基于聲波導(dǎo)管的熱輻射區(qū)域噪聲測試技術(shù)

齊江龍，楊美寧，咼道軍，劉時秀，范博超

（1.北京強度環(huán)境研究所； 2.首都航天機械有限公司：北京 100076）

0 引言

一般情況下，噪聲傳感器的耐高溫性能有限，因此在高溫?zé)彷椛洵h(huán)境下開展噪聲測試是一項具有相當(dāng)難度的技術(shù)工作。為實現(xiàn)高溫?zé)彷椛洵h(huán)境下噪聲載荷的測量，國外自20 世紀(jì)70 年代起就開展相關(guān)研究，主要發(fā)展形成了基于施加冷卻裝置、基于等離子體傳聲器和基于聲探管的高溫噪聲測量方法。這些技術(shù)已在高超聲速飛行器熱噪聲試驗和發(fā)動機試車中得到應(yīng)用[1-4]。

國內(nèi)近些年也逐漸開展了熱噪聲試驗技術(shù)的相關(guān)研究，但發(fā)表于公開文獻中的成果較少。在前期的熱噪聲行波管試驗中，為防止噪聲傳感器受輻射加熱損壞，采取的方法是將噪聲傳感器布置在遠(yuǎn)離試驗段輻射加熱區(qū)域的位置[5-6]。然而，隨著試驗要求的不斷提高，有時需要測量試驗段輻射加熱區(qū)域內(nèi)特定位置的噪聲響應(yīng)，則可考慮采取間接方式進行噪聲測量。

本文研究采用聲波導(dǎo)管測量高溫輻射區(qū)域噪聲載荷的技術(shù)，將聲波導(dǎo)管測試系統(tǒng)的有效測量頻率范圍拓寬到20～1000 Hz，以涵蓋典型薄壁結(jié)構(gòu)熱噪聲強度考核試驗要求。

1 聲波導(dǎo)管測試系統(tǒng)原理及初步設(shè)計

聲波導(dǎo)管測試系統(tǒng)如圖1 所示，實際測量的是聲測量通道入口處的脈動壓力P0(t)。由管道聲學(xué)的原理可知，聲波會沿著半無限管道傳播至末端，傳感器測量的是聲波傳遞了距離l后的脈動壓力。即，當(dāng)聲波導(dǎo)管入口處的壓力為P0cos(ωt)，則在時刻t，距入口的距離為x處的聲波壓力為

圖1 管道傳聲系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic of sound transmission tube

式中：a為衰減因子，是管道直徑、氣體特性和頻率的函數(shù)；b為相位因子，與聲波在沿聲波導(dǎo)管傳播過程中的相位延遲相關(guān)。由于衰減因子受管道直徑的影響，在采用管道傳聲系統(tǒng)進行噪聲測量時，應(yīng)確保管道直徑D遠(yuǎn)小于管道長度L和分析頻率上限對應(yīng)的聲波波長[5]。同時，對于實際的等橫截面、有限長度的聲波導(dǎo)管而言，聲波在傳遞至末端后不可避免地會發(fā)生反射，因此在設(shè)計聲波導(dǎo)管的聲測量通道時，應(yīng)采取措施消除反射回到傳感器連接腔處的聲波產(chǎn)生的影響，例如采用延長管延長聲管道的長度或在末端放置吸聲材料等[7]。

根據(jù)圖1 所示的管道傳聲系統(tǒng)設(shè)計的聲波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)如圖2 所示：聲波導(dǎo)管通過螺紋孔固定在行波管側(cè)壁上；行波管側(cè)壁通過循環(huán)水冷進行冷卻，以防止行波管側(cè)壁和聲波導(dǎo)管受到輻射加熱破壞；噪聲傳感器通過水套固定在聲波導(dǎo)管上。該聲波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)既有助于實現(xiàn)噪聲信號的準(zhǔn)確測量，又可使噪聲傳感器避免直接受熱輻射作用，從而維持其正常工作環(huán)境溫度。

圖2 聲波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Configuration of the acoustic waveguide

同時，聲波導(dǎo)管測試系統(tǒng)應(yīng)具有較好的動態(tài)特性，能夠在適當(dāng)范圍內(nèi)準(zhǔn)確測量頻率響應(yīng)。但從管道傳聲系統(tǒng)的工作原理可知，脈動壓力從聲波導(dǎo)管的入口傳遞到聲傳感器必然會存在一個時延。考慮到行波管噪聲試驗施加的是穩(wěn)態(tài)隨機噪聲激勵，實際測量的是統(tǒng)計平均的平穩(wěn)各態(tài)歷經(jīng)的隨機噪聲，加之聲波導(dǎo)管入口距傳感器的傳聲通道距離較短，因此對于通常的行波管噪聲試驗而言，時延的影響可以忽略；但若要準(zhǔn)確測量時域瞬態(tài)響應(yīng)，就需要進行時頻變換修正予以補償。

2 聲波導(dǎo)管聲學(xué)仿真

聲波導(dǎo)管測量通道如圖3 所示。為了對其設(shè)計合理性進行評估、優(yōu)化，采用聲學(xué)有限元法對聲波導(dǎo)管測量通道的聲學(xué)頻響特性進行分析。設(shè)計聲波導(dǎo)管的測量通道直徑D為3 mm，噪聲傳感器水套距離聲波導(dǎo)管測量端口的距離為45 mm，聲波導(dǎo)管通過連接延長管消除聲反射。對于延長管而言，若建成全尺寸的模型則對建模分析的要求過高；而由前文分析可知，若延長管足夠長，由末端反射回來的聲波對測量的影響可以忽略。因此，在距入口100 mm 處定義一個全吸聲屬性來模擬無反射邊界（設(shè)置聲阻抗ρ0c=416.5 kg/ (m2·s)）。用于分析聲波導(dǎo)管的無限長延長管模型如圖4 所示。

圖3 聲波導(dǎo)管測量通道Fig.3 Measurement channel of the acoustic waveguide

圖4 考慮延長管的聲波導(dǎo)管測量通道Fig.4 Measurement channel of the acoustic waveguide with extension tube

為分析延長管對測量的影響，建立無延長管的聲波導(dǎo)管測量通道聲學(xué)有限元模型，在聲波導(dǎo)管的出口處建立聲學(xué)網(wǎng)格以及無限元模型，如圖5 所示。

在聲波導(dǎo)管入口處施加壓力邊界條件，分別求解考慮和不考慮延長管2 種模型中傳感器處的直接頻響函數(shù)，測量聲波導(dǎo)管傳感器測量面的噪聲響應(yīng)。從圖6 的仿真結(jié)果可以看出，若不安裝延長管，聲波導(dǎo)管測試系統(tǒng)在1500 Hz 附近出現(xiàn)一個明顯的共振頻率，且在1000 Hz 以下測量出來的噪聲響應(yīng)小于實際聲壓響應(yīng)；而對于安裝了延長管的測試系統(tǒng)，在1000 Hz 以下系統(tǒng)測量值與實際測量值基本相同，在1000 Hz 以上有輕微的響應(yīng)放大，但實際響應(yīng)很小且可忽略。以上表明，有延長管的聲波導(dǎo)管可實現(xiàn)20～1000 Hz 頻率范圍內(nèi)的有效測量，滿足設(shè)計要求。

圖6 聲波導(dǎo)管傳感器位置處的響應(yīng)Fig.6 Response at acoustic waveguide sensor location

3 試驗驗證與分析

3.1 聲波導(dǎo)管常溫驗證試驗

為驗證聲波導(dǎo)管設(shè)計以及仿真分析方法的有效性，確定聲波導(dǎo)管的有效測量頻率范圍，設(shè)計并開展了常溫狀態(tài)下的行波管噪聲測試驗證試驗。

試驗工裝如圖7 所示，試驗工裝與行波管側(cè)壁連接（見圖8）。在行波管的同一橫截面上分別布置基于聲波導(dǎo)管的測試系統(tǒng)和常溫傳統(tǒng)噪聲傳感器，采集同一時刻下、相同橫截面處的噪聲響應(yīng)。由行波管的聲場特性可知，單路行波管具有良好的均勻性，同一橫截面上的聲場相同，故可將傳統(tǒng)噪聲傳感器的測量值作為實際聲壓的標(biāo)定值。

圖7 行波管噪聲測試試驗工裝Fig.7 Fixture of progressive wave tube for noise measurement

圖8 試驗工裝細(xì)節(jié)放大（行波管外側(cè)）Fig.8 Enlarged details of fixture (outer side of the progressive wave tube)

聲波導(dǎo)管常溫驗證試驗按有延長管、無延長管2 個狀態(tài)依次開展。以傳統(tǒng)聲傳感器的測量值P2為基準(zhǔn)，評價基于聲波導(dǎo)管（測量值為P1）的測量效果，結(jié)果如圖9 所示。

圖9 有無延長管聲波導(dǎo)管測試系統(tǒng)常溫試驗結(jié)果對比Fig.9 Comparison of room temperature test results of acoustic waveguide test system with and without extension tube

從試驗結(jié)果可以看出：對于有延長管的聲波導(dǎo)管測試系統(tǒng)，測量值在20～1000 Hz 頻率范圍內(nèi)與基準(zhǔn)值一致性較好，說明聲波導(dǎo)管測試系統(tǒng)能夠有效實現(xiàn)行波管聲場的測量；對于無延長管的聲波導(dǎo)管測試系統(tǒng)，在20～1000 Hz 范圍內(nèi)，系統(tǒng)測量值與基準(zhǔn)值的譜型趨勢具有較好的相似性，但測量值低于基準(zhǔn)值。試驗結(jié)果驗證了數(shù)值分析結(jié)果，證明聲波導(dǎo)管的延長管對保證準(zhǔn)確測量的作用是不可忽略的。

3.2 熱噪聲考核試驗

為考核聲波導(dǎo)管測試系統(tǒng)對熱噪聲試驗的環(huán)境適應(yīng)性，除常溫試驗外，還開展了高溫狀態(tài)下的行波管噪聲試驗，即熱噪聲試驗。在薄板熱噪聲試驗中應(yīng)用聲波導(dǎo)管測試系統(tǒng)測量試驗段熱輻射區(qū)域的聲場響應(yīng)，試驗狀態(tài)如圖10 所示，聲波導(dǎo)管測試系統(tǒng)的安裝位置直接受到石英燈加熱系統(tǒng)輻射加熱，測試環(huán)境十分惡劣。為與常溫噪聲試驗進行測試結(jié)果對比分析，熱噪聲試驗中的噪聲加載與常溫試驗時的相同。

圖10 熱噪聲考核試驗聲波導(dǎo)管安裝狀態(tài)Fig.10 Installation state of acoustic waveguide in thermal acoustic evaluation test

在熱噪聲試驗中，試驗件的實測最高溫度為700 ℃，行波管試驗段熱輻射區(qū)域的實測聲場總聲壓級為160.25 dB，聲場功率譜密度響應(yīng)譜如圖11所示。對比發(fā)現(xiàn)，熱噪聲測量數(shù)據(jù)與常溫噪聲試驗測試結(jié)果一致性較好，說明聲波導(dǎo)管測試系統(tǒng)能在熱噪聲環(huán)境下正常工作。試驗后對傳感器進行詳細(xì)檢查并對傳感器的靈敏度進行標(biāo)定，結(jié)果顯示為正常，說明聲波導(dǎo)管測試系統(tǒng)能夠經(jīng)受住700 ℃的熱噪聲試驗考核。

圖11 聲波導(dǎo)管測試系統(tǒng)的熱噪聲考核試驗聲場測量結(jié)果Fig.11 Acoustic field measurement results of thermal acoustic test for acoustic waveguide test system

4 結(jié)束語

本文從熱噪聲試驗段熱輻射區(qū)域內(nèi)聲場測量的需求出發(fā)，在管道傳聲原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合聲學(xué)有限元技術(shù)設(shè)計了聲波導(dǎo)管測試系統(tǒng)并應(yīng)用到熱噪聲試驗中，通過試驗結(jié)果驗證了該測試系統(tǒng)設(shè)計的合理性以及數(shù)值仿真方法的有效性，也為后續(xù)優(yōu)化聲波導(dǎo)管的測量方案提供了研究基礎(chǔ)。

后續(xù)需要進一步開展的工作包括：優(yōu)化聲波導(dǎo)管傳聲管道，進而提升有效測量頻率的上限；開展時域瞬態(tài)響應(yīng)修正方法的相關(guān)研究。