（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

空間飛行器再入飛行過程中，氣流脈動會形成強烈的振動、噪聲環(huán)境[1-2]，振動與噪聲載荷可能對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生明顯影響[3]，由此影響到裝備的安全性和可靠性。因此，在實驗室再現(xiàn)飛行器再入環(huán)境對提高裝備的安全性和可靠性有重要意義。在以往研制工作中，產(chǎn)品的地面環(huán)境考核大多采用振動、噪聲單項環(huán)境試驗的方式[4]，其中以振動試驗考核為主，單項試驗較好地滿足了以往型號研制的需求。隨著人們認識的深入、試驗技術(shù)的發(fā)展以及對產(chǎn)品綜合性能要求的提高，對環(huán)境試驗考核模擬的真實性提出了更高的要求。另一方面，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子學(xué)產(chǎn)品設(shè)計更加精細化、集成化，因此有必要在產(chǎn)品研制過程中考慮振動、噪聲復(fù)合環(huán)境對其產(chǎn)生的影響。

近年來，為提高地面模擬試驗的有效性，國內(nèi)外許多研究機構(gòu)和學(xué)者對飛行器再入環(huán)境實驗室模擬及仿真方法開展了研究。其中振動-噪聲復(fù)合試驗方法是研究的熱點之一，該方法可有效解決實驗室模擬低頻能量（2000 Hz 以下）和高頻能量（2000 Hz 以上）同時加載問題。文獻[5—7]中給出了部分振動-噪聲復(fù)合試驗結(jié)果，并通過與單項試驗結(jié)果進行對比，對復(fù)合試驗方法的有效性進行了驗證。

試驗控制技術(shù)是復(fù)合試驗實施的關(guān)鍵。文中通過試驗的方法，對振動-噪聲復(fù)合試驗控制中的一些問題進行了探討，可為此類試驗的實施提供參考。

1 振動-噪聲復(fù)合試驗控制原理

振動試驗是在實驗室內(nèi)通過一定等效準則和技術(shù)手段模擬產(chǎn)品實際工況下所受的振動環(huán)境（或環(huán)境效應(yīng)），以鑒定產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性，驗證產(chǎn)品的力學(xué)、電氣性能是否符合設(shè)計要求?？刂苹驹硎强刂破魈峁┑尿?qū)動信號經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動振動臺動圈產(chǎn)生振動，動圈將振動傳遞給夾具和被試產(chǎn)品，同時控制傳感器將控制點處的加速度響應(yīng)信號反饋給控制器，控制器經(jīng)過譜分析并將結(jié)果與試驗標準譜進行對比，調(diào)整輸出的驅(qū)動信號，使控制點處響應(yīng)滿足規(guī)定的要求。

噪聲試驗同樣是在實驗室內(nèi)通過一定等效準則和技術(shù)手段模擬產(chǎn)品實際工況下所受的噪聲環(huán)境（或環(huán)境效應(yīng)）?？刂苹驹硎强刂破鳟a(chǎn)生調(diào)制信號，并輸出至氣流調(diào)制器（電聲換能器），具有一定壓力的氣源流經(jīng)調(diào)制產(chǎn)生高聲強、寬頻帶的噪聲源。噪聲源經(jīng)過喇叭輻射激勵混響聲空間，造成模擬的擴散聲場。聲場的總聲壓級和聲壓級譜通過傳聲器測量輸出至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再根據(jù)輸出聲壓譜形，調(diào)整對氣流調(diào)制器的輸出信號。

振動-噪聲復(fù)合試驗則同時給被試產(chǎn)品施加振動和噪聲激勵，其中振動載荷主要提供低頻振動激勵，噪聲載荷主要提供高頻激勵，通過二者組合給被試件提供全頻帶的考核，有效避免單項試驗中部分頻帶欠試驗或過試驗。其控制基本原理與單項試驗相同。

2 控制載荷特征分析

振動-噪聲復(fù)合試驗即給被試產(chǎn)品同時施加振動與噪聲兩種載荷，振動與噪聲兩種載荷的有一定的相似性，但二者又有明顯區(qū)別，主要區(qū)別在于以下幾個方面。

1）載荷傳遞路徑差異。振動試驗中，載荷傳遞基本路徑為振動臺動圈—夾具—被試產(chǎn)品[8]，由于受傳遞路徑上各環(huán)節(jié)動力學(xué)特性的影響，傳遞過程中在共振頻段會有明顯放大，共振頻率以上的頻段則開始衰減。噪聲試驗中，噪聲載荷以波的形式，通過空氣傳播，直接施加在被試品表面，沒有其他傳遞結(jié)構(gòu)存在，這樣載荷的高頻能量不會出現(xiàn)明顯衰減。

2）能量輸入方式差異。振動試驗中，振動臺動圈運動帶動夾具及被試品，能量輸入類似質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)，能量輸入與系統(tǒng)的頻響特性相關(guān)，與被試品表面積大小無關(guān)。噪聲試驗中，載荷能量是通過被試品外表面?zhèn)魅?，在相同的噪聲載荷作用下，噪聲載荷輸入的能量與表面積成正比[9]。

3）激勵能量隨頻率分布情況不同。振動試驗時，受設(shè)備能力的限制，激勵頻率范圍通常在3000 Hz 以下，且高頻能量在傳遞過程中存在衰減，因此有可能在高頻段出現(xiàn)欠試驗。噪聲載荷頻率范圍通常在50～8000 Hz[10]，但由于混響室自身特性的限制，在低頻段能量較少，因此在低頻段可能出現(xiàn)欠試驗。

3 振動、噪聲載荷對試驗控制影響研究

3.1 振動臺運行噪聲對噪聲試驗控制影響

使用振動臺進行振動試驗時，其運行噪聲總聲壓級可達120 dB，在振動-噪聲復(fù)合試驗中，若在某些頻段振動臺運行噪聲的聲壓級過高，可能會造成噪聲試驗的控制超差。為此，實測了某錐殼結(jié)構(gòu)在3 種頻率范圍隨機振動試驗時的運行噪聲，試驗條件見表1。

表1 隨機振動試驗條件Tab.1 Test levels of the random vibration test

3 種試驗條件下，振動臺運行噪聲測試結(jié)果見表2（試驗時噪聲按1/3 倍頻程測試，由于數(shù)據(jù)量較大，表2 中按倍頻程給出部分頻帶數(shù)據(jù)）。從表2 中的數(shù)據(jù)可以看出，不同的試驗條件，噪聲響應(yīng)譜圖差異較大，但總體來看，噪聲能量分布情況與振動試驗條件頻率范圍分布基本一致。振動試驗過程中，運行噪聲還與被試產(chǎn)品及夾具安裝相關(guān)，因此表2 中的數(shù)據(jù)可能無法代表振動試驗設(shè)備運行時噪聲的最高值，但根據(jù)實驗室多年運行記錄，大部分振動試驗運行噪聲不超過120 dB。

表2 振動臺運行噪聲與噪聲標準譜對比Tab.2 The comparison between the running noise of the vibration table and the standard acoustic spectrum

GJB 150.17A—2009 和MIL-STD-810F 中均給出了明確的指導(dǎo)意見：若產(chǎn)品在預(yù)期的使用環(huán)境中的噪聲載荷全頻帶內(nèi)的總聲壓級低于130 dB 或在每個1/3倍頻程上的聲壓級低于100 dB，則該產(chǎn)品研制過程中可以無需噪聲試驗考核。

從表2 還可以看出，振動臺運行噪聲均比噪聲標準譜低10 dB 以上，很多頻段超過20 dB，總聲壓級差異則在15 dB 以上。將dB 轉(zhuǎn)換為線性坐標，可得振動臺運行噪聲為115 dB 時，其聲載荷總能量約為130 dB 標準聲譜的3%。

噪聲試驗過程中，若試驗條件總聲壓級130 dB，此時振動臺開始運行，運行噪聲120 dB，全頻段上總聲壓級增量約為0.41 dB。因此，即使不考慮噪聲控制器的均衡能力，振動臺運行噪聲對噪聲控制所產(chǎn)生的總聲壓級增量也在標準規(guī)定的允差以內(nèi)。由此可見，振動試驗設(shè)備運行噪聲對噪聲試驗控制無明顯影響。

3.2 噪聲載荷對振動試驗控制的影響

振動試驗控制原理是先將控制點處的加速度響應(yīng)信號反饋給控制器，控制器將該信號處理后與試驗標準譜進行對比，根據(jù)對比結(jié)果調(diào)整控制器輸出，最終達到滿意的控制結(jié)果。若在噪聲載荷作用下，控制點處的加速度響應(yīng)較大，會導(dǎo)致控制超差。

總聲壓級150 dB 噪聲場中實測2 塊剛度差異較大的安裝板上的加速度響應(yīng)情況如圖1 所示。從圖1中可以看出，剛度較大的安裝板一階共振頻率約745 Hz，響應(yīng)峰值低于0.003g2/Hz；剛度較小的安裝板一階共振頻率670 Hz，響應(yīng)峰值超過60g2/Hz。

選擇剛度較大的安裝板上的測點作為振動控制點，有、無噪聲場（總聲壓級150 dB）控制譜圖對比如圖2 所示。從圖2 中可以看出，噪聲場對振動控制的影響基本可以忽略。若選擇剛度較小的安裝板上的測點作為振動控制點，控制點會出現(xiàn)明顯超差，嚴重時可能導(dǎo)致停機或控制器無法啟動。

圖1 不同剛度兩塊安裝板在150dB 噪聲載荷作用下的響應(yīng)Fig.1 Acceleration responses of two panel in noise level of 150 dB

圖2 鋼板上的測點作為控制點時有、無噪聲場控制譜圖對比Fig.2 The comparison of the vibration control spectrum when the acoustic is on or off

從試驗結(jié)果可以看出，控制點處的剛度不同，在噪聲載荷作用下的加速度響應(yīng)有很大差異?？刂泣c所在位置剛度越大，噪聲載荷對振動試驗控制的影響越小。因此在振動-噪聲符合試驗設(shè)計過程中，需合理選擇振動控制點位置。

3.3 噪聲對控制傳感器的影響

目前大部分振動試驗，其測量的范圍為 10～2000 Hz，而噪聲載荷的頻率范圍為50～10 000 Hz，二者有較大的重疊，噪聲載荷會影響加速度傳感器的測量精度。

將加速度傳感器懸掛在混響室內(nèi)進行噪聲試驗，測量加速度傳感器對噪聲載荷的直接響應(yīng)。試驗分別采用壓電式和電荷加速度，傳感器響應(yīng)總均方根值見表3。從表3 中數(shù)據(jù)可見，兩種傳感器對噪聲載荷均有一定的直接響應(yīng)，響應(yīng)量級無明顯差異，噪聲量級越高，傳感器響應(yīng)越大。因此，在高量級噪聲場中使用的振動傳感器應(yīng)盡量采取降噪措施。

振動加速度傳感器測量的頻率范圍與噪聲載荷有較大重疊，因此加速度傳感器在噪聲場中不可避免地受到影響。但由于噪聲載荷的特征和振動加速度傳感器的頻響特性均很難改變，因此這種影響很難消除，只能盡量降低。根據(jù)試驗結(jié)果，傳感器對噪聲載荷的直接響應(yīng)隨著噪聲量級降低而降低，因此較為可行的辦法是降低傳感器所處位置的噪聲量級。

表3 加速度傳感器在噪聲場中的響應(yīng)均方根值Tab.3 The RMS of the response of the acceleration sensors in acoustic field

較為常用且有效的降噪方法為隔聲，即將傳感器所處位置與噪聲場隔開。經(jīng)實測，150 dB 外聲場經(jīng)5 mm 厚錐殼后衰減26 dB，經(jīng)3 mm 厚錐殼后衰減21 dB。實際試驗過程中，受安裝空間限制，通常無法給傳感器單獨加隔離罩以降低噪聲，較為可行的是在試驗設(shè)計時盡量將測點設(shè)計在試件內(nèi)部，通過試件（或殼體）本身達到降噪目的。

4 結(jié)論

文中通過理論分析與試驗驗證，對振動實驗控制技術(shù)進行了研究，主要結(jié)論如下：

1）振動-噪聲復(fù)合試驗過程中，振動臺運行噪聲對噪聲控制的影響很小，基本可以忽略。

2）控制點處的剛度不同，在噪聲載荷作用下的加速度響應(yīng)有很大差異?？刂泣c所在位置剛度越大，噪聲載荷對振動試驗控制的影響越小。因此在振動-噪聲符合試驗設(shè)計過程中，需合理選擇振動控制點位置。

3）復(fù)合試驗中，加速度傳感器測量本底會因噪聲載荷的存在而增大，這種影響只能盡量降低。對于振動-噪聲復(fù)合試驗，應(yīng)在試驗設(shè)計階段盡量將振動控制點設(shè)置在產(chǎn)品內(nèi)部以降低噪聲載荷的影響。