航天器組件產(chǎn)品噪聲試驗(yàn)方法綜述

羅 紀(jì)，沈志強(qiáng)，張俊剛，晏廷飛，方貴前

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

航天器在發(fā)射和飛行過程中會(huì)經(jīng)受多種動(dòng)力學(xué)環(huán)境，其中，由發(fā)動(dòng)機(jī)在起飛階段的排氣噪聲和氣動(dòng)噪聲引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)直接作用于航天器或者飛行器整流罩表面。這種嚴(yán)酷的聲環(huán)境將誘發(fā)航天器嚴(yán)重的振動(dòng)響應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞甚至失效。國內(nèi)外針對航天器聲試驗(yàn)方法都制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。但是這些標(biāo)準(zhǔn)基本是針對航天器系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品，而對于航天器組件產(chǎn)品的聲試驗(yàn)方法并沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

目前我國的航天器系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品噪聲試驗(yàn)基本都是在混響室內(nèi)完成，而組件產(chǎn)品的噪聲試驗(yàn)有可能使用行波管完成；組件產(chǎn)品與系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品在試驗(yàn)中的控制方式也存在差異。因此本文充分參考和汲取了國內(nèi)外最新的航天器環(huán)境試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)文獻(xiàn)的先進(jìn)內(nèi)容，如美軍標(biāo)MIL-STD-810G Method 515.6 Acoustic Noise Testing[1]，英國軍用標(biāo)準(zhǔn) DEF STAN 00-35 Part 3 中 Chapter 2-08 和 Chapter 2-09，北大西洋公約組織標(biāo)準(zhǔn)AECTP-400.402《力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)》[2]，美軍標(biāo)MIL-STD-1540E《運(yùn)載器、上面級(jí)和航天器試驗(yàn)要求》[3]，歐洲航天標(biāo)準(zhǔn)ECSSE-10-03A《航天工程試驗(yàn)》[4]，ISO/WD 15864《航天系統(tǒng)—航天器、分系統(tǒng)和單元的通用試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》的7.14節(jié)“噪聲試驗(yàn)”部分[5]，英國國防部標(biāo)準(zhǔn)DEF STAN 00-35《國防裝備環(huán)境手冊 第三部分：環(huán)境試驗(yàn)方法》[6]，NASA-STD-7001A《有效載荷聲振試驗(yàn)準(zhǔn)則》[7]和馬歇爾空間飛行中心技術(shù)文件MSFCDOC-2042《先進(jìn)固體火箭助推器振動(dòng)、噪聲和沖擊設(shè)計(jì)及試驗(yàn)準(zhǔn)則》[8]等，并結(jié)合我國當(dāng)前試驗(yàn)設(shè)備能力和試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，通過充分調(diào)研，了解同行業(yè)各單位的工作實(shí)際，根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證情況，以GJB 1027A《運(yùn)載器、上面級(jí)和航天器試驗(yàn)要求》[9]為指導(dǎo)，參考 GJB 1197—1991《衛(wèi)星聲試驗(yàn)方法》[10]和QJA 261—2014《彈箭產(chǎn)品噪聲試驗(yàn)方法》[11]中行波聲場試驗(yàn)部分和GJB 1197A《航天器聲試驗(yàn)方法》[12]的相關(guān)內(nèi)容，對航天器組件產(chǎn)品噪聲試驗(yàn)方法進(jìn)行綜述，以期為航天器組件產(chǎn)品噪聲試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范制定提供參考。

1 航天器組件產(chǎn)品噪聲試驗(yàn)方法

目前國內(nèi)外航天器組件常用的噪聲試驗(yàn)方法有混響聲場試驗(yàn)方法和行波聲場試驗(yàn)方法。

1.1 混響聲場試驗(yàn)方法

典型的混響試驗(yàn)系統(tǒng)（如圖1所示）主要由混響室本體、聲源系統(tǒng)和測量系統(tǒng)等組成?；祉懧晥鲈肼曉囼?yàn)適合尺寸較大、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、試驗(yàn)量級(jí)要求不嚴(yán)酷的產(chǎn)品的試驗(yàn)?；祉懧晥瞿軌蛘T發(fā)100 Hz以上的振動(dòng)，可利用噪聲激勵(lì)內(nèi)部安裝的裝備的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，作為機(jī)械振動(dòng)試驗(yàn)的補(bǔ)充?；祉懯业捏w積應(yīng)滿足試驗(yàn)條件所規(guī)定的最低試驗(yàn)頻率的要求，在航天器組件試驗(yàn)聲譜中最低試驗(yàn)頻率一般為31.5 Hz；在此頻率以上，混響室應(yīng)具有足夠的模態(tài)數(shù)，以保證對航天器組件的固有特性能夠充分激勵(lì)。工程上一般建議在試驗(yàn)頻域的最低1/3倍頻程帶寬內(nèi)有7個(gè)或7個(gè)以上的模態(tài)。在設(shè)計(jì)混響室時(shí)，選取具有最佳尺寸比的長、寬、高，可以盡可能提高低頻區(qū)模態(tài)數(shù)，獲得最佳控制效果。如有困難，混響室體積至少應(yīng)為航天器體積的10倍。目前國內(nèi)航天器噪聲試驗(yàn)用混響室中，體積最小的為北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所研制的112 m3混響室。

圖1 混響聲場試驗(yàn)系統(tǒng)工作原理Fig. 1 Principle of the reverberation chamber test system

混響室噪聲試驗(yàn)適用于較大尺寸產(chǎn)品，以及在運(yùn)載器、動(dòng)力設(shè)備和其他高強(qiáng)度聲源產(chǎn)生的噪聲場中工作的裝備或結(jié)構(gòu)。

1.2 行波聲場試驗(yàn)方法

行波聲場試驗(yàn)方法是聲試驗(yàn)另一種常用的方法，其原理如圖2所示。典型的試驗(yàn)裝置稱作行波管，主要是由聲發(fā)生器、喇叭、行波試驗(yàn)段及行波終端組成。與混響聲場相比，行波聲場只需較小的聲功率就可以產(chǎn)生較高的聲壓級(jí)，還具有周向相關(guān)和沿聲傳播方向聲壓級(jí)易調(diào)的特點(diǎn)；行波聲場可以在較小的截面內(nèi)產(chǎn)生較高的聲壓級(jí)，基本不受頻率的限制，特別是管內(nèi)容易產(chǎn)生低頻聲場，聲場和頻率都比較均勻。因此對于混響聲場難以達(dá)到的試驗(yàn)量級(jí)，可以考慮用行波聲場試驗(yàn)方法。行波聲場試驗(yàn)一般適用于模擬局部強(qiáng)聲源，以及外露表面受氣動(dòng)紊流激勵(lì)的產(chǎn)品進(jìn)行高量級(jí)噪聲輸入的試驗(yàn)。實(shí)際上對于產(chǎn)品尺寸較小的航天器組件，根據(jù)其實(shí)際飛行狀態(tài)，都可以用行波管模擬其受試環(huán)境。

圖2 行波聲場系統(tǒng)組成原理Fig. 2 The principle of the progressive wave tube system

為了適應(yīng)試驗(yàn)要求，行波試驗(yàn)段管道截面可選擇圓形或矩形。對于壁板試驗(yàn)，矩形截面可能更合適； 而外掛可能在圓形截面的管道中試驗(yàn)更為方便。氣流揚(yáng)聲器產(chǎn)生的噪聲通過一個(gè)合適的喇叭耦合進(jìn)入工作段的一端，行至平滑管道的另一端時(shí)，再通過另一個(gè)號(hào)筒耦合進(jìn)入吸聲的終端裝置。為了將管道中的駐波效應(yīng)減至最小，要求管道末端在工作頻率范圍內(nèi)達(dá)到最大吸聲效果。噪聲沿管道傳播，并以行波的方式施加在試件表面。若試件安裝在管道內(nèi)，行波將施加在試件的整個(gè)外表面；若試件安裝在管道壁上，噪聲將僅施加于壁板的一面。采用哪種方法將取決于試件及其飛行過程中的使用情況。

行波聲場具有以下特點(diǎn)：

1）既可以完成高聲強(qiáng)的噪聲試驗(yàn)，又可以完成總聲壓級(jí)較低的噪聲試驗(yàn)；

2）行波聲場簡單，易于實(shí)現(xiàn)，成本較低，并且可以根據(jù)產(chǎn)品的需要設(shè)計(jì)行波試驗(yàn)段截面形狀；

3）行波聲場試驗(yàn)主要適用于表面承受壓力脈動(dòng)的裝備，同樣適用于某些特殊的航天器產(chǎn)品，試驗(yàn)方法相同。

2 航天器組件產(chǎn)品噪聲試驗(yàn)要求

2.1 聲試驗(yàn)設(shè)備要求

2.1.1 混響室要求

GJB 1197A《航天器聲試驗(yàn)方法》規(guī)定“最低可用頻率處1/3倍頻程內(nèi)至少應(yīng)具有7個(gè)模態(tài)”。目前航天器組件噪聲試驗(yàn)，倍頻程最低試驗(yàn)中心頻率31.5 Hz，1/3 倍頻程試驗(yàn)最低中心頻率為 20 Hz。實(shí)際上對于容積在2000 m3以下的混響室在31.5 Hz處很難達(dá)到7個(gè)模態(tài)。以北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 660 m3混響室為例，中心頻率 31.5 Hz處 1/3倍頻程內(nèi)計(jì)算模態(tài)是3個(gè)；1070 m3混響室，中心頻率31.5 Hz處1/3倍頻程內(nèi)計(jì)算模態(tài)是5個(gè)。航天器組件產(chǎn)品較航天器整器小很多，使用小型混響室就可以完成試驗(yàn)。然而混響室體積越小，低頻處模態(tài)數(shù)越少；當(dāng)小型混響室不能滿足試驗(yàn)低頻要求的模態(tài)數(shù)時(shí)，可以通過減小低頻喇叭的截止頻率、提高低頻聲發(fā)生器的聲功率等措施提高混響室低頻處試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

GJB 1197和GJB 1197A都沒有對混響室大門的要求進(jìn)行規(guī)定，但是一般航天器組件的最低試驗(yàn)頻率為25 Hz，為避免引起共振，大門的基頻應(yīng)該低于試驗(yàn)的最低頻率，一般要求大門的基頻≤20 Hz。

2.1.2 行波管要求

GJB 1197A沒有針對航天器在行波管中的試驗(yàn)提出規(guī)定，但在GJB 1197—1991中有相關(guān)規(guī)定如下：

1）典型的行波管截面有圓形和方形兩種；

2）行波管試驗(yàn)段的橫截面積應(yīng)滿足減少輻射阻尼和避免出現(xiàn)橫向駐波的要求；

3）行波管的終端裝置應(yīng)能吸收95%以上的聲能，并使氣流自由通過；

4）當(dāng)預(yù)定聲環(huán)境沿縱向有變化時(shí)，行波管試驗(yàn)段的橫截面積沿縱向應(yīng)做相應(yīng)的變化。

參照英國國防部軍用標(biāo)準(zhǔn) DEF STAN 00-35，對進(jìn)行航天器組件噪聲試驗(yàn)的行波管還應(yīng)要求：

1）最高總聲壓級(jí)能力應(yīng)滿足試驗(yàn)要求；

2）為保證聲場的均勻性和有效聲功率，行波管的工作截面應(yīng)大于航天器組件尺寸的10%～25%，例如：最典型的圓柱形組件，組件與行波管之間的環(huán)形空隙應(yīng)該是組件直徑的10%～25%。

2.1.3 聲源要求

聲源系統(tǒng)由聲發(fā)生器、功率放大器、喇叭等組成，一般要求如下：

1）聲發(fā)生器提供的聲功率滿足試驗(yàn)要求；

2）功率放大器的頻率范圍滿足寬帶噪聲控制要求；

3）應(yīng)能產(chǎn)生隨機(jī)噪聲，滿足所需聲壓級(jí)、聲譜等要求。

2.1.4 其他設(shè)備要求

航天器組件產(chǎn)品進(jìn)行噪聲試驗(yàn)時(shí)，還會(huì)用到氣源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等相關(guān)儀器設(shè)備，這些設(shè)備的要求與航天器系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品要求相同，本文不做詳細(xì)論述。

2.2 安裝要求

2.2.1 航天器組件混響室內(nèi)安裝要求

1）GJB 1197A規(guī)定聲控制傳感器要求距離墻壁和產(chǎn)品的距離＞0.5 m。以前的混響室較小，不能同時(shí)滿足該要求，而現(xiàn)在國內(nèi)的混響室尺寸均能滿足該要求。因此航天器組件在混響室中的擺放要求，組件外緣距離混響室內(nèi)壁表面應(yīng)＞1.0 m。

2）對于航天器組件與支撐裝置組成的整個(gè)系統(tǒng)的固有頻率要求，GJB 150.17A—2009規(guī)定：帶試件的支撐系統(tǒng)的共振頻率應(yīng)選擇＜25 Hz或1/4最低試驗(yàn)頻率，兩者取其小者；GJB 1027A—2005規(guī)定，試件與隔振裝置組成的系統(tǒng)的一階頻率應(yīng)低于試驗(yàn)頻率下限；GJB 1197—1991和 GJB 1197A規(guī)定，衛(wèi)星和懸掛（或支撐）裝置組成的整個(gè)系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)低于25 Hz。結(jié)合以上幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求，航天器組件和支撐（或懸掛）裝置組成的整個(gè)系統(tǒng)的一階固有頻率應(yīng)低于25 Hz，并低于試驗(yàn)頻率下限。

2.2.2 航天器組件產(chǎn)品行波管內(nèi)安裝要求

1）行波管內(nèi)的航天器組件與支撐裝置組成的整個(gè)系統(tǒng)的固有頻率要求，與混響室內(nèi)的要求一致。

2）GJB 1197—1991中有關(guān)于多管行波裝置的規(guī)定，但是由于航天器組件與整器的區(qū)別，一般航天器組件在行波聲場中試驗(yàn)時(shí)，不需要多管行波裝置，因此對于航天器組件在多管裝置中的安裝可不做要求。QJA 261—2014中規(guī)定：產(chǎn)品為壁板結(jié)構(gòu)時(shí)，直接連接于行波管一側(cè)管壁上，作為行波管的一部分暴露于噪聲激勵(lì)中，連接時(shí)需采取減振措施，受試面要與管道內(nèi)表面齊平；非壁板結(jié)構(gòu)安裝時(shí)，軸線應(yīng)與管道中心線平行，使聲波沿產(chǎn)品軸向方向傳播。實(shí)際試驗(yàn)過程中的做法也是與QJA 261—2014規(guī)定的一致。

3）航天器組件外表面距離管壁距離不小于組件截面尺寸的10%。

2.3 控制要求

2.3.1 混響聲場控制要求

1）對于混響聲場噪聲控制傳感器的個(gè)數(shù)，GJB 150.17A—2009規(guī)定，若在混響室內(nèi)存在一個(gè)最佳的控制位置，則采用單點(diǎn)控制，并將該點(diǎn)作為控制點(diǎn)[13]；GJB 1197—1991 規(guī)定，衛(wèi)星在混響聲場試驗(yàn)時(shí)，需要安裝3個(gè)以上控制傳感器；GJB 1197A規(guī)定了混響室內(nèi)試驗(yàn)采用四點(diǎn)及四點(diǎn)以上平均控制；GJB 1027A—2005規(guī)定，航天器組件在混響聲場中試驗(yàn)時(shí)，至少需要4個(gè)位置相距較遠(yuǎn)的傳聲器來控制聲試驗(yàn)條件。根據(jù)以上規(guī)定和實(shí)際試驗(yàn)情況，航天器組件在混響聲場中試驗(yàn)時(shí)，一般采用四點(diǎn)或四點(diǎn)以上平均控制。

2）傳感器在混響聲場內(nèi)的位置選擇同GJB 150A—2009規(guī)定：距離航天器組件表面500 mm或放在航天器組件表面與混響室墻壁距離1/2處，兩者取其較小者。航天器組件混響室內(nèi)安裝時(shí)，其外表面距離混響室表面應(yīng)＞1 m，即航天器組件表面與混響室墻壁距離1/2處＞500 mm，因此航天器組件混響聲場試驗(yàn)時(shí)，聲傳感器安裝在組件表面與混響室內(nèi)壁表面之間距離的1/2處，且距離組件和混響室內(nèi)壁表面均≥0.5 m，同時(shí)還應(yīng)要求傳感器高度應(yīng)位于組件的幾何中心平面上。

2.3.2 行波聲場控制要求

1）對于行波聲場噪聲控制傳感器的個(gè)數(shù)，GJB 150.17A—2009規(guī)定，若在行波管內(nèi)存在一個(gè)最佳的控制位置，則采用單點(diǎn)控制，并將該點(diǎn)作為控制點(diǎn)；GJB 1197—1991規(guī)定，衛(wèi)星在單管行波試驗(yàn)時(shí)需要安裝3個(gè)以上控制傳感器；GJB 1197A和GJB 1027A—2005沒有相關(guān)規(guī)定?？紤]航天器組件比整星小很多，綜合考慮以上情況，航天器組件在行波聲場中試驗(yàn)時(shí)，可以采用兩點(diǎn)或兩點(diǎn)以上聲譜及總聲壓級(jí)平均控制。

2）控制傳感器在行波聲場中的位置選擇要求同GJB 150A—2009的規(guī)定相同，位于航天器組件相對的管道壁面上，并參照DEF STAN 00-35規(guī)定：也應(yīng)使其只響應(yīng)行波，用掠入射聲校準(zhǔn)傳感器對其測得的聲壓級(jí)進(jìn)行必要的修正。

3 試驗(yàn)程序

3.1 試驗(yàn)前調(diào)試

首先進(jìn)行試驗(yàn)室預(yù)調(diào)。GJB 150.17A—2009規(guī)定對于開環(huán)控制的混響聲場試驗(yàn)，應(yīng)首先移開試件并證實(shí)在空室內(nèi)能夠達(dá)到規(guī)定的總聲壓級(jí)和譜型，然后將試件放回混響室，但沒有明確預(yù)調(diào)的方法和過程；對于行波聲場試驗(yàn)則沒有提到預(yù)調(diào)的過程。GJB 1027A—2005對試驗(yàn)的預(yù)調(diào)和操作過程沒有明確的規(guī)范。GJB 1197—1991和 GJB 1197A規(guī)定了衛(wèi)星在混響室中試驗(yàn)時(shí)應(yīng)進(jìn)行空室調(diào)試、模擬件預(yù)調(diào)和使用被試衛(wèi)星預(yù)調(diào)。實(shí)際應(yīng)用過程中，因目前控制系統(tǒng)均是采用閉環(huán)控制，所以組件產(chǎn)品在混響室中試驗(yàn)時(shí)，空室調(diào)試的效果較好，一般都能滿足試驗(yàn)要求，個(gè)別不能滿足要求的可以采用被試產(chǎn)品低量級(jí)預(yù)調(diào)。

3.2 試驗(yàn)實(shí)施過程

航天器組件在混響聲場和行波聲場的試驗(yàn)流程是相近的。首先，按相關(guān)技術(shù)文件規(guī)定對組件外觀檢查及功能、性能測試；航天器組件按照2.2節(jié)要求安裝就位；安裝控制用聲傳感器、進(jìn)行控制回路標(biāo)定、檢查，并進(jìn)行試驗(yàn)控制系統(tǒng)、測量參數(shù)設(shè)置，連線并導(dǎo)通，檢查測量回路；氣源系統(tǒng)準(zhǔn)備，關(guān)閉大門。

按試驗(yàn)加載順序（一般為低量級(jí)、滿量級(jí)、低量級(jí)）對產(chǎn)品加載，對聲場進(jìn)行控制測量，控制聲譜滿足試驗(yàn)要求，加載至0 dB聲場穩(wěn)定后，啟動(dòng)測量系統(tǒng)。

試驗(yàn)實(shí)施過程中要實(shí)時(shí)關(guān)注產(chǎn)品及設(shè)備狀態(tài)，如果試驗(yàn)設(shè)備、儀器、試件出現(xiàn)異常，試驗(yàn)中出現(xiàn)欠試驗(yàn)而不能達(dá)到預(yù)期試驗(yàn)?zāi)康?，或出現(xiàn)過試驗(yàn)而有可能造成組件損壞或性能下降等情況，則需要中斷試驗(yàn)。試驗(yàn)中斷處理一般按照GJB 1027A—2005所述中斷處理程序進(jìn)行，具體要求如下：

1）因試驗(yàn)設(shè)備出現(xiàn)異常造成試驗(yàn)中斷，在設(shè)備異常排除后，根據(jù)異常分析和處理情況決定繼續(xù)試驗(yàn)或重新開始試驗(yàn)；

2）因組件異常而引起試驗(yàn)中斷，異常排除后，根據(jù)異常分析和處理情況決定繼續(xù)試驗(yàn)或重新開始試驗(yàn)；

3）因欠試驗(yàn)引起試驗(yàn)中斷，必要時(shí)重新進(jìn)行調(diào)試，確認(rèn)試驗(yàn)系統(tǒng)滿足要求后，重新進(jìn)行試驗(yàn)，中斷前的試驗(yàn)時(shí)間無效；

4）因過試驗(yàn)引起試驗(yàn)中斷，應(yīng)確認(rèn)試驗(yàn)是否對組件造成影響。當(dāng)過試驗(yàn)未對組件產(chǎn)生影響時(shí)，查明原因，繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)；當(dāng)過試驗(yàn)對組件產(chǎn)生影響時(shí)，則終止試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)后處理

試驗(yàn)結(jié)束后，一定要確認(rèn)氧濃度滿足要求后，試驗(yàn)人員方可進(jìn)入混響室或者行波管間檢查組件外觀，以及進(jìn)行功能、性能測試；檢查傳感器及連線有無異常，記錄傳感器及連線的異常情況，并對出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行記錄、分析。

4 結(jié)束語

目前，航天器型號(hào)進(jìn)行噪聲試驗(yàn)已是各型號(hào)總師和廣大設(shè)計(jì)人員的共識(shí)。根據(jù)航天器組件產(chǎn)品與航天器系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品在試驗(yàn)方法上的區(qū)別，本文參照國內(nèi)外試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)的情況，對航天器組件噪聲試驗(yàn)方法和試驗(yàn)要求進(jìn)行了綜述，供從事該專業(yè)方面技術(shù)人員編寫試驗(yàn)文件、實(shí)施試驗(yàn)使用。