航天器艙壁加筋結(jié)構(gòu)中泄漏聲波傳播特性與泄漏定位影響研究

綦 磊，岳桂軒，邵容平，孫立臣，芮小博，孫 偉

(1.天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094)

1 引言

載人飛船、空間站等低軌航天器在軌運(yùn)行時(shí)，容易受到空間碎片撞擊產(chǎn)生航天器艙體結(jié)構(gòu)泄漏，嚴(yán)重威脅航天器正常運(yùn)行和航天員的生命安全。美國(guó)航天飛機(jī)從任務(wù)STS-1到STS-10已經(jīng)多次更換舷窗。美國(guó)長(zhǎng)期暴露裝置(LDEF)在軌運(yùn)行67個(gè)月后，經(jīng)回收檢測(cè)到了多達(dá)數(shù)以萬(wàn)計(jì)的撞坑。2015年，NASA在檢修中發(fā)現(xiàn)國(guó)際空間站多功能服務(wù)艙(MLM)上直徑在0.1～1.5 mm的撞擊坑有75個(gè)；燃料箱組件(ATA)在軌7年間形成了49個(gè)直徑在0.1～1 mm的撞擊坑。2018年8月29日，國(guó)際空間站遭到空間碎片的撞擊，造成艙體破損出現(xiàn)空氣泄漏，出現(xiàn)空氣泄漏的位置在聯(lián)盟號(hào)MS-09軌道艙上。因此，研究航天器在軌泄漏檢測(cè)意義重大。

對(duì)于較大的編目碎片(大于10 cm)主要采用碰撞預(yù)警，進(jìn)而對(duì)航天器實(shí)施機(jī)動(dòng)規(guī)避；對(duì)于微小空間碎片(小于1 mm)主要采用適當(dāng)防護(hù)措施(增加Whipple防護(hù)結(jié)構(gòu)等)來(lái)增強(qiáng)航天器的防御能力；而對(duì)于1 mm～10 cm之間的空間碎片撞擊，沒(méi)有很好的解決辦法，只能加強(qiáng)碎片碰撞及泄漏的檢測(cè)，必要時(shí)進(jìn)行修復(fù)。2000年以來(lái)，美國(guó)NASA、俄羅斯聯(lián)邦航天局(Roskosmos)、歐洲空間局(ESA)等研究機(jī)構(gòu)針對(duì)航天器在軌泄漏檢測(cè)開(kāi)展了大量的研究工作，主要包括紅外熱成像、電阻變化檢漏、質(zhì)譜檢漏及聲發(fā)射檢漏等。其中，聲發(fā)射泄漏檢測(cè)技術(shù)因?yàn)殪`敏度高、易于工程應(yīng)用而獲得關(guān)注。沈功田等采用快速傅里葉變換(FFT)、小波分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別技術(shù)對(duì)泄漏聲發(fā)射信號(hào)和噪聲進(jìn)行分離處理，采用基于衰減和波形分析2種方法對(duì)泄漏源進(jìn)行定位，在100 m長(zhǎng)管道上可檢測(cè)直徑l mm的泄漏孔，定位誤差率為傳感器距離的10%。劉增華等以各向異性復(fù)合材料板為試驗(yàn)對(duì)象，分析了復(fù)合材料板中聲發(fā)射信號(hào)的傳播特性，最后通過(guò)布置傳感器陣列實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料板中的聲發(fā)射源定位。該方法通過(guò)使用3個(gè)距離十分接近的傳感器進(jìn)行信號(hào)采集，根據(jù)不同傳感器之間的信號(hào)到達(dá)時(shí)間差，結(jié)合位置關(guān)系計(jì)算出復(fù)合材料中聲源方向以及此方向上的聲波波速。仿真分析證明該方法具有可行性，但實(shí)驗(yàn)樣本較少，其工程應(yīng)用效果有待進(jìn)一步考證。芮小博等提出一種可在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中對(duì)連續(xù)泄漏信號(hào)進(jìn)行定位的幅度譜索引法，使用分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用幅度譜特征值建立索引矩陣，根據(jù)最小方差確定泄漏位置。該方法需要預(yù)先建立由被測(cè)件各點(diǎn)幅度譜特征值構(gòu)成的數(shù)據(jù)庫(kù)，且1個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)僅能夠針對(duì)1個(gè)試件進(jìn)行定位，無(wú)法適用空間站這種大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的泄漏定位。

當(dāng)前，多數(shù)泄漏定位方法均是從原理及算法方面進(jìn)行改進(jìn)，尚無(wú)根據(jù)加筋板自身特性進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)的定位方法；且聲波在橫縱復(fù)雜加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)中的傳播特性仍需進(jìn)一步研究，為航天器復(fù)雜結(jié)構(gòu)泄漏定位算法參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。為解決以上問(wèn)題，本文提出加筋板距離補(bǔ)償過(guò)筋系數(shù)的概念，用以表征加強(qiáng)筋在聲波傳播過(guò)程中的影響。通過(guò)加筋板和平板對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究聲波經(jīng)過(guò)加強(qiáng)筋的頻率和幅值特性，并得到距離補(bǔ)償過(guò)筋系數(shù)曲線。研究結(jié)果可為航天器泄漏檢測(cè)聲波頻段選擇提供指導(dǎo)，并有助于提高傳統(tǒng)算法對(duì)于加筋板的適應(yīng)性及檢測(cè)精度。

2 距離補(bǔ)償過(guò)筋系數(shù)計(jì)算方法

航天器密封艙體出現(xiàn)泄漏時(shí)，氣體在壓力差的作用下從密封結(jié)構(gòu)中沿泄漏通道向艙外真空環(huán)境泄漏，氣體介質(zhì)穿過(guò)微小孔徑時(shí)，其流速較高，處于湍流狀態(tài)，包含大量的湍流漩渦，氣體湍流漩渦間相互作用及旋渦與孔壁之間相互作用產(chǎn)生泄漏聲源。隨后，聲波沿航天器艙壁向四周傳播。由于航天器在軌泄漏下游為真空環(huán)境，氣流旋渦較常規(guī)泄漏少，泄漏噪聲微弱。真空環(huán)境下的泄漏射流噪聲存在明顯的聲腔反射，將激發(fā)出多種共振模態(tài)，聲源更加復(fù)雜。除此之外，為了降低質(zhì)量，載人航天器艙體多采用加筋板結(jié)構(gòu)，當(dāng)聲波經(jīng)過(guò)加強(qiáng)筋時(shí)一部分反射，一部分透射；并且在加強(qiáng)筋處，聲波垂直板面沿著加強(qiáng)筋方向向上傳播，并經(jīng)過(guò)加強(qiáng)筋上表面發(fā)生反射，如圖1所示。這就使得航天器在軌泄漏定位比傳統(tǒng)壓力容器泄漏定位更困難。

在均勻薄板結(jié)構(gòu)中，聲波能量隨傳播距離增大逐漸衰減，各頻帶衰減程度基本一致。而在加筋板中存在多方向傳輸?shù)膹?fù)雜現(xiàn)象，并且各頻帶聲波傳播特性區(qū)別很大。本文提出一種距離補(bǔ)償聲波過(guò)筋系數(shù)計(jì)算方法，用某頻率為f的聲波在加筋板和平板中傳播相同距離后的能量比值來(lái)表示，如式(1)所示。

圖1 加強(qiáng)筋節(jié)點(diǎn)處聲波多方向傳播示意圖Fig.1 Schematic diagram of multi-directional propagation of acoustic waves at reinforcement joints

其中，E(f)表示加筋板中頻率為f的蘭姆波在經(jīng)過(guò)加強(qiáng)筋后的能量，E(f)表示平板中頻率為f的蘭姆波在傳播相同距離后的能量。在實(shí)際計(jì)算中具體頻率的能量通過(guò)對(duì)以該頻率為中心5 kHz頻率范圍內(nèi)的頻譜進(jìn)行積分獲得，計(jì)算公式見(jiàn)式(2):

其中FFT(ω)代表信號(hào)的頻譜。計(jì)算時(shí)以1 kHz為步長(zhǎng)，從100 kHz逐步計(jì)算加強(qiáng)筋的過(guò)筋系數(shù)直至400 kHz。

3 距離補(bǔ)償過(guò)筋系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)

為開(kāi)展過(guò)筋系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)，搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，由真空泄漏系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，其中真空泄漏系統(tǒng)用于模擬空間環(huán)境下的氣體從大氣向真空泄漏，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于對(duì)泄漏聲波的預(yù)處理、采集存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)分析。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

真空泄漏系統(tǒng)主要由真空泵(TRP24型)、閥門(mén)、抽氣管道和實(shí)驗(yàn)板組成。實(shí)驗(yàn)板又分為平板和加筋板2種，實(shí)驗(yàn)板上預(yù)先制作直徑1.0 mm的圓形漏孔。通過(guò)真空泵抽真空可以模擬漏率為0.1 Pa·m/s以上的泄漏。加筋板和平板均采用航天常用的5A06鎂鋁合金板整體加工而成，具體參數(shù)如表1所示。加筋板和平板四周粘貼吸收膠泥，可有效抑制邊界聲波反射，實(shí)驗(yàn)板實(shí)物圖如圖3所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.2 Schematic diagram of the experiment system

表1 實(shí)驗(yàn)板參數(shù)表Table 1 Parameters of test plates

圖3 實(shí)驗(yàn)板實(shí)物圖Fig.3 Photos of test plates

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由聲發(fā)射傳感器、信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)等組成。考慮到航天器背景噪聲頻率主要集中在100 kHz以下，傳感器采用Nano30型聲發(fā)射傳感器(美國(guó)PAC公司)，該型號(hào)傳感器在100～400 kHz頻率范圍內(nèi)具有較好的頻率響應(yīng)，滿足本實(shí)驗(yàn)的需求。聲發(fā)射前置放大器的頻率范圍為20～1000 kHz，輸出阻抗50Ω，信號(hào)增益40 dB。數(shù)據(jù)采集儀為DS2-8A型8通道全信息聲發(fā)射信號(hào)分析儀，具體參數(shù)如表2所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用MATLAB軟件離線處理。

表2 數(shù)據(jù)采集儀參數(shù)表Tab le 2 Parameters of data acquisition instrum ent

為計(jì)算加強(qiáng)筋的過(guò)筋系數(shù)，在加筋板與平板上進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。以加筋板中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，利用加筋板上(0，0)處直徑1.0 mm漏孔泄漏為聲源，將2只聲發(fā)射傳感器分別布設(shè)在過(guò)1條加強(qiáng)筋的A點(diǎn)(20，0)和過(guò)2條加強(qiáng)筋的B點(diǎn)(40，0)，如圖4(a)所示，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集2只傳感器的信號(hào)60 ms。按照相同的傳感器及聲源位置，利用平板重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，如圖4(b)所示。

圖4 傳感器布設(shè)位置示意圖Fig.4 Schematic diagram of sensor location

實(shí)驗(yàn)得到的加筋板與平板中各采集位置的泄漏信號(hào)如圖5、圖6所示。

圖5 加筋板各傳感器信號(hào)時(shí)域及頻域圖Fig.5 Time-domain and frequency-domain signals in stiffened p late

從時(shí)域圖中可以看出，加筋板中A點(diǎn)信號(hào)相對(duì)平板中A點(diǎn)信號(hào)，幅值減少50%左右；加筋板中B點(diǎn)信號(hào)相對(duì)平板中B點(diǎn)信號(hào)，幅值減少70%左右，說(shuō)明加強(qiáng)筋對(duì)于泄漏聲發(fā)射信號(hào)的傳播有較大衰減作用，并且經(jīng)過(guò)加強(qiáng)筋數(shù)目越多，幅值衰減越嚴(yán)重。從頻域圖中可以看出，平板中的泄漏聲發(fā)射信號(hào)能量主要集中在100～180 kHz的低頻部分，而加筋板中180 kHz以上高頻部分能量占比顯著增加，說(shuō)明100～180 kHz低頻成分在加筋板中衰減更為顯著。

圖6 平板各傳感器信號(hào)時(shí)域及頻域圖Fig.6 Time-domain and frequency-domain signals in surface plate

為進(jìn)一步分析加強(qiáng)筋對(duì)泄漏聲發(fā)射信號(hào)傳播的影響，利用式(1)計(jì)算得到經(jīng)過(guò)1條筋和2條筋的聲波距離補(bǔ)償過(guò)筋系數(shù)曲線，如圖7所示。

圖7 距離補(bǔ)償過(guò)筋系數(shù)曲線Fig.7 Curves of distance com pensated stiffener coefficient

圖7中經(jīng)過(guò)不同數(shù)量的加強(qiáng)筋后，信號(hào)在不同頻率的變化不盡相同，但仍有相似規(guī)律，2種情況下的距離補(bǔ)償過(guò)筋系數(shù)曲線隨頻率變化上下浮動(dòng)，呈相似的梳齒狀，100～180 kHz范圍內(nèi)的過(guò)筋系數(shù)相對(duì)較小，250 kHz及350 kHz附近存在峰值。對(duì)比2條曲線可以看出，經(jīng)過(guò)1條筋的過(guò)筋系數(shù)整體大于經(jīng)過(guò)2條筋的過(guò)筋系數(shù)，與信號(hào)時(shí)頻分析結(jié)果一致。

4 聲波傳播特性對(duì)泄漏定位影響

泄漏聲波為連續(xù)性信號(hào)，無(wú)明顯起始時(shí)刻，傳統(tǒng)的聲達(dá)時(shí)差法無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的泄漏源定位。通常使用聲陣列傳感器對(duì)泄漏源進(jìn)行定向，再由2組陣列傳感器根據(jù)三角形關(guān)系進(jìn)行泄漏定位，如圖8所示。

圖8 三角定位原理圖 Fig.8 Schematic diagram of triangulation location

波場(chǎng)成像是一種常用的泄漏定向算法，該方法通過(guò)三維傅里葉變換，將時(shí)域-空間域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域-波數(shù)域信號(hào)。在波數(shù)域中，波數(shù)的方向與聲波傳播方向一致，因此可根據(jù)波數(shù)域云圖中最大強(qiáng)度點(diǎn)來(lái)判斷泄漏聲源的方向，如圖9所示。

圖9 波數(shù)域成像定向圖Fig.9 W ave field imaging orientation map

當(dāng)航天器艙壁上存在加強(qiáng)筋時(shí)，由于不同頻率信號(hào)通過(guò)加強(qiáng)筋時(shí)的反射-透射比不同，使得不同頻率下泄漏源定位結(jié)果不同。因此，根據(jù)聲波傳播特性，選取合適頻帶的聲信號(hào)進(jìn)行泄漏定位，可以減小泄漏定位誤差。

為探究不同濾波頻率下定向結(jié)果的準(zhǔn)確性，使用8×8陣元微陣列傳感器分別對(duì)1.0 mm、1.5 mm、2.0mm 3個(gè)不同孔徑的泄漏孔進(jìn)行定向?qū)嶒?yàn)，每個(gè)漏孔進(jìn)行10次定位，陣列傳感器如圖10所示，傳感器及漏孔布局如圖11所示，圖中細(xì)線為標(biāo)志網(wǎng)格線，粗線代表加強(qiáng)筋或板子邊緣。

圖10 陣列傳感器Fig.10 Photo of sensor array

圖11 傳感器及漏孔布局圖Fig.11 Layout of sensor and leakage holes

使用不同頻帶得到的所有定向?qū)嶒?yàn)的平均定向誤差如表3所示。從表中可以看出，161～190 kHz、191～220 kHz、221～250 kHz以及251～280 kHz 4個(gè)頻段的平均定向誤差較小，這一結(jié)果與該頻帶內(nèi)距離補(bǔ)償過(guò)筋系數(shù)較大的結(jié)果相一致。在341～370 kHz頻帶內(nèi)距離補(bǔ)償過(guò)筋系數(shù)較大，然而泄漏定位誤差較大，其原因是泄漏聲波在300 kHz以上頻段分量很小，泄漏聲波信噪比太小造成。由此可以看出，距離補(bǔ)償過(guò)筋系數(shù)曲線可以為泄漏定位的濾波頻率選擇提供參考，選擇過(guò)筋系數(shù)較大且信號(hào)能量較大的濾波頻帶可提高泄漏定向準(zhǔn)確性。

表3 不同濾波頻率定向誤差Table 3 Orientation error of different filter frequency bands

5 結(jié)論

為研究加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)對(duì)泄漏聲發(fā)射信號(hào)的影響，本文對(duì)比分析了加筋板與平板中信號(hào)的時(shí)域及頻域特征，并提出了一種可以量化表征加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)對(duì)不同頻率信號(hào)影響的距離補(bǔ)償過(guò)筋系數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn):

1)加強(qiáng)筋對(duì)信號(hào)幅值有明顯的衰減作用，隨著信號(hào)經(jīng)過(guò)加強(qiáng)筋數(shù)量的增加，信號(hào)衰減越明顯。

2)該典型加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)中，距離補(bǔ)償過(guò)筋系數(shù)曲線呈梳齒狀分布，不同頻率過(guò)筋系數(shù)不同，整體上看，180 kHz以上高頻部分過(guò)筋系數(shù)明顯大于低頻部分。

3)相同頻帶下，漏孔越大，泄漏聲信號(hào)幅值越大，信噪比越大，漏孔定向誤差越小。

4)結(jié)合定向?qū)嶒?yàn)發(fā)現(xiàn)，過(guò)筋系數(shù)曲線可指導(dǎo)濾波頻率的選取，選取泄漏聲波能量較大且過(guò)筋系數(shù)較大的濾波頻率可提高定向準(zhǔn)確性。

本文研究結(jié)果對(duì)我國(guó)空間站等載人航天器在軌泄漏定位中聲波頻帶的選取具有指導(dǎo)意義。