航天器直接聲場試驗技術(shù)研究進展

劉振皓，任方，原凱，李海波，張忠，秦朝紅

（北京強度環(huán)境研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點實驗室，北京 100076）

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

這兩種傳統(tǒng)的噪聲試驗技術(shù)存在以下幾方面的問題。

1）對試驗場地與設備存在嚴格的限制。開展混響場噪聲試驗需要具備一定規(guī)模的混響室，而開展行波管試驗則需要將試驗件置于行波管內(nèi)，同時此二者均需要擁有較為龐大的氣源系統(tǒng)。

2）試驗周期較長。在正式開展混響場試驗前，除了需要經(jīng)歷試驗件運輸與安裝、大量的測試電纜與傳感器的安裝工作外，還需要進行液氮系統(tǒng)加注與穩(wěn)定。

3）試驗成本較高。大型的聲試驗所要消耗的聲能可達到數(shù)十萬聲瓦[1]，因此會消耗大量的液氮，以及予以輔助的水與電能。同時，大流量氮氣排放要滿足環(huán)保和安全要求，還需要配套大型的消聲管道。

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

1 DFAT揚聲器陣列

DFAT系統(tǒng)主要由電動揚聲器陣列、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，揚聲器陣列與控制系統(tǒng)對DFAT試驗起著重要作用。

在DFAT技術(shù)發(fā)展的早期，揚聲器系統(tǒng)采用“模塊化”布置。美國 Maryland Sound International（MSI）在1999年所開展的DFAT試驗中，使用了3組揚聲器模塊，每組模塊中包含6個VA4音箱，每個音箱內(nèi)裝有2個低頻揚聲器、1個中頻揚聲器和1個高頻壓縮驅(qū)動器，頻率覆蓋80～1000 Hz。同時還包含4個附加的SB1000音箱，每個內(nèi)裝2個低頻揚聲器，頻率覆蓋35～125 Hz。另外還包含2個M4音箱，每個內(nèi)裝1個中頻壓縮驅(qū)動器，頻率覆蓋 200～800 Hz，主要用于對200～500 Hz的頻率范圍進行補充，如圖1所示[3]。

從2000年起，美國MSI逐漸將揚聲器陣列以圓環(huán)的形式進行布置，同時，為了使試驗件頂部得到充分的激勵，將一組附加的揚聲器布置在了揚聲器陣列的頂部，如圖 2所示[3]。這樣布置后發(fā)現(xiàn)，對于產(chǎn)生25～700 Hz噪聲的效果取決于揚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處所測得的聲壓級比音箱側(cè)面高 3～6 dB，而在頂部布置揚聲器進行激勵的方式容易使試驗件頂部響應過大。

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

2017年，Sandia國家實驗室針對某飛行器儀器設備，專門搭建了一套小型DFAT試驗系統(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)，頂部使用消聲毯進行覆蓋。試驗使用了24個小型揚聲器，分成12組間隔30°均勻排布在直徑為1.5 m的圓周上，揚聲器距離地面1.2 m。試驗采用MIMO控制，使用了12個控制傳聲器，能夠產(chǎn)生的最大總聲壓級為110 dB，而實際試驗則使用到103 dB。該試驗的目的是為某儀器設備復現(xiàn)更加真實的飛行環(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。由于同一個驅(qū)動信號被分成多路至所有的音頻設備，SISO控制產(chǎn)生了一個高度相關的聲場，但這樣的聲場與飛行器的實際飛行聲場具有較大的差距。由于相干聲源產(chǎn)生的聲波干涉，使得聲場內(nèi)各個控制點處的總聲壓級相差±5 dB，而其他不同位置的總聲壓級的差異能夠達到±12 dB之多[6]。這樣的差異極易導致“過試驗”或“欠試驗”。

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），采用多個獨立的驅(qū)動信號來控制聲場中的多個參照點，并根據(jù)每個控制通道的響應對驅(qū)動信號進行實時更新。MIMO控制技術(shù)目前已應用于振動試驗中[8-12]。MIMO控制系統(tǒng)示意圖如圖6所示。圖7為SISO控制與MIMO控制譜對比。

采用 MIMO控制的意義不僅在于能夠使得揚聲器陣列內(nèi)部的聲場一致性得到較大的提升，更重要的是能夠有效降低試驗聲場的相關性[2]。目前對于氣動噪聲和起飛噪聲的空間相關特性研究表明[14-16]，運載火箭實際飛行聲場具有較低的空間相關性，而混響場的空間相關性則與實際飛行聲場較為接近[15-16]。因此，為了在DFAT試驗中最大程度地復現(xiàn)飛行聲場，其聲場的空間相關性應盡可能降低。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聲場空間相關特性接近飛行聲場。針對這一點，MSI對DFAT聲場的空間相關性進行了試驗，并與混響聲場以及Titan V運載火箭實際飛行聲場的相關性進行了對比[17]。試驗結(jié)果表明，采用MIMO控制使得DFAT聲場的相關性與混響場及實際飛行聲場的相關性十分接近。因此，MIMO控制對于DFAT試驗能夠良好復現(xiàn)實際飛行聲場具有重要意義。從目前國外已發(fā)表的文獻看，DFAT試驗采用MIMO控制的最小通道數(shù)一般不低于8通道[17-18]。

3 國外典型DFAT試驗與相關問題

DFAT試驗方法早在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)聲學試驗[2]。1998年，美國噴氣推進實驗室（JPL）將DFAT技術(shù)首次應用于 QuikSCAT航天器。試驗在Ball Aerospace Technology Corporation（BATC）開展，使用了31個音箱，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。這樣的布置對航天器母線及太陽帆板提供了較為理想的聲場環(huán)境，在揚聲器陣列空間內(nèi)的聲場總聲壓級為135 dB。由于傳聲器和太陽帆板之間的距離較小，航天器頂部與底部的聲場一致性有所不足。此次試驗取得了成功，但并未考慮聲波垂直激勵帶來的結(jié)構(gòu)低頻響應問題[19]。

2004年，JPL實驗室對CloudSAT航天器開展了DFAT試驗，并且將其天線罩單獨放入混響室開展了混響場試驗，其目的是為了比較在同等量級噪聲激勵下的結(jié)構(gòu)響應，兩次試驗的總聲壓級均為142.9 dB[20-22]。圖9為此次DFAT試驗所用到的揚聲器陣列，其內(nèi)部直徑為5.8 m，圖10為某處結(jié)構(gòu)響應對比。試驗結(jié)果表明，兩種不同的試驗方法獲得的結(jié)構(gòu)響應在大體上是類似的，而在70～350 Hz范圍內(nèi)，針對結(jié)構(gòu)不同的位置，DFAT試驗測得的最大響應比混響場試驗測得的最大響應高出10 dB以上，經(jīng)過分析認為有可能是聲波掠射效應所引起。

2009年，John Hopkins大學APL實驗室比較了DFAT試驗與混響場試驗在聲場與試驗件結(jié)構(gòu)響應方面的差異[23-24]。試驗總聲壓級均為143 dB，采用了Spectral Dynamics Jaguar控制系統(tǒng)，以及8個控制傳聲器。試驗表明，DFAT聲場與試驗件結(jié)構(gòu)響應的差異略大于混響場，而通過移動控制點傳聲器的位置改變控制點的布局能夠提高 DFAT聲場與試驗件結(jié)構(gòu)響應的一致性。

2010年，Orbital Sciences Corporation（OSC）在Star-2航天器DFAT試驗中重點研究了試驗聲場的一致性以及對結(jié)構(gòu)響應的影響[25]。在這之前，OSC公司已經(jīng)開展了20余次DFAT試驗，并逐漸朝向高聲壓級和增強控制方向發(fā)展，所能達到的最大總聲壓級已超過145 dB。此次試驗使用了132個VT-4889音箱和48個MSE-118音箱，其布局如圖11所示。研究表明，在不同的聲場控制點處，當采用1/3倍頻程控制時，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的一致性，而總聲壓級的偏差值最大為2.5 dB。當采用3.5 Hz窄帶控制時，某些頻段聲壓級的偏差超過30 dB。另外，在經(jīng)過聲場平均的情況下，相互對稱的某對測點加速度響應存在一定的差異，在150 Hz處相差15 dB以上，如圖12所示。在隨后開展的試驗中依然存在這個現(xiàn)象，只是這種差異有所縮小。OSC認為，在相互對稱的結(jié)構(gòu)表面存在“熱點”，使得結(jié)構(gòu)響應有所增大，并且這種“熱點”與傳聲器的位置與數(shù)量無關。同時，OSC還發(fā)現(xiàn)，將試驗件旋轉(zhuǎn)45°后，結(jié)構(gòu)響應出現(xiàn)了不同程度的變化，因此試驗件與揚聲器陣列的相對位置對試驗結(jié)果有重要影響。Sandia國家實驗室在同年開展的針對某飛行系統(tǒng)的 DFAT試驗中同樣發(fā)現(xiàn)了試驗聲場的一致性問題[26]。在試驗總聲壓級為146.7 dB的情況下，聲場局部位置的總聲壓級高達151.6 dB。

針對 DFAT聲場的一致性及其對結(jié)構(gòu)響應影響的問題，JPL實驗室在 2011年開展的一項試驗中表明，DFAT聲場中存在的不一致現(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，而駐波在混響場和DFAT中是固有的，無法通過控制策略消除或減弱。聲場中的平板、面板類結(jié)構(gòu)模態(tài)與駐波存在耦合，使得個別位置的結(jié)構(gòu)響應顯著增加，以至于平板不同位置在相同量級的噪聲激勵下，結(jié)構(gòu)響應最高能夠相差20 dB以上[27-28]。MSI在 2013年開展的 DFAT試驗中指出[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DFAT駐波進行控制。Sandia國家實驗室也認為[29]，為了控制DFAT聲場的一致性，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

當前，DFAT試驗技術(shù)的發(fā)展尚未成熟，仍有諸多問題需要深入研究。MSI、JPL實驗室、John Hopkins大學以及Sandia國家實驗室等對此已開展了多年的研究。為了進一步加深對DFAT聲場的認識，MSI更是和ESI軟件公司一起，使用邊界元法（BEM）對DFAT聲場進行了數(shù)值仿真[30]。Sandia國家實驗室也在DFAT試驗的基礎上開展了聲學有限元的仿真工作[31]。

2016年，NASA頒布了技術(shù)手冊 Direct Field Acoustic Testing (DFAT)（NASA-HDBK-7010），對DFAT試驗系統(tǒng)的組成、試驗方法進行了總結(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試驗在總聲壓級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的技術(shù)，并將在未來達到155 dB[17]。

5 結(jié)語

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

為了降低試驗成本，縮短試驗周期，提高飛行器產(chǎn)品設計、制造與試驗的并行性，我國有必要研究DFAT試驗技術(shù)，為未來飛行器噪聲試驗技術(shù)提供支撐。目前，我國發(fā)展DFAT試驗技術(shù)將面臨以下幾個問題和挑戰(zhàn)：揚聲器陣列的數(shù)量、布置方式及試驗聲場的空間尺寸的確定；試驗空間內(nèi)產(chǎn)生較高聲壓級的能力；駐波、聲波干涉以及掠射效應對DFAT聲場一致性及結(jié)構(gòu)響應的影響；室內(nèi)試驗邊界（墻壁、天花板、地面等）對DFAT試驗的影響；聲激勵設備長期在噪聲環(huán)境下使用的壽命問題。

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