)，頂部使用消聲毯進(jìn)行覆蓋。試驗(yàn)使用了24個(gè)小型揚(yáng)聲器，分成12組間隔30°均勻排布在直徑為1.5 m的圓周上，揚(yáng)聲器距離地面1.2 m。試驗(yàn)采用MIMO控制，使用了12個(gè)控制傳聲器，能夠產(chǎn)生的最大總聲壓級(jí)為110 dB，而實(shí)際試驗(yàn)則使用到103 dB。該試驗(yàn)的目的是為某儀器設(shè)備復(fù)現(xiàn)更加真實(shí)的飛行環(huán)境。

2 DFAT控制技術(shù)

2.1 單輸入-單輸出（SISO）

大多數(shù)在2010年以前開展的DFAT試驗(yàn)都采用的是單輸入-單輸出（SISO）控制，這種方法在2005—2006年被引入 DFAT試驗(yàn)。由于同一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)被分成多路至所有的音頻設(shè)備，SISO控制產(chǎn)生了一個(gè)高度相關(guān)的聲場(chǎng)，但這樣的聲場(chǎng)與飛行器的實(shí)際飛行聲場(chǎng)具有較大的差距。由于相干聲源產(chǎn)生的聲波干涉，使得聲場(chǎng)內(nèi)各個(gè)控制點(diǎn)處的總聲壓級(jí)相差±5 dB，而其他不同位置的總聲壓級(jí)的差異能夠達(dá)到±12 dB之多[6]。這樣的差異極易導(dǎo)致“過試驗(yàn)”或“欠試驗(yàn)”。

2.2 多輸入-多輸出（MIMO）

MSI在 2010年以后開始采用多輸入-多輸出（MIMO）控制技術(shù)[7]。這種方法基于稀疏譜密度矩陣（SDM），采用多個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來控制聲場(chǎng)中的多個(gè)參照點(diǎn)，并根據(jù)每個(gè)控制通道的響應(yīng)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。MIMO控制技術(shù)目前已應(yīng)用于振動(dòng)試驗(yàn)中[8-12]。MIMO控制系統(tǒng)示意圖如圖6所示。圖7為SISO控制與MIMO控制譜對(duì)比。

采用 MIMO控制的意義不僅在于能夠使得揚(yáng)聲器陣列內(nèi)部的聲場(chǎng)一致性得到較大的提升，更重要的是能夠有效降低試驗(yàn)聲場(chǎng)的相關(guān)性[2]。目前對(duì)于氣動(dòng)噪聲和起飛噪聲的空間相關(guān)特性研究表明[14-16]，運(yùn)載火箭實(shí)際飛行聲場(chǎng)具有較低的空間相關(guān)性，而混響場(chǎng)的空間相關(guān)性則與實(shí)際飛行聲場(chǎng)較為接近[15-16]。因此，為了在DFAT試驗(yàn)中最大程度地復(fù)現(xiàn)飛行聲場(chǎng)，其聲場(chǎng)的空間相關(guān)性應(yīng)盡可能降低。MIMO控制技術(shù)恰好能夠消除相干聲源產(chǎn)生的聲波干涉，使DFAT聲場(chǎng)空間相關(guān)特性接近飛行聲場(chǎng)。針對(duì)這一點(diǎn)，MSI對(duì)DFAT聲場(chǎng)的空間相關(guān)性進(jìn)行了試驗(yàn)，并與混響聲場(chǎng)以及Titan V運(yùn)載火箭實(shí)際飛行聲場(chǎng)的相關(guān)性進(jìn)行了對(duì)比[17]。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用MIMO控制使得DFAT聲場(chǎng)的相關(guān)性與混響場(chǎng)及實(shí)際飛行聲場(chǎng)的相關(guān)性十分接近。因此，MIMO控制對(duì)于DFAT試驗(yàn)?zāi)軌蛄己脧?fù)現(xiàn)實(shí)際飛行聲場(chǎng)具有重要意義。從目前國(guó)外已發(fā)表的文獻(xiàn)看，DFAT試驗(yàn)采用MIMO控制的最小通道數(shù)一般不低于8通道[17-18]。

3 國(guó)外典型DFAT試驗(yàn)與相關(guān)問題

DFAT試驗(yàn)方法早在1966年就已被Houten等人提出，并用于不適合在常規(guī)混響室開展的大型結(jié)構(gòu)聲學(xué)試驗(yàn)[2]。1998年，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）將DFAT技術(shù)首次應(yīng)用于 QuikSCAT航天器。試驗(yàn)在Ball Aerospace Technology Corporation（BATC）開展，使用了31個(gè)音箱，其環(huán)形陣列的高度為3 m，內(nèi)部直徑為4.2 m，8個(gè)控制傳聲器兩兩間隔45°布置在直徑為2.1 m的圓周上，如圖8所示。這樣的布置對(duì)航天器母線及太陽(yáng)帆板提供了較為理想的聲場(chǎng)環(huán)境，在揚(yáng)聲器陣列空間內(nèi)的聲場(chǎng)總聲壓級(jí)為135 dB。由于傳聲器和太陽(yáng)帆板之間的距離較小，航天器頂部與底部的聲場(chǎng)一致性有所不足。此次試驗(yàn)取得了成功，但并未考慮聲波垂直激勵(lì)帶來的結(jié)構(gòu)低頻響應(yīng)問題[19]。

2004年，JPL實(shí)驗(yàn)室對(duì)CloudSAT航天器開展了DFAT試驗(yàn)，并且將其天線罩單獨(dú)放入混響室開展了混響場(chǎng)試驗(yàn)，其目的是為了比較在同等量級(jí)噪聲激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，兩次試驗(yàn)的總聲壓級(jí)均為142.9 dB[20-22]。圖9為此次DFAT試驗(yàn)所用到的揚(yáng)聲器陣列，其內(nèi)部直徑為5.8 m，圖10為某處結(jié)構(gòu)響應(yīng)對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種不同的試驗(yàn)方法獲得的結(jié)構(gòu)響應(yīng)在大體上是類似的，而在70～350 Hz范圍內(nèi)，針對(duì)結(jié)構(gòu)不同的位置，DFAT試驗(yàn)測(cè)得的最大響應(yīng)比混響場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得的最大響應(yīng)高出10 dB以上，經(jīng)過分析認(rèn)為有可能是聲波掠射效應(yīng)所引起。

2009年，John Hopkins大學(xué)APL實(shí)驗(yàn)室比較了DFAT試驗(yàn)與混響場(chǎng)試驗(yàn)在聲場(chǎng)與試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)響應(yīng)方面的差異[23-24]。試驗(yàn)總聲壓級(jí)均為143 dB，采用了Spectral Dynamics Jaguar控制系統(tǒng)，以及8個(gè)控制傳聲器。試驗(yàn)表明，DFAT聲場(chǎng)與試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)響應(yīng)的差異略大于混響場(chǎng)，而通過移動(dòng)控制點(diǎn)傳聲器的位置改變控制點(diǎn)的布局能夠提高 DFAT聲場(chǎng)與試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)響應(yīng)的一致性。

2010年，Orbital Sciences Corporation（OSC）在Star-2航天器DFAT試驗(yàn)中重點(diǎn)研究了試驗(yàn)聲場(chǎng)的一致性以及對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響[25]。在這之前，OSC公司已經(jīng)開展了20余次DFAT試驗(yàn)，并逐漸朝向高聲壓級(jí)和增強(qiáng)控制方向發(fā)展，所能達(dá)到的最大總聲壓級(jí)已超過145 dB。此次試驗(yàn)使用了132個(gè)VT-4889音箱和48個(gè)MSE-118音箱，其布局如圖11所示。研究表明，在不同的聲場(chǎng)控制點(diǎn)處，當(dāng)采用1/3倍頻程控制時(shí)，DFAT在2000 Hz以上頻段的一致性要好于2000 Hz以下的頻段，并且好于同頻段混響聲場(chǎng)的一致性，而總聲壓級(jí)的偏差值最大為2.5 dB。當(dāng)采用3.5 Hz窄帶控制時(shí)，某些頻段聲壓級(jí)的偏差超過30 dB。另外，在經(jīng)過聲場(chǎng)平均的情況下，相互對(duì)稱的某對(duì)測(cè)點(diǎn)加速度響應(yīng)存在一定的差異，在150 Hz處相差15 dB以上，如圖12所示。在隨后開展的試驗(yàn)中依然存在這個(gè)現(xiàn)象，只是這種差異有所縮小。OSC認(rèn)為，在相互對(duì)稱的結(jié)構(gòu)表面存在“熱點(diǎn)”，使得結(jié)構(gòu)響應(yīng)有所增大，并且這種“熱點(diǎn)”與傳聲器的位置與數(shù)量無關(guān)。同時(shí)，OSC還發(fā)現(xiàn)，將試驗(yàn)件旋轉(zhuǎn)45°后，結(jié)構(gòu)響應(yīng)出現(xiàn)了不同程度的變化，因此試驗(yàn)件與揚(yáng)聲器陣列的相對(duì)位置對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有重要影響。Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在同年開展的針對(duì)某飛行系統(tǒng)的 DFAT試驗(yàn)中同樣發(fā)現(xiàn)了試驗(yàn)聲場(chǎng)的一致性問題[26]。在試驗(yàn)總聲壓級(jí)為146.7 dB的情況下，聲場(chǎng)局部位置的總聲壓級(jí)高達(dá)151.6 dB。

針對(duì) DFAT聲場(chǎng)的一致性及其對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響的問題，JPL實(shí)驗(yàn)室在 2011年開展的一項(xiàng)試驗(yàn)中表明，DFAT聲場(chǎng)中存在的不一致現(xiàn)象主要是由聲波干涉和駐波引起的，通過 MIMO控制可以降低聲波干涉的影響，而駐波在混響場(chǎng)和DFAT中是固有的，無法通過控制策略消除或減弱。聲場(chǎng)中的平板、面板類結(jié)構(gòu)模態(tài)與駐波存在耦合，使得個(gè)別位置的結(jié)構(gòu)響應(yīng)顯著增加，以至于平板不同位置在相同量級(jí)的噪聲激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)響應(yīng)最高能夠相差20 dB以上[27-28]。MSI在 2013年開展的 DFAT試驗(yàn)中指出[4]，可以通過改變控制傳聲器布局或增加控制傳聲器的方法對(duì)DFAT駐波進(jìn)行控制。Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室也認(rèn)為[29]，為了控制DFAT聲場(chǎng)的一致性，控制傳聲器不能置于同一半徑的圓周上。

4 DFAT技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前，DFAT試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展尚未成熟，仍有諸多問題需要深入研究。MSI、JPL實(shí)驗(yàn)室、John Hopkins大學(xué)以及Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等對(duì)此已開展了多年的研究。為了進(jìn)一步加深對(duì)DFAT聲場(chǎng)的認(rèn)識(shí)，MSI更是和ESI軟件公司一起，使用邊界元法（BEM）對(duì)DFAT聲場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真[30]。Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室也在DFAT試驗(yàn)的基礎(chǔ)上開展了聲學(xué)有限元的仿真工作[31]。

2016年，NASA頒布了技術(shù)手冊(cè) Direct Field Acoustic Testing (DFAT)（NASA-HDBK-7010），對(duì)DFAT試驗(yàn)系統(tǒng)的組成、試驗(yàn)方法進(jìn)行了總結(jié)，為技術(shù)人員提供了統(tǒng)一參考。目前，在20～20 000 Hz頻率范圍內(nèi)，DFAT試驗(yàn)在總聲壓級(jí)145～147 dB范圍內(nèi)可持續(xù)30 s，142～145 dB范圍內(nèi)可持續(xù)1 min，138～142 dB范圍內(nèi)可持續(xù)60 min，138 dB以下可持續(xù)180 min[2]。MSI目前正在研究提高總聲壓級(jí)的技術(shù)，并將在未來達(dá)到155 dB[17]。

5 結(jié)語

作為一項(xiàng)新型的噪聲試驗(yàn)技術(shù)，DFAT試驗(yàn)技術(shù)由于其具有方便快捷、成本低的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)越來越多地在飛行器噪聲試驗(yàn)中得到了應(yīng)用。受揚(yáng)聲器陣列、控制技術(shù)、試驗(yàn)件以及傳聲器等因素的影響，DFAT試驗(yàn)手段更為多樣，不同的試驗(yàn)系統(tǒng)布局會(huì)給試驗(yàn)結(jié)果帶來一定的差異。

為了降低試驗(yàn)成本，縮短試驗(yàn)周期，提高飛行器產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造與試驗(yàn)的并行性，我國(guó)有必要研究DFAT試驗(yàn)技術(shù)，為未來飛行器噪聲試驗(yàn)技術(shù)提供支撐。目前，我國(guó)發(fā)展DFAT試驗(yàn)技術(shù)將面臨以下幾個(gè)問題和挑戰(zhàn)：揚(yáng)聲器陣列的數(shù)量、布置方式及試驗(yàn)聲場(chǎng)的空間尺寸的確定；試驗(yàn)空間內(nèi)產(chǎn)生較高聲壓級(jí)的能力；駐波、聲波干涉以及掠射效應(yīng)對(duì)DFAT聲場(chǎng)一致性及結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響；室內(nèi)試驗(yàn)邊界（墻壁、天花板、地面等）對(duì)DFAT試驗(yàn)的影響；聲激勵(lì)設(shè)備長(zhǎng)期在噪聲環(huán)境下使用的壽命問題。

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