基于高速飛行器的氣動噪聲影響及試驗方法

楊 斕，康昌璽，李 亮，楊 祺

（1.空軍研究院系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2.蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

高超聲速指物體的飛行速度超過5倍聲速。超高聲速飛行器主要包括三類：超高聲速飛機、超高聲速巡航導彈及航天飛機。超高聲速飛行器被視為下一代飛行技術，其特點是飛行馬赫數(shù)高、低空巡航、航程長、溫度高、飛行過程中將受到嚴酷的熱、聲、振動等復合環(huán)境的影響。由于在稠密大氣層內(nèi)高速飛行，駐點溫度可達千度以上。長時間的飛行會造成結(jié)構(gòu)和附面層氣流溫度很高，一方面影響結(jié)構(gòu)強度；另一方面增強氣動噪聲作用效應。

嚴酷的噪聲環(huán)境能導致飛行器結(jié)構(gòu)疲勞破壞，這種破壞通常先出現(xiàn)累積損傷，然后出現(xiàn)裂紋，繼而裂紋擴大直至最后斷裂。另外由于噪聲在固體中傳播衰減很少，因此還能夠?qū)е嘛w行器內(nèi)部微電子器件的引線故障、印刷電路板破裂、電觸點斷續(xù)工作、波導管與速調(diào)管失靈或損壞、光學元件失調(diào)和過量的電噪聲等[1]。

1 噪聲源

噪聲源通常指兩個方面，在GJB150.17A[2]中所定義，噪聲環(huán)境是指大幅度的空氣壓力脈動，稱為氣動噪聲。通常壓力脈動在5～87 kPa的范圍內(nèi)和0.01～10 kHz的寬頻帶內(nèi)，具有隨機性，但也可能存在很高幅值的離散頻率壓力脈動。

氣動噪聲來源于兩個方面：邊界層氣體流動及空腔流動。

邊界層氣動噪聲的大小與自由來流的動壓成正比，同時也與導彈外形、飛行馬赫數(shù)和攻角等密切相關，其聲壓總級在130～170 dB范圍內(nèi)。而當高速氣流經(jīng)過開式空腔時，會發(fā)生自持振蕩現(xiàn)象，產(chǎn)生劇烈的密度、壓力脈動，誘發(fā)強烈的氣動噪聲，聲壓級通常高達170 dB。

噪聲環(huán)境的另一個噪聲源是來于設備本身的噪聲，如沖壓發(fā)動機作為強噪聲源，所產(chǎn)生的聲場強度可達到180 dB以上，甚至更高。燃燒產(chǎn)生的噪聲以平面波的方式在進氣道內(nèi)向前傳播，對產(chǎn)品亦會造成嚴重影響[3]，如圖1所示。

圖1 環(huán)境噪聲的來源圖Fig.1 The source of environment noise

噪聲環(huán)境作用于飛行器外殼并通過與外殼相連接的結(jié)構(gòu)引起飛行器內(nèi)部設備的振動響應，是影響飛行器壽命[4]的主要環(huán)境因素之一。

2 噪聲環(huán)境對設備的影響

GJB150.17A[2]給出了當設備暴露于噪聲環(huán)境時可能出現(xiàn)的問題：（1）導線磨損；（2）部件的聲疲勞和振動疲勞；（3）部件連接導線斷裂；（4）印刷線路板開裂；（5）波導部件失效；（6）電觸點斷續(xù)工作；（7）小型儀表板和結(jié)構(gòu)零件的破裂；（8）光學失調(diào)；（9）小顆粒脫落，可引起回路和機構(gòu)卡死；（10）引起以空氣為介質(zhì)的電容器電容的變化，導致設備性能超差或失效；（11）使某些化學電池的電壓發(fā)生變化，即影響化學過程。因為機械傳遞過程往往有衰減，特別是對帶有減振裝置的設備衰減量更大。噪聲可以通過空氣介質(zhì)直接作用于聲敏感結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生很大的響應。

國內(nèi)外學者對于噪聲環(huán)境對設備帶來的影響進行了研究，童軍等[5]研究了某機箱在160 dB量級噪聲試驗時出現(xiàn)引腳斷裂問題，應用噪聲激勵下激光測振技術、聲傳遞試驗方法、有限元分析動態(tài)響應分析技術，給出了元器件管腳動態(tài)應力分布，并根據(jù)材料的應力-壽命（S-N）曲線對結(jié)構(gòu)的壽命進行評估分析。尹立中等[6]利用再入飛行器氣動噪聲的試驗結(jié)果和MSC/NASTRAN軟件首次完成了再入飛行器復雜結(jié)構(gòu)氣動噪聲的響應分析與試驗驗證。

吳振強等[7]對國外研究機構(gòu)熱噪聲試驗方法的發(fā)展歷程、熱噪聲試驗設備等進行了較為全面的闡述，概括了不同時期、不同應用背景下，熱/噪聲復合載荷環(huán)境的影響下，各類材料對熱噪聲環(huán)境的結(jié)構(gòu)響應及失效特征。

馮強等[8]利用中國航空工業(yè)空氣動力研究院的FL-1風洞，試驗研究了武器艙內(nèi)氣動特性，包括氣流強烈脈動產(chǎn)生的高強度氣動噪聲，研究了武器艙艙彈干擾特性，分了艙內(nèi)腹撐對艙內(nèi)流動影響以及彈體法向不同發(fā)射位置H/D對艙內(nèi)流動的影響。

3 噪聲試驗的應用

GJB150.17A[2]中規(guī)定：必須在嚴酷的環(huán)境中工作/生存的設備、綜合使用噪聲激勵與機械振動激勵或者優(yōu)先選取噪聲激勵模擬氣動紊流的設備需進行噪聲試驗。

不需要進行噪聲試驗的產(chǎn)品需要滿足的條件[9]：（1）規(guī)定起作用的聲壓級等于或者低于130 dB，或者承受的每赫茲帶寬聲壓級小于100 dB；（2）產(chǎn)品不含內(nèi)腔（例如用混合料澆筑的變壓器、節(jié)流閥、組件或微型組件；固定電阻器，固定電容的電容器等）；（3）產(chǎn)品的工作能力破壞與共振作用無關，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)最低共振頻率超過噪聲作用試驗頻率范圍的最高頻率；（4）根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工作原理，其參數(shù)不受技術條件中規(guī)定的噪聲作用影響；（5）如果在產(chǎn)品標準和技術條件中規(guī)定了振動作用試驗，則不進行低于100 Hz頻率范圍內(nèi)的噪聲作用試驗。此時，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)能保證其耐低于上述頻率的噪聲作用的穩(wěn)定性。上述產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)均能保證耐噪聲作用的穩(wěn)定性。

張衛(wèi)紅等[3]列舉了高超聲速巡航飛行器特有的聲載荷環(huán)境下需進行的幾項典型噪聲試驗及應用實例，概述了相關試驗技術在高超聲速巡航飛行器研制中的應用前景。

郭強嶺等[10]在討論噪聲環(huán)境試驗方法的基礎上，給出了內(nèi)埋武器可行的噪聲環(huán)境試驗方法，嘗試確定了內(nèi)埋武器空腔共鳴試驗條件的計算方法和試驗程序。

李春杰等[11]采用GJB150對振動傳感器進行了噪聲試驗，試驗結(jié)果表明振動傳感器在噪聲場中性能正常，可以感受到機械振動并有信號輸出，且振動傳感器的安裝方式可以將強噪聲引起的機械振動弱化甚至完全消除，使得其可以在大型飛行器的振動監(jiān)測工作時間中完成監(jiān)測工作。

4 噪聲試驗方法

4.1 實驗室方法

以混響室試驗為例，首先根據(jù)標準參考譜產(chǎn)生初始的激勵信號，經(jīng)過功放送到揚聲器；噪聲計接收聲壓、測試聲壓，然后將聲場內(nèi)傳聲器的響應反饋到控制系統(tǒng)，計算響應信號的功率譜密度，并與標準的功率譜比較，如有不同則自動修正；此過程反復進行，直到滿足試驗條件，完成試驗均衡過程，如圖2所示。

（1）噪聲試驗的類型

GJB150.17A[2]中規(guī)定，按照脈動壓力產(chǎn)生和傳遞到裝備的原理，實驗室內(nèi)噪聲試驗的類型分為三類，如表1所列。

（2）試驗設備

GJB150.17A介紹了兩種聲場的試驗設備：混響室和行波管，如表2所列。

圖2 噪聲試驗系統(tǒng)的基本原理圖Fig.2 Basic schematic diagram of a noise test system

表1 噪聲試驗類型Table 1 Type of noise test

表2 噪聲試驗的試驗設備Table 2 Experimental equipment for noise test

4.2 仿真模擬方法

除了實驗方法，也可采用從數(shù)值模擬的方法對噪聲的影響進行了相應的分析。

王婉秋等[12]從建立試驗件及混響室的SEA（統(tǒng)計能量法）模型及建立閉環(huán)虛擬噪聲試驗控制系統(tǒng)兩方面出發(fā)建立了某衛(wèi)星與混響室的SEA模型，在matlab平臺下，建立了該模型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，提出了一種虛擬噪聲試驗系統(tǒng)的方案設計及各分系統(tǒng)的虛擬仿真方法。

寧瑋等[13]在實驗的基礎上，基于統(tǒng)計能量分析方法，對飛行器的混響室噪聲試驗進行建模和數(shù)值仿真，利用商業(yè)軟件AutoSEA2建立了飛行器的統(tǒng)計能量分析模型。結(jié)果表明，對于高頻隨機激勵下的飛行器環(huán)境預示，統(tǒng)計能量分析方法是可行且有效的。

5 結(jié)論

從噪聲源、噪聲對設備的影響、噪聲試驗的應用以及噪聲試驗的方法四個方面對噪聲的影響進行了介紹。噪聲對于高速飛行器可靠性的影響是一個不可忽視的因素，通過模擬飛行器相關產(chǎn)品特性聲載荷環(huán)境對產(chǎn)品的噪聲適應性進行考核，發(fā)現(xiàn)故障模式、排出隱患，提高產(chǎn)品的可靠性，對于高速飛行器相關產(chǎn)品的成功研制具有重要的意義。

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