馬蕾 何斌 焦艷梅 宋之愷

(1 上海衛(wèi)星裝備研究所 上海 200240, 2 南京理工大學(xué)發(fā)射動(dòng)力學(xué)研究所 南京 210094; 3 南京工業(yè)大學(xué)數(shù)理科學(xué)學(xué)院 南京 211816）

0 引言

隨著運(yùn)載火箭和衛(wèi)星的發(fā)射以及飛行器關(guān)鍵性的振動(dòng)源的識別發(fā)展，聲環(huán)境與聲試驗(yàn)逐漸被重視，聲環(huán)境試驗(yàn)的設(shè)計(jì)概念也逐漸走向成熟。衛(wèi)星聲試驗(yàn)已成為模擬聲致振動(dòng)環(huán)境的最好試驗(yàn)方法，并展示出了廣闊的應(yīng)用前景。目前，常用已發(fā)展成熟的混響聲場試驗(yàn)?zāi)M航天器的發(fā)射環(huán)境，檢驗(yàn)衛(wèi)星承受噪聲場的能力并發(fā)現(xiàn)缺陷。但該技術(shù)對封閉的試驗(yàn)場地與喇叭等試驗(yàn)設(shè)備有嚴(yán)格要求。需要建造專門的混響室和復(fù)雜的氣源、聲源以及測控設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)用寬帶聲源激勵(lì)產(chǎn)生的擴(kuò)散聲場。試驗(yàn)設(shè)備需要大規(guī)模的氣源系統(tǒng)（圖1所示），試驗(yàn)設(shè)備建造周期長，造價(jià)高。

圖1 混響聲場試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖 Fig.1 The reverberation chamber test system

以上試驗(yàn)方法，試驗(yàn)產(chǎn)品需要運(yùn)輸、夾具設(shè)計(jì)與制造、試驗(yàn)件安裝、液氮加注、氣源加壓與穩(wěn)定等工作，同時(shí)試驗(yàn)成本高，大型噪聲試驗(yàn)需要消耗數(shù)十萬聲瓦的聲能，需要消耗大量液氮、輔助水以及電能[1-5]。直接聲場是一種可用于航天航空結(jié)構(gòu)和部件新型聲學(xué)測試的試驗(yàn)技術(shù)。該方法使用均勻布置在測試產(chǎn)品周圍的電動(dòng)揚(yáng)聲器，以在被測單元的表面處產(chǎn)生漫射且良好控制的直接聲場。直接聲場試驗(yàn)主要由電動(dòng)揚(yáng)聲器陣列、功率放大器、控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等系統(tǒng)組成[6-8]。美國Maryland Sound International（MSI）公司，先后對聲放大器進(jìn)行改進(jìn)并對聲場進(jìn)行優(yōu)化，通過對不同頻段揚(yáng)聲器進(jìn)行優(yōu)化和布置，可實(shí)現(xiàn)航天器不同頻率范圍和高聲強(qiáng)試驗(yàn)測試要求[9,10]。表1為直接聲場試驗(yàn)的發(fā)展歷程。為了提高地面力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)的效率、縮短試驗(yàn)周期、降低試驗(yàn)成本，直接聲場試驗(yàn)技術(shù)近年來得到國內(nèi)外廣泛關(guān)注。直接聲場試驗(yàn)作為一項(xiàng)新型的噪聲試驗(yàn)技術(shù)，具有方便快捷、成本低優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)越來越多的在歐美航天器噪聲試驗(yàn)中進(jìn)行應(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，直接聲場試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展尚未成熟，仍有諸多問題需要深入研究。我國對于直接聲場試驗(yàn)僅處于起步摸索階段，在揚(yáng)聲器陣列的布置、聲場空間尺寸、試驗(yàn)室邊界影響、高聲壓級能力等方面需進(jìn)一步研究[11-15]。

以衛(wèi)星地面力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)為基礎(chǔ)，開展直接聲場模擬試驗(yàn)技術(shù)與噪聲試驗(yàn)有效性分析研究。通過建立直接聲場三維模型，實(shí)現(xiàn)了不同頻率下的直接聲場聲壓仿真，得到了聲壓隨頻率變化的關(guān)系；設(shè)計(jì)并搭建直接聲場試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行試驗(yàn)對比驗(yàn)證，探討了直接聲場與混響聲場等效性與響應(yīng)一致性。為衛(wèi)星噪聲試驗(yàn)、聲振聯(lián)合試驗(yàn)提供高效的可靠的噪聲試驗(yàn)解決方案和技術(shù)支撐。

表1 直接聲場試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展歷程 Table 1 The development of direct field test technology

1 直接聲場模型與算法

聲場以一個(gè)聲壓變量p描述，并以波動(dòng)方程求解

式中，t表示時(shí)間，ρ0為空氣密度，c聲速，?為拉普拉斯算子。

通過傅里葉變換，諧波解的一般形式：p(x,t)=p(x)sin(wt)，空間項(xiàng)p(x)與時(shí)間項(xiàng)sin(wt)是分離的，壓力復(fù)數(shù)表示為p(x,t)=p(x)eiwt。實(shí)際瞬時(shí)聲壓為p(x,t)=p(x)eiwt的實(shí)部，瞬時(shí)波動(dòng)方程變換為Helmholtz方程[4,6]為

聲場控制方程為

式中，k為波數(shù)，，t表示時(shí)間，ρc為空氣密度，c聲速，Pc=P+Pb。

地面方程

音箱立面方程

通過聲壓幅值相對于標(biāo)準(zhǔn)差來評估聲場的均勻性。

環(huán)境壓力場節(jié)點(diǎn)對環(huán)境/入射壓力波進(jìn)行建模，研究散射壓力場ps，其定義為總聲壓pt與環(huán)境壓力場pb之差

式中，n是數(shù)據(jù)的總數(shù)，pi為第i個(gè)聲壓數(shù)據(jù)，為聲壓平均值，即。

在半消聲室中進(jìn)行直接聲場測試，將聲源布置一定高度，地面為反射面，進(jìn)行半自由聲場測試。點(diǎn)聲源向自由聲場輻射聲能的條件下，距離聲源r米處的聲壓級為

式中，Lp為聲源聲功率，r為距離聲源的距離。

在半自由聲場條件下，若聲源置于地面向無限大空間輻射聲能，則

多尺度分析是小波變換的主要特點(diǎn)，可在頻率域?qū)D像分解為低頻部分和高頻部分。在低頻部分，分解的小波系數(shù)數(shù)目較少但幅值較大，主要對應(yīng)圖像的有用信息。高頻部分所對應(yīng)的小波系數(shù)數(shù)目較多但幅值相對較小，主要對應(yīng)于圖像的噪聲信息。圖像小波去噪就是判斷分解后小波系數(shù)幅值的大小，設(shè)定一個(gè)合理的閾值對小波系數(shù)進(jìn)行判斷從而達(dá)到去除圖像噪聲的目的。

GB/T 6882-2008和ISO 3745-2003對消聲室自由聲場進(jìn)行了規(guī)定[16]。

2 直接聲場試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為了與試驗(yàn)狀態(tài)保持一致，直接聲場仿真，由3組音箱陣列共同作用產(chǎn)生，每個(gè)音箱陣列由三個(gè)獨(dú)立音箱垂直疊加而成，音箱陣列間夾角互為120o，且音箱陣列正面距中心位置為1 m。在每個(gè)聲陣列前方以及中心位置布置傳聲器，方向?qū)?zhǔn)中心。本仿真模擬所使用的音箱型號為AT TFA105。直接聲場模擬系統(tǒng)示意圖，如圖2所示。

3 直接聲場仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真結(jié)果

直接聲場試驗(yàn)?zāi)M采用聲壓控制方程（3）和環(huán)境壓力場方程（6）。應(yīng)用邊界條件定義產(chǎn)生聲源的三個(gè)矩形立面，如圖3所示，“聲音硬邊界（墻面）”定義地面，“遠(yuǎn)場計(jì)算”定義其余四個(gè)與虛擬面，模擬在半消聲室內(nèi)的聲學(xué)環(huán)境。對于聲壓數(shù)值模擬最大網(wǎng)格尺寸應(yīng)小于等于λ/N，其中N可取5到10，由于步長λ與頻率成反比關(guān)系，本數(shù)值模擬中的網(wǎng)格劃分隨聲頻的變化而改變。

圖2 直接聲場試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖 Fig.2 Direct field acoustic testing system

圖3 數(shù)值模型 Fig.3 Numerical model

圖4 總聲壓場 Fig.4 Total acoustic pressure field

在聲速c0取343 m/s，λ0=c0/f0為3.43m，Nacc=6.5m/s2。如圖4所示，頻率為31.5Hz、250Hz、1000Hz、2000Hz時(shí)的總聲壓場。

圖5 表面聲壓級 Fig.5 Surface sound pressure level

圖6 切面聲壓級Fig.6 Section sound pressure level

如圖5、圖6所示，仿真得到頻率31.5Hz、250Hz、1000Hz、2000Hz表面聲壓級與切面聲壓級。

仿真分析獲得不同頻率下的總聲壓、表面聲壓以及切面聲壓，可以看出隨著頻率的增加，聲場的均勻性更好。這樣將被測物至于中心位置，隨著頻率增加，聲場更加均勻，聲陣列的邊緣效應(yīng)影響越小，與混響聲場的一致性越好。如表2所示，仿真與給定試驗(yàn)條件的聲壓偏差最大2dB，一致性比較好。

表2 直接聲場仿真與試驗(yàn)條件偏差Table2 The deviation of direct acoustic field simulation and test condition

3.2 直接聲場控制方法

直接聲場試驗(yàn)控制方法，采用多點(diǎn)平均控制策略，假設(shè)系統(tǒng)傳遞函數(shù)，輸入輸出功率譜的關(guān)系為，要使系統(tǒng)響應(yīng)滿足試驗(yàn)要求，則，則驅(qū)動(dòng)功率譜需滿足：，閉環(huán)反饋控制可采用修正驅(qū)動(dòng)信號來減少偏差的修正方法，直接修正驅(qū)動(dòng)的頻域幅值進(jìn)行比較修正。比較輸出響應(yīng)頻譜與參考頻譜的差異，得到每個(gè)譜線的修正系數(shù)[17-20]。修正下一時(shí)段驅(qū)動(dòng)譜，進(jìn)行循環(huán)迭代

頻域上，輸入與輸出關(guān)系

功率譜定義為傅里葉變換的相關(guān)矩陣，通過傅里葉變換得

輸入輸出功率譜矩陣變換得

直接聲場試驗(yàn)MIMO控制算法，目標(biāo)譜矩陣為得

3.3 直接聲場試驗(yàn)

直接聲場噪聲試驗(yàn)在消聲室中進(jìn)行，噪聲試驗(yàn)條件如表2所示。采用PCB聲傳感器三支，靈敏 度 分 別 為0.959mV/Pa，0.821mV/Pa，0.989mV/Pa，M+P聲場控制系統(tǒng)一套。直接聲場試驗(yàn)如圖7所示。從-9dB（表示比正式試驗(yàn)條件的總聲壓級低9dB）開始加載，以3dB為步長逐級加載至正式試驗(yàn)條件，并持續(xù)至規(guī)定時(shí)間。聲場控制數(shù)據(jù)每隔6秒記錄1次。

圖7 衛(wèi)星直接聲場試驗(yàn)圖 Fig.7 Direct field acoustic test of satellite

圖8給出了直接聲場控制聲譜，直接聲場最大聲壓級達(dá)到了130dB，聲譜控制最大偏差1.6dB，小于3dB，滿足試驗(yàn)要求。如表3所示，給出了直接聲場試驗(yàn)不同測點(diǎn)的聲壓級，出現(xiàn)了“過試驗(yàn)”與“欠試驗(yàn)”，主要由于設(shè)備受限，僅能建立3個(gè)揚(yáng)聲器陣列搭建直接聲場試驗(yàn)系統(tǒng)。若增加揚(yáng)聲器陣列個(gè)數(shù)，減少陣列間空隙，可改善聲場的均勻性。

圖8 直接聲場試驗(yàn)控制聲譜Fig.8 The control spectrum of direct field acoustic test

表3 直接聲場均勻性Table3 The uniformity of direct acoustic field test

表4 加速度響應(yīng)偏差 Table 4 The deviation of acceleration response

Y 4.56 5.94 1.38 Z 2.04 1.78 0.26 3 X 0.43 0.42 0.01 Y 0.37 0.29 0.08 Z 0.27 0.18 0.09 4 X 0.31 0.3 0.01 Y 0.28 0.25 0.03 Z 0.32 0.37 0.05

3.4 混響聲場試驗(yàn)

混響室內(nèi)部的噪聲是由聲源系統(tǒng)產(chǎn)生的，它由大功率的氣流調(diào)制式換能器經(jīng)指數(shù)喇叭與混響室匹配，把聲能送入混響室，該換能器的動(dòng)作由控制系統(tǒng)的電信號進(jìn)行控制，并由大流量的增壓氣體提供能量。依據(jù)表1聲場試驗(yàn)條件，在1100m3混響室內(nèi)進(jìn)行混響聲場試驗(yàn)，采用PCB聲傳感器三支進(jìn)行聲信號采集，M+P聲場控制系統(tǒng)一套，ENSG-20000-500電氣換能器一套，YE5876功放一臺。

圖9給出了混響聲場的控制聲譜，表4給出了兩種試驗(yàn)方法測點(diǎn)響應(yīng)的對比結(jié)果，測點(diǎn)響應(yīng)偏差大多出現(xiàn)在Y 方向，最大為1.41g，主要由于測點(diǎn)布置在聲陣列中心位置，出現(xiàn)響應(yīng)偏大于混響聲場的響應(yīng)。

圖9 混響聲場試驗(yàn)控制聲譜 Fig.9 The control spectrum of reverberation chamber test

4 結(jié)論

本文開展了衛(wèi)星直接聲場試驗(yàn)技術(shù)研究，通過進(jìn)行直接聲場仿真分析，設(shè)計(jì)了直接聲場試驗(yàn)方案，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)系統(tǒng)搭建，在同等噪聲試驗(yàn)條件下，將衛(wèi)星結(jié)構(gòu)分別通過混響聲場試驗(yàn)與直接聲場試驗(yàn)，進(jìn)行對比噪聲試驗(yàn)驗(yàn)證，通過聲譜控制曲線驗(yàn)證了聲場的一致性與有效性。

后續(xù)將對直接聲場均勻性開展研究，進(jìn)一步增加揚(yáng)聲器陣列并對位置布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，模擬高聲壓均勻直接聲場。為衛(wèi)星噪聲試驗(yàn)、聲振聯(lián)合試驗(yàn)提供高效可靠的噪聲試驗(yàn)解決方案和技術(shù)支撐。