結(jié)構(gòu)星噪聲與振動組合環(huán)境激勵試驗及效應(yīng)研究

晏廷飛，方貴前，劉 沫

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

結(jié)構(gòu)星噪聲與振動組合環(huán)境激勵試驗及效應(yīng)研究

晏廷飛，方貴前，劉 沫

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

受地面試驗技術(shù)條件的限制，目前對衛(wèi)星發(fā)射及飛行過程所經(jīng)歷的復(fù)合環(huán)境采用單項環(huán)境模擬試驗來實現(xiàn)，通常是進行隨機振動試驗或者噪聲試驗。實際上，無論單獨的隨機振動試驗還是單獨的噪聲試驗都難以準確模擬衛(wèi)星在發(fā)射飛行狀態(tài)所經(jīng)歷的復(fù)合環(huán)境，在不同頻段會存在“過”或“欠”試驗的問題。以某型號結(jié)構(gòu)星為對象，開展噪聲與振動組合試驗技術(shù)研究，對聲振組合試驗、隨機振動試驗、噪聲試驗的有效性及耦合效應(yīng)進行分析與總結(jié)，為后續(xù)衛(wèi)星產(chǎn)品開展相關(guān)試驗提供參考。

振動與波；聲振組合；噪聲試驗；隨機振動；耦合效應(yīng)

衛(wèi)星發(fā)射及飛行過程中，受到運載傳至衛(wèi)星的隨機振動載荷激勵和從空間傳到衛(wèi)星的噪聲載荷激勵。目前對衛(wèi)星發(fā)射及飛行過程經(jīng)歷的復(fù)合環(huán)境采用單項環(huán)境試驗?zāi)M的方法來實現(xiàn)，通常是隨機振動試驗或者噪聲試驗選擇一項進行[1]。一般對于結(jié)構(gòu)緊湊的、不超過450 kg的質(zhì)量密集型衛(wèi)星，可采用隨機振動試驗代替噪聲試驗[2]，而規(guī)模較大的衛(wèi)星則開展噪聲試驗。從衛(wèi)星所經(jīng)歷的實際環(huán)境分析來看，無論單獨的隨機振動試驗,還是單獨的噪聲試驗都難以準確模擬衛(wèi)星在發(fā)射飛行狀態(tài)所經(jīng)歷的復(fù)合環(huán)境，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)在不同頻段會存在“過試驗”或“欠試驗”的問題[3]。

由于長期缺乏充分、深入的基礎(chǔ)研究，對衛(wèi)星的振動、噪聲等環(huán)境沒有準確的認識和把握，近年來對于超過450 kg接近1 000 kg的中小衛(wèi)星，對其應(yīng)進行隨機振動試驗還是噪聲試驗產(chǎn)生了很大爭議[4]。

本文以某型號結(jié)構(gòu)星為對象，開展聲振組合試驗技術(shù)研究，對聲振組合、隨機振動試驗、噪聲試驗的有效性及耦合效應(yīng)進行分析與總結(jié)，為相關(guān)衛(wèi)星開展聲振試驗提供參考。

1 理論及方法

1.1 組合激勵加載方法

噪聲與振動組合加載時，加載方法基本與單獨試驗相同[5]，如振動控制采用4個加速度點峰值平均控制[6]，控制點安裝在衛(wèi)星與振動工裝連接的四個底座上，呈對稱分布。噪聲試驗采用4點聲壓級平均控制，聲傳感器位置距試件外表面約0.5 m處[7]，高度與衛(wèi)星質(zhì)心位置基本處于同一水平面上，呈對稱分布。與單項試驗不同的是，需考慮振動自檢噪聲及噪聲與振動同步加載控制。

1.2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)采集處理

隨機振動試驗或噪聲試驗中結(jié)構(gòu)受激勵而產(chǎn)生的響應(yīng)數(shù)據(jù)均具有穩(wěn)態(tài)特征，因此采樣時可用統(tǒng)計平均的方法進行處理。根據(jù)實踐經(jīng)驗，隨機振動試驗或噪聲試驗響應(yīng)數(shù)據(jù)處理差異主要在于分析帶寬，隨機振動試驗中分析帶寬一般為10 Hz～2 000 Hz，噪聲試驗中數(shù)據(jù)處理分析帶寬一般為20 Hz～4 000 Hz。

1.3 受聲振組合激勵結(jié)構(gòu)響應(yīng)耦合分析

結(jié)構(gòu)受到振動臺產(chǎn)生的隨機荷載激勵和混響室的漫射聲場激勵時，根據(jù)隨機信號分析原理，采用譜分析的方法定性分析隨機載荷作用下結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)。由于輸入、輸出均具有隨機特性，進行如下假設(shè)[8–9]：

(1)隨機激勵過程為平穩(wěn)隨機過程（忽略輸入的微小動態(tài)變化）；

(2)混響聲場中的聲能量流由具有隨機相位的平面波疊加而成，并且各向傳播概率相同，聲能密度處處相等；

(3)混響聲場中的各個平面波互不相干。

則隨機振動與混響聲場兩個隨機環(huán)境激勵下，結(jié)構(gòu)輸入輸出功率譜密度關(guān)系為

經(jīng)過驗證，噪聲場對隨機振動信號影響有限，而隨機激勵對噪聲場的影響遠小于聲場激勵的強度，因此可假定隨機激勵與噪聲激勵互不相關(guān)，則有

代入式（1）整理得到結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)譜密度為

其中H11、H12分別為隨機激勵和聲激勵對結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)的傳遞函數(shù)。

采用實測試驗數(shù)據(jù)進行分析時，H12用單獨噪聲試驗的數(shù)據(jù)進行計算得到，H11則用單獨振動試驗的測試數(shù)據(jù)進行計算得到。利用式（3），對于同樣的結(jié)構(gòu)，可分別測出單獨振動、單獨噪聲、聲振共同激勵下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的傳遞函數(shù)，然后通過三個傳遞函數(shù)進行耦合分析。

2 研究對象及技術(shù)條件

2.1 研究對象

用于研究的對象為某型號結(jié)構(gòu)星。星體包絡(luò)尺寸為2 566 mm×1 507 mm×3 174 mm,衛(wèi)星為未加注狀態(tài)，質(zhì)量約為980 kg，其為一顆接近1 000 kg左右的典型衛(wèi)星，具有較好的代表性。圖1所示為衛(wèi)星的外形示意圖及坐標系定義。

圖1 衛(wèi)星坐標系定義

衛(wèi)星安裝邊界與隨機振動試驗時一致，采用4個抗箭錐套及M12的連接螺釘與振動試驗工裝連接。工裝底板通過力傳感器、轉(zhuǎn)接件與衛(wèi)星底座連接在一起，示意圖見圖2。

圖2 工裝與衛(wèi)星連接局部示意圖

2.2 試驗條件

由于目前制定的隨機振動試驗條件與噪聲試驗條件具有等效性，因此試驗條件選擇該型號典型的隨機振動試驗條件（見表1）和噪聲試驗條件（見表2）。

表1 隨機振動試驗條件 單位：g2/Hz

表2 噪聲試驗條件/dB

振動環(huán)境對次級結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的載荷頻率范圍一般低于300 Hz[10]，因此聲振組合試驗振動加載控制譜頻率范圍一般為10 Hz～300 Hz，譜密度與表中規(guī)定一致。

3 結(jié)果與分析

3.1 噪聲試驗與隨機振動試驗等效性分析

噪聲試驗時將衛(wèi)星放置于高聲強混響室中，由發(fā)聲器（喇叭）提供噪聲來模擬衛(wèi)星經(jīng)歷的聲振環(huán)境。隨機振動試驗則是通過轉(zhuǎn)接工裝將衛(wèi)星固定在振動臺上，由振動臺提供機械激勵來模擬衛(wèi)星經(jīng)歷的聲振環(huán)境，二者存在明顯差異。最主要的區(qū)別在于能量輸入方式和輸入位置的不同[4–5,11]。隨機振動試驗的能量是通過振動臺輸入到試件，通過機械結(jié)構(gòu)進行傳遞，為點或面激勵；而噪聲試驗激勵則是直接作用在試件表面上，為空間激勵，從各個方向作用到試件上。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)響應(yīng)來看，噪聲試驗對類平板結(jié)構(gòu)的激勵效果明顯，而隨機振動試驗則對類彈簧質(zhì)量結(jié)構(gòu)的激勵效果更明顯。

衛(wèi)星推進艙單機安裝處隨機振動激起的響應(yīng)普遍高于噪聲試驗，典型測點響應(yīng)在隨機振動試驗中為9.57 grms，在噪聲試驗中為2.38 grms。從功率譜密度曲線（見圖3(a)）分析來看，大部分頻段隨機激勵產(chǎn)生的響應(yīng)比噪聲試驗中激勵產(chǎn)生的響應(yīng)大。圖3(b)為衛(wèi)星太陽帆板的結(jié)構(gòu)響應(yīng)曲線，噪聲試驗的量級明顯大于隨機振動試驗，說明對于處于外部聲場，對聲比較敏感的薄板結(jié)構(gòu)噪聲試驗更為有效。另外噪聲試驗的響應(yīng)與隨機振動試驗的響應(yīng)存在明顯的分界點。圖3(c)為衛(wèi)星天線的結(jié)構(gòu)響應(yīng)曲線，隨機振動試驗中激起的兩個結(jié)構(gòu)響應(yīng)共振峰，在噪聲試驗結(jié)構(gòu)響應(yīng)中并沒有出現(xiàn)。說明隨機振動試驗與噪聲試驗不等效。

3.2 衛(wèi)星聲振組合激勵試驗效應(yīng)分析

聲振組合激勵下的響應(yīng)基本包括隨機振動和噪聲試驗激勵的響應(yīng)。推進艙、平臺艙上的結(jié)構(gòu)響應(yīng)450 Hz前與隨機振動響應(yīng)一致，450 Hz后則與噪聲試驗一致。載荷艙、側(cè)艙板上的結(jié)構(gòu)響應(yīng)200 Hz前與隨機振動試驗響應(yīng)一致，200 Hz后與噪聲試驗一致。正如預(yù)計，組合試驗響應(yīng)在100 Hz以內(nèi)相對較大。這是由于低頻振動激勵出了衛(wèi)星艙板的模態(tài)。衛(wèi)星的側(cè)艙板上也反映出低頻部分的響應(yīng)有明顯增加。這說明板狀結(jié)構(gòu)的正交耦合很大。這些結(jié)果在整個結(jié)構(gòu)上都有體現(xiàn)。

從加速度響應(yīng)分析來看（曲線見圖4），依據(jù)前文給出的分析方法開展了耦合效應(yīng)分析。

對于離振動激勵較近且質(zhì)量分布較為集中的推進艙等，全頻段聲振耦合作用不明顯（見圖4(a)），響應(yīng)主要體現(xiàn)為隨機激勵產(chǎn)生的機械結(jié)構(gòu)響應(yīng)。對于離振動激勵稍遠的平臺艙及載荷艙，其部分測點在200 Hz～350 Hz組合激勵響應(yīng)略高于單項試驗響應(yīng)。進一步分析其傳遞函數(shù)，比較三種不同的聲振組合試驗響應(yīng)傳函（見圖5），并利用式（3）進行計算，在小于200 Hz的低頻段，頂板的第二個響應(yīng)峰值處（138 Hz）全頻段聲振組合試驗的傳函最大，說明該處響應(yīng)是由噪聲激起的；在大于400 Hz的高頻段，200 Hz分頻和400 Hz分頻聲振組合響應(yīng)傳遞函數(shù)基本一致，但同全頻段聲振組合傳函相比存在差異，說明在高頻段隨機振動與噪聲激勵頻率重疊，結(jié)構(gòu)響應(yīng)存在一定的耦合作用，后者未出現(xiàn)明顯的波峰和波谷。

對于側(cè)艙板（見圖4(b)）、太陽帆板（見圖4(c)）等表面暴露且遠離機械激勵源的結(jié)構(gòu)，由于隨機振動響應(yīng)與噪聲激勵的響應(yīng)分界頻點較為明顯，100 Hz前與隨機振動響應(yīng)一致，100 Hz后則與噪聲試驗響應(yīng)一致，組合激勵耦合作用不明顯。

圖3 隨機振動試驗與噪聲試驗加速度響應(yīng)譜對比

圖4 聲振組合試驗與單項試驗加速度響應(yīng)譜對比

圖5 不同聲振組合試驗結(jié)構(gòu)響應(yīng)傳遞函數(shù)

一個奇怪的現(xiàn)象是對大多數(shù)測點而言，組合激勵試驗時與單獨噪聲試驗相比，高頻部分存在明顯削弱。純噪聲激勵產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)響應(yīng)總均方根值甚至高于聲振聯(lián)合試驗的結(jié)果，這說明低頻部分增加了較大的隨機振動后，板子的高頻部分響應(yīng)被削弱。高頻響應(yīng)的少量削弱反映在一個很寬的頻帶上，它足以抵消掉低頻部分幅值的增加對總均方根的影響。

國外相關(guān)文獻[12]也有類似的發(fā)現(xiàn)，并對高頻部分的衰減進行了初步研究，發(fā)現(xiàn)聲振組合試驗在低頻部分產(chǎn)生的巨大偏差增加了蜂窩板的非線性阻尼，從而降低了蜂窩板高頻部分響應(yīng)。另一個可能性在于板子的噪聲特性以及振動在低頻部分到底受哪些因素影響大，如聲耦合效應(yīng)和大型板表面的聲輻射作用等。在衛(wèi)星噪聲試驗中對太陽帆板和艙板間的反射聲場進行聲測量（布置圖見圖6），發(fā)現(xiàn)在中心頻率125 Hz、250 Hz處的響應(yīng)及總聲壓級比激勵聲譜高出5 dB以上，說明太陽帆板與艙板間形成空氣腔，在聲場激勵下空腔出現(xiàn)聲反射及輻射疊加的情況。

無論如何，如果高頻衰減比較明顯，則極可能當飛行環(huán)境中的隨機振動載荷很大時，單噪聲試驗中高頻段的響應(yīng)測量結(jié)果是較為保守的。

4 結(jié)語

本文以某衛(wèi)星結(jié)構(gòu)星為研究對象，通過試驗驗證及耦合分析計算，研究對比了聲振組合試驗、隨機振動試驗、噪聲試驗中衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)響應(yīng)以及聲振組合試驗的有效性及耦合效應(yīng)，研究結(jié)果表明：

圖6 太陽帆板與艙板間的聲測點位置圖

(1)隨機振動試驗與噪聲試驗并不等效，聲振組合試驗是模擬發(fā)射環(huán)境的一種較為可行的方法。它在結(jié)構(gòu)上同時加載隨機激勵和噪聲載荷，并且可以輸入整個譜型的能量。輸入載荷激勵產(chǎn)生的耦合效應(yīng)會對高頻段有所影響，而這種現(xiàn)象在單噪聲試驗中則不會出現(xiàn)；

(2)從大多數(shù)測點響應(yīng)分析來看，在低頻部分，隨機激勵激起的響應(yīng)占主要部分，而在相對高頻的部分，混響聲場激起響應(yīng)占主要部分?；祉懧晥黾て鸬哪B(tài)數(shù)要多于隨機振動試驗中激起的模態(tài)數(shù)，這是由于混響聲場激勵為多維聲振激勵，能激發(fā)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)各方向的模態(tài)，使結(jié)構(gòu)響應(yīng)具有比單軸振動試驗響應(yīng)更為豐富的共振峰；

(3)通過聲振組合試驗與單項試驗的對比分析，聲振組合激勵不僅彌補了噪聲試驗在低頻段激勵“欠”的問題，還能在高頻段彌補遠離激勵源隨機振動傳遞衰減的問題，這與衛(wèi)星經(jīng)歷的發(fā)射飛行環(huán)境更接近。

(4)由于它用一種更為可行的方式描述了衛(wèi)星發(fā)射飛行環(huán)境，因此在有效載荷作用下初樣結(jié)構(gòu)的聲振組合試驗中測量到的響應(yīng)數(shù)據(jù)，可以用于修正部件單機級的隨機振動試驗條件，該試驗條件能更好反映單機經(jīng)歷的真實環(huán)境。

本文研究的聲振組合試驗是單軸振動與噪聲試驗組合，隨著多維振動試驗技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用，更為可行的是開展多軸低頻隨機振動與噪聲組合試驗。后續(xù)將主要針對衛(wèi)星和運載器接口的環(huán)境進行研究，以及聲振組合試驗在整星地面驗證試驗中的應(yīng)用研究。

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Random Vibration andAcoustics Combined Testing and Effect Analysis of Satellites

YAN Ting-fei,FANG Gui-qian,LIU Mo
（Beijing Institute of Space Environment Engineering,Beijing 100094,China）

Due to the limitation of ground environment test technique,only the single-item environment test is used currently to simulate the combined environment during the period of satellite launch and flight.In general,random vibration test or acoustics test is carried on individually.In fact,it is difficult to precisely simulate the combined environment by using either of these methods since the over-tests or under-tests may occur very often in different frequency bands.In this study,with a type of the satellite structure as the object,the acoustics and vibration combined test technique is discussed.The effectiveness and coupling effect of the acoustics and vibration combined test,random vibration test and acoustic test are analyzed and summarized.This study can gave some reference for similar test for other satellite products.

vibration and wave;acoustics and vibration combination;acoustic test;random vibration;coupling effect

O327；TK417；V214

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.06.027

1006-1355(2017)06-0131-04+162

2017-03-24

總裝共性技術(shù)資助項目（B112345678）

晏廷飛（1975-），男，北京市人，碩士，主要研究方向為航天器動力學(xué)環(huán)境模擬技術(shù)。E-mail:1951294335@qq.com