內(nèi)埋武器噪聲環(huán)境試驗(yàn)方法探討

郭強(qiáng)嶺，郭迅

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009）

隱身作戰(zhàn)是新一代戰(zhàn)斗機(jī)的主要特點(diǎn)之一，為其配備的武器需要采用內(nèi)埋掛載方式。飛機(jī)巡航飛行時武器艙封閉，外部氣流擾動引起的振動和噪聲環(huán)境被艙體有效隔離，內(nèi)埋武器只承受通過掛架結(jié)構(gòu)傳遞的機(jī)體振動，使用環(huán)境明顯優(yōu)于外部掛載時的振動和噪聲環(huán)境。飛機(jī)進(jìn)入戰(zhàn)斗準(zhǔn)備時打開武器艙門，形成開口空腔，高速氣流流過空腔時能夠引起很高量級的氣動壓力顫動，可能對內(nèi)埋武器造成損傷而導(dǎo)致任務(wù)失敗。筆者初步分析了內(nèi)埋武器的噪聲環(huán)境，結(jié)合多個標(biāo)準(zhǔn)推薦的空腔共鳴試驗(yàn)條件，給出內(nèi)埋武器可行的空腔共鳴噪聲試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法。

1 噪聲環(huán)境分析

噪聲一般是由飛行器高速飛行引起的高能級空氣壓力脈動，這些壓力脈動在5～87 kPa的幅值范圍和10 Hz～10 kHz的頻率范圍內(nèi)是寬帶隨機(jī)分布的，當(dāng)有空腔存在時也可能產(chǎn)生很高的離散頻率壓力脈動。內(nèi)埋武器的殼體可以認(rèn)為是由“薄壁結(jié)構(gòu)”組成，噪聲作用其上，能夠引起直接安裝在內(nèi)埋武器殼體上的設(shè)備的振動響應(yīng)。此外，由于噪聲在固體中傳播衰減量很小，內(nèi)埋武器內(nèi)部空氣振蕩形成內(nèi)聲場，并直接作用于安裝在內(nèi)部的電子設(shè)備上，造成設(shè)備功能喪失。噪聲環(huán)境引起的主要故障模式有［1］：

1）光學(xué)器件光軸失調(diào)；

2）電觸點(diǎn)斷續(xù)工作；

3）導(dǎo)線磨損或斷裂；

4）印刷電路板破裂；

5）慣性部件、波導(dǎo)管失靈或損壞；

6）引起以空氣為介質(zhì)的電容器電容的變化，導(dǎo)致設(shè)備性能超差或失效。

噪聲的大小與自由來流的動壓成正比，同時也與武器外形、飛行馬赫數(shù)和攻角等密切相關(guān)，其總聲壓級在130～170 dB范圍內(nèi)，飛行試驗(yàn)測量是唯一能確定這些壓力的有效的精確手段。另外對于給定的噪聲環(huán)境，也很難預(yù)知將產(chǎn)生的振動，大的空腔（特別是武器艙）引起的振動對全機(jī)環(huán)境和內(nèi)埋武器可能都是主要因素。據(jù)英國《防務(wù)新聞》2006年4月的報道，美國第四代戰(zhàn)機(jī)F-22掛載AIM120C導(dǎo)彈多次進(jìn)行了機(jī)動飛行、武器艙門開啟和關(guān)閉等狀態(tài)的振動和噪聲環(huán)境測試工作，以驗(yàn)證雷神公司關(guān)于振動噪聲傳遞的模擬和確定噪聲振動環(huán)境對導(dǎo)彈電子設(shè)備的影響。隨著我國新一代戰(zhàn)斗機(jī)的研制，內(nèi)埋武器艙具有隱身性能較好的配置方案，但由于各種原因，目前可用的飛行噪聲環(huán)境測試數(shù)據(jù)很少?？梢灶A(yù)計(jì)的是武器艙開門時氣穴掠入氣流形成的高量級空腔共鳴噪聲對艙體結(jié)構(gòu)和艙內(nèi)武器有較大影響，是內(nèi)埋武器研制必須考慮的環(huán)境因素之一，應(yīng)及時開展噪聲試驗(yàn)以驗(yàn)證其對噪聲環(huán)境的適應(yīng)性。

2 噪聲試驗(yàn)方法分析

國外非常重視機(jī)載武器噪聲試驗(yàn)，美國的AGM84A，AGM88A導(dǎo)彈除進(jìn)行20～2000 Hz的隨機(jī)振動外還進(jìn)行100～2000 Hz、總聲壓為159 dB的全彈噪聲試驗(yàn)，AIM120導(dǎo)彈更是將低頻隨機(jī)振動試驗(yàn)和高頻噪聲試驗(yàn)結(jié)合進(jìn)行，作為系統(tǒng)考核試驗(yàn)項(xiàng)目［2］。1986年頒布的GJB 150雖然等效采用了MIL-STD-810D推薦的噪聲試驗(yàn)方法，配置了相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)施，但針對武器的噪聲試驗(yàn)開展較少。GJB 150.17給出的噪聲環(huán)境試驗(yàn)分混響場噪聲、掠入射噪聲和空腔共鳴噪聲三類［3］。

混響場噪聲方法要求一個均勻強(qiáng)度的噪聲譜型，使噪聲沖擊所有暴露的試驗(yàn)件表面。通常在一個混響室中產(chǎn)生混響場，提供寬帶隨機(jī)激勵并形成規(guī)定的頻譜，機(jī)載外掛類產(chǎn)品推薦采用混響室試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。常規(guī)的混響室只能產(chǎn)生160 dB以內(nèi)的均勻聲場，對于高量級噪聲輸入應(yīng)考慮使用掠入射噪聲進(jìn)行試驗(yàn)。

掠入射噪聲方法要求有一個高強(qiáng)度、具有某一譜型的快速脈動的噪聲，以一個特定的方向沖擊試驗(yàn)件表面。掠入射噪聲可以在行波管管道內(nèi)產(chǎn)生，最高聲壓級可達(dá)165 dB以上，主要適用于系統(tǒng)級外掛產(chǎn)品，試驗(yàn)配置相對較容易，并可根據(jù)產(chǎn)品體積大小加工相應(yīng)的行波管。試驗(yàn)件在行波管內(nèi)最好保證其表面與管道的內(nèi)表面平行，以防止引入空腔或局部紊流效應(yīng)［4］。

空腔共鳴噪聲方法一般采用正弦聲能激勵，其聲譜強(qiáng)度和頻率分量在很大程度上受空腔的幾何形狀與腔內(nèi)裝備之間關(guān)系的支配，適用于武器艙內(nèi)埋武器?？涨还缠Q噪聲試驗(yàn)可以在混響室或行波管內(nèi)完成，通過將激勵源調(diào)諧到開口空腔的共鳴頻率的正弦聲源來模擬共鳴狀況，空腔共鳴噪聲試驗(yàn)應(yīng)規(guī)定下列試驗(yàn)參數(shù)：噪聲頻率、空腔內(nèi)的總聲壓級、試驗(yàn)持續(xù)時間。

內(nèi)埋武器實(shí)際使用中受到的噪聲環(huán)境不僅有空腔共鳴正弦噪聲，還有載機(jī)進(jìn)氣道引起的隨機(jī)噪聲，是由行波聲場和混響聲場合成的復(fù)雜聲場。由于實(shí)際條件限制，空腔共鳴正弦噪聲試驗(yàn)通常單獨(dú)在混響室或行波管內(nèi)進(jìn)行。

3 空腔共鳴試驗(yàn)條件分析

GJB 150.17給出了空腔共鳴試驗(yàn)條件的計(jì)算方法，認(rèn)為空腔共鳴聲壓級與自由來流動壓有關(guān)，而共鳴頻率取決于空腔尺寸和空氣動力流動條件，見公式（1）和公式（2）。

式中：B0為試驗(yàn)聲壓級，dB；q為空腔敞開時的飛行動壓，Pa；fN為第N階模態(tài)共鳴頻率（N=1，2，3，…），Hz；N為模態(tài)數(shù)；Ma為馬赫數(shù)；L為暴露于氣流中的開口長度/半徑，m；C為飛行高度上的聲速，m/s。

該計(jì)算方法主要基于Heller，Smith.D等人1975年的研究報告給出。由公式（2）計(jì)算的共鳴頻率非常低，遠(yuǎn)低于目前噪聲試驗(yàn)設(shè)備能夠達(dá)到的下限頻率，由此確定的空腔共鳴試驗(yàn)頻率無法在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。通過算例計(jì)算分析，公式（2）給出的共鳴頻率計(jì)算方法存在較大誤差。2008年頒布的MILSTD-810G對空腔共鳴頻率計(jì)算方法進(jìn)行了修正，對于長深比大于2、飛行馬赫數(shù)在0.4～1.5以內(nèi)的空腔，給出的共鳴頻率計(jì)算方法見公式（3）。以典型參數(shù)進(jìn)行例證，假定長度為4 m的大型武器艙以馬赫數(shù)1.5的速度在12 km高度開艙飛行，分別用公式（2）和公式（3）計(jì)算其共鳴頻率。公式（2）計(jì)算的第5階模態(tài)共鳴頻率才達(dá)到0.06 Hz，公式（3）第1階模態(tài)共鳴頻率已達(dá)到45.7 Hz，在10階以內(nèi)就能達(dá)到500 Hz的上限要求，并與模型測試結(jié)果有較好的一致性，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見表1。由此可見，按公式（3）給出的空腔共鳴頻率具有更好的可實(shí)施性。

式中：U為自由來流速度，m/s；L為暴露于氣流中的空腔長度，m；Ma為自由來流馬赫數(shù)；N為聲模態(tài)階數(shù)；γ為空氣的比熱比，恒定常數(shù)1.4。

表1 空腔共鳴頻率計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculating results of cavity resonance frequency

關(guān)于空腔共鳴噪聲試驗(yàn)頻率的下限，應(yīng)考慮可實(shí)施性。有文獻(xiàn)認(rèn)為若產(chǎn)品進(jìn)行振動試驗(yàn)，則不進(jìn)行低于100 Hz頻率范圍內(nèi)的噪聲試驗(yàn)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)保證其耐受低于上述頻率的噪聲作用的穩(wěn)定性，高于100 Hz的噪聲可以方便地在行波管或混響室中實(shí)現(xiàn)激勵［5］。

關(guān)于空腔共鳴噪聲試驗(yàn)時間，由于武器艙開艙門的持續(xù)時間很短，且按內(nèi)埋武器典型使用動壓計(jì)算，噪聲試驗(yàn)聲壓級超過170 dB。因此空腔共鳴噪聲試驗(yàn)時間可確定為10 min或完成一次性能測試時間，以保證試驗(yàn)的可實(shí)施性。

4 噪聲試驗(yàn)程序

按圖1所示，將內(nèi)埋武器用彈性支承系統(tǒng)懸掛在行波管或混響室的中間，并使武器表面積最大的方向朝向聲源方向并暴露于噪聲激勵中。支承系統(tǒng)或任何輔助結(jié)構(gòu)不應(yīng)引入附加噪聲或振動，其共振頻率應(yīng)選擇小于25 Hz或1/4最低試驗(yàn)頻率兩者中較小者。

試驗(yàn)期間，與內(nèi)埋武器連接的電纜、導(dǎo)管等，應(yīng)類似于服役中的狀態(tài)（約束和質(zhì)量）?？拷鼉?nèi)埋武器的每個不同的主要表面上，放置用于試驗(yàn)控制的傳聲器（3～9個），距離表面0.5 m或介于表面中心和室壁之間的中間，取兩者中較小者，試驗(yàn)控制的總聲壓級偏差應(yīng)在-2～4 dB以內(nèi)。

圖1 噪聲試驗(yàn)配置狀態(tài)Fig.1 Acoustic noise test configuration

按規(guī)定的噪聲試驗(yàn)量級對內(nèi)埋武器施加噪聲激勵，同時測試受試產(chǎn)品性能。試驗(yàn)后進(jìn)行必要的外觀檢查，以確定內(nèi)埋武器在噪聲環(huán)境下結(jié)構(gòu)和性能是否符合使用要求。

若條件允許，應(yīng)在武器外表面配置振動傳感器，測試噪聲試驗(yàn)時各部位的振動響應(yīng)，并與飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。

5 結(jié)論

空腔共鳴噪聲環(huán)境是新一代戰(zhàn)機(jī)內(nèi)埋武器在武器艙開艙門瞬間遇到的嚴(yán)酷環(huán)境因素之一，為確定內(nèi)埋武器艙結(jié)構(gòu)和武器在此環(huán)境下能夠正常工作，必須開展相應(yīng)的空腔共鳴噪聲環(huán)境試驗(yàn)。筆者在討論噪聲環(huán)境試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，給出了內(nèi)埋武器可行的噪聲環(huán)境試驗(yàn)方法，嘗試確定了內(nèi)埋武器空腔共鳴試驗(yàn)條件的計(jì)算方法和試驗(yàn)程序，為開展進(jìn)一步的試驗(yàn)研究工作提供參考。

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