振動(dòng)-噪聲復(fù)合試驗(yàn)控制技術(shù)研究

（中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621900）

空間飛行器再入飛行過(guò)程中，氣流脈動(dòng)會(huì)形成強(qiáng)烈的振動(dòng)、噪聲環(huán)境[1-2]，振動(dòng)與噪聲載荷可能對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生明顯影響[3]，由此影響到裝備的安全性和可靠性。因此，在實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)飛行器再入環(huán)境對(duì)提高裝備的安全性和可靠性有重要意義。在以往研制工作中，產(chǎn)品的地面環(huán)境考核大多采用振動(dòng)、噪聲單項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)的方式[4]，其中以振動(dòng)試驗(yàn)考核為主，單項(xiàng)試驗(yàn)較好地滿足了以往型號(hào)研制的需求。隨著人們認(rèn)識(shí)的深入、試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)產(chǎn)品綜合性能要求的提高，對(duì)環(huán)境試驗(yàn)考核模擬的真實(shí)性提出了更高的要求。另一方面，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加精細(xì)化、集成化，因此有必要在產(chǎn)品研制過(guò)程中考慮振動(dòng)、噪聲復(fù)合環(huán)境對(duì)其產(chǎn)生的影響。

近年來(lái)，為提高地面模擬試驗(yàn)的有效性，國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)飛行器再入環(huán)境實(shí)驗(yàn)室模擬及仿真方法開(kāi)展了研究。其中振動(dòng)-噪聲復(fù)合試驗(yàn)方法是研究的熱點(diǎn)之一，該方法可有效解決實(shí)驗(yàn)室模擬低頻能量（2000 Hz 以下）和高頻能量（2000 Hz 以上）同時(shí)加載問(wèn)題。文獻(xiàn)[5—7]中給出了部分振動(dòng)-噪聲復(fù)合試驗(yàn)結(jié)果，并通過(guò)與單項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)復(fù)合試驗(yàn)方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

試驗(yàn)控制技術(shù)是復(fù)合試驗(yàn)實(shí)施的關(guān)鍵。文中通過(guò)試驗(yàn)的方法，對(duì)振動(dòng)-噪聲復(fù)合試驗(yàn)控制中的一些問(wèn)題進(jìn)行了探討，可為此類試驗(yàn)的實(shí)施提供參考。

1 振動(dòng)-噪聲復(fù)合試驗(yàn)控制原理

振動(dòng)試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過(guò)一定等效準(zhǔn)則和技術(shù)手段模擬產(chǎn)品實(shí)際工況下所受的振動(dòng)環(huán)境（或環(huán)境效應(yīng)），以鑒定產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性，驗(yàn)證產(chǎn)品的力學(xué)、電氣性能是否符合設(shè)計(jì)要求?？刂苹驹硎强刂破魈峁┑尿?qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈產(chǎn)生振動(dòng)，動(dòng)圈將振動(dòng)傳遞給夾具和被試產(chǎn)品，同時(shí)控制傳感器將控制點(diǎn)處的加速度響應(yīng)信號(hào)反饋給控制器，控制器經(jīng)過(guò)譜分析并將結(jié)果與試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)譜進(jìn)行對(duì)比，調(diào)整輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使控制點(diǎn)處響應(yīng)滿足規(guī)定的要求。

噪聲試驗(yàn)同樣是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過(guò)一定等效準(zhǔn)則和技術(shù)手段模擬產(chǎn)品實(shí)際工況下所受的噪聲環(huán)境（或環(huán)境效應(yīng)）?？刂苹驹硎强刂破鳟a(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，并輸出至氣流調(diào)制器（電聲換能器），具有一定壓力的氣源流經(jīng)調(diào)制產(chǎn)生高聲強(qiáng)、寬頻帶的噪聲源。噪聲源經(jīng)過(guò)喇叭輻射激勵(lì)混響聲空間，造成模擬的擴(kuò)散聲場(chǎng)。聲場(chǎng)的總聲壓級(jí)和聲壓級(jí)譜通過(guò)傳聲器測(cè)量輸出至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再根據(jù)輸出聲壓譜形，調(diào)整對(duì)氣流調(diào)制器的輸出信號(hào)。

振動(dòng)-噪聲復(fù)合試驗(yàn)則同時(shí)給被試產(chǎn)品施加振動(dòng)和噪聲激勵(lì)，其中振動(dòng)載荷主要提供低頻振動(dòng)激勵(lì)，噪聲載荷主要提供高頻激勵(lì)，通過(guò)二者組合給被試件提供全頻帶的考核，有效避免單項(xiàng)試驗(yàn)中部分頻帶欠試驗(yàn)或過(guò)試驗(yàn)。其控制基本原理與單項(xiàng)試驗(yàn)相同。

2 控制載荷特征分析

振動(dòng)-噪聲復(fù)合試驗(yàn)即給被試產(chǎn)品同時(shí)施加振動(dòng)與噪聲兩種載荷，振動(dòng)與噪聲兩種載荷的有一定的相似性，但二者又有明顯區(qū)別，主要區(qū)別在于以下幾個(gè)方面。

1）載荷傳遞路徑差異。振動(dòng)試驗(yàn)中，載荷傳遞基本路徑為振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈—夾具—被試產(chǎn)品[8]，由于受傳遞路徑上各環(huán)節(jié)動(dòng)力學(xué)特性的影響，傳遞過(guò)程中在共振頻段會(huì)有明顯放大，共振頻率以上的頻段則開(kāi)始衰減。噪聲試驗(yàn)中，噪聲載荷以波的形式，通過(guò)空氣傳播，直接施加在被試品表面，沒(méi)有其他傳遞結(jié)構(gòu)存在，這樣載荷的高頻能量不會(huì)出現(xiàn)明顯衰減。

2）能量輸入方式差異。振動(dòng)試驗(yàn)中，振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)夾具及被試品，能量輸入類似質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)，能量輸入與系統(tǒng)的頻響特性相關(guān)，與被試品表面積大小無(wú)關(guān)。噪聲試驗(yàn)中，載荷能量是通過(guò)被試品外表面?zhèn)魅?，在相同的噪聲載荷作用下，噪聲載荷輸入的能量與表面積成正比[9]。

3）激勵(lì)能量隨頻率分布情況不同。振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，受設(shè)備能力的限制，激勵(lì)頻率范圍通常在3000 Hz 以下，且高頻能量在傳遞過(guò)程中存在衰減，因此有可能在高頻段出現(xiàn)欠試驗(yàn)。噪聲載荷頻率范圍通常在50～8000 Hz[10]，但由于混響室自身特性的限制，在低頻段能量較少，因此在低頻段可能出現(xiàn)欠試驗(yàn)。

3 振動(dòng)、噪聲載荷對(duì)試驗(yàn)控制影響研究

3.1 振動(dòng)臺(tái)運(yùn)行噪聲對(duì)噪聲試驗(yàn)控制影響

使用振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，其運(yùn)行噪聲總聲壓級(jí)可達(dá)120 dB，在振動(dòng)-噪聲復(fù)合試驗(yàn)中，若在某些頻段振動(dòng)臺(tái)運(yùn)行噪聲的聲壓級(jí)過(guò)高，可能會(huì)造成噪聲試驗(yàn)的控制超差。為此，實(shí)測(cè)了某錐殼結(jié)構(gòu)在3 種頻率范圍隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)的運(yùn)行噪聲，試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。

表1 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件Tab.1 Test levels of the random vibration test

3 種試驗(yàn)條件下，振動(dòng)臺(tái)運(yùn)行噪聲測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2（試驗(yàn)時(shí)噪聲按1/3 倍頻程測(cè)試，由于數(shù)據(jù)量較大，表2 中按倍頻程給出部分頻帶數(shù)據(jù)）。從表2 中的數(shù)據(jù)可以看出，不同的試驗(yàn)條件，噪聲響應(yīng)譜圖差異較大，但總體來(lái)看，噪聲能量分布情況與振動(dòng)試驗(yàn)條件頻率范圍分布基本一致。振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，運(yùn)行噪聲還與被試產(chǎn)品及夾具安裝相關(guān)，因此表2 中的數(shù)據(jù)可能無(wú)法代表振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行時(shí)噪聲的最高值，但根據(jù)實(shí)驗(yàn)室多年運(yùn)行記錄，大部分振動(dòng)試驗(yàn)運(yùn)行噪聲不超過(guò)120 dB。

表2 振動(dòng)臺(tái)運(yùn)行噪聲與噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜對(duì)比Tab.2 The comparison between the running noise of the vibration table and the standard acoustic spectrum

GJB 150.17A—2009 和MIL-STD-810F 中均給出了明確的指導(dǎo)意見(jiàn)：若產(chǎn)品在預(yù)期的使用環(huán)境中的噪聲載荷全頻帶內(nèi)的總聲壓級(jí)低于130 dB 或在每個(gè)1/3倍頻程上的聲壓級(jí)低于100 dB，則該產(chǎn)品研制過(guò)程中可以無(wú)需噪聲試驗(yàn)考核。

從表2 還可以看出，振動(dòng)臺(tái)運(yùn)行噪聲均比噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜低10 dB 以上，很多頻段超過(guò)20 dB，總聲壓級(jí)差異則在15 dB 以上。將dB 轉(zhuǎn)換為線性坐標(biāo)，可得振動(dòng)臺(tái)運(yùn)行噪聲為115 dB 時(shí)，其聲載荷總能量約為130 dB 標(biāo)準(zhǔn)聲譜的3%。

噪聲試驗(yàn)過(guò)程中，若試驗(yàn)條件總聲壓級(jí)130 dB，此時(shí)振動(dòng)臺(tái)開(kāi)始運(yùn)行，運(yùn)行噪聲120 dB，全頻段上總聲壓級(jí)增量約為0.41 dB。因此，即使不考慮噪聲控制器的均衡能力，振動(dòng)臺(tái)運(yùn)行噪聲對(duì)噪聲控制所產(chǎn)生的總聲壓級(jí)增量也在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允差以內(nèi)。由此可見(jiàn)，振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行噪聲對(duì)噪聲試驗(yàn)控制無(wú)明顯影響。

3.2 噪聲載荷對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)控制的影響

振動(dòng)試驗(yàn)控制原理是先將控制點(diǎn)處的加速度響應(yīng)信號(hào)反饋給控制器，控制器將該信號(hào)處理后與試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)譜進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果調(diào)整控制器輸出，最終達(dá)到滿意的控制結(jié)果。若在噪聲載荷作用下，控制點(diǎn)處的加速度響應(yīng)較大，會(huì)導(dǎo)致控制超差。

總聲壓級(jí)150 dB 噪聲場(chǎng)中實(shí)測(cè)2 塊剛度差異較大的安裝板上的加速度響應(yīng)情況如圖1 所示。從圖1中可以看出，剛度較大的安裝板一階共振頻率約745 Hz，響應(yīng)峰值低于0.003g2/Hz；剛度較小的安裝板一階共振頻率670 Hz，響應(yīng)峰值超過(guò)60g2/Hz。

選擇剛度較大的安裝板上的測(cè)點(diǎn)作為振動(dòng)控制點(diǎn)，有、無(wú)噪聲場(chǎng)（總聲壓級(jí)150 dB）控制譜圖對(duì)比如圖2 所示。從圖2 中可以看出，噪聲場(chǎng)對(duì)振動(dòng)控制的影響基本可以忽略。若選擇剛度較小的安裝板上的測(cè)點(diǎn)作為振動(dòng)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)明顯超差，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致停機(jī)或控制器無(wú)法啟動(dòng)。

圖1 不同剛度兩塊安裝板在150dB 噪聲載荷作用下的響應(yīng)Fig.1 Acceleration responses of two panel in noise level of 150 dB

圖2 鋼板上的測(cè)點(diǎn)作為控制點(diǎn)時(shí)有、無(wú)噪聲場(chǎng)控制譜圖對(duì)比Fig.2 The comparison of the vibration control spectrum when the acoustic is on or off

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，控制點(diǎn)處的剛度不同，在噪聲載荷作用下的加速度響應(yīng)有很大差異?？刂泣c(diǎn)所在位置剛度越大，噪聲載荷對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)控制的影響越小。因此在振動(dòng)-噪聲符合試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需合理選擇振動(dòng)控制點(diǎn)位置。

3.3 噪聲對(duì)控制傳感器的影響

目前大部分振動(dòng)試驗(yàn)，其測(cè)量的范圍為 10～2000 Hz，而噪聲載荷的頻率范圍為50～10 000 Hz，二者有較大的重疊，噪聲載荷會(huì)影響加速度傳感器的測(cè)量精度。

將加速度傳感器懸掛在混響室內(nèi)進(jìn)行噪聲試驗(yàn)，測(cè)量加速度傳感器對(duì)噪聲載荷的直接響應(yīng)。試驗(yàn)分別采用壓電式和電荷加速度，傳感器響應(yīng)總均方根值見(jiàn)表3。從表3 中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，兩種傳感器對(duì)噪聲載荷均有一定的直接響應(yīng)，響應(yīng)量級(jí)無(wú)明顯差異，噪聲量級(jí)越高，傳感器響應(yīng)越大。因此，在高量級(jí)噪聲場(chǎng)中使用的振動(dòng)傳感器應(yīng)盡量采取降噪措施。

振動(dòng)加速度傳感器測(cè)量的頻率范圍與噪聲載荷有較大重疊，因此加速度傳感器在噪聲場(chǎng)中不可避免地受到影響。但由于噪聲載荷的特征和振動(dòng)加速度傳感器的頻響特性均很難改變，因此這種影響很難消除，只能盡量降低。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，傳感器對(duì)噪聲載荷的直接響應(yīng)隨著噪聲量級(jí)降低而降低，因此較為可行的辦法是降低傳感器所處位置的噪聲量級(jí)。

表3 加速度傳感器在噪聲場(chǎng)中的響應(yīng)均方根值Tab.3 The RMS of the response of the acceleration sensors in acoustic field

較為常用且有效的降噪方法為隔聲，即將傳感器所處位置與噪聲場(chǎng)隔開(kāi)。經(jīng)實(shí)測(cè)，150 dB 外聲場(chǎng)經(jīng)5 mm 厚錐殼后衰減26 dB，經(jīng)3 mm 厚錐殼后衰減21 dB。實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，受安裝空間限制，通常無(wú)法給傳感器單獨(dú)加隔離罩以降低噪聲，較為可行的是在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)盡量將測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)在試件內(nèi)部，通過(guò)試件（或殼體）本身達(dá)到降噪目的。

4 結(jié)論

文中通過(guò)理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)控制技術(shù)進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

1）振動(dòng)-噪聲復(fù)合試驗(yàn)過(guò)程中，振動(dòng)臺(tái)運(yùn)行噪聲對(duì)噪聲控制的影響很小，基本可以忽略。

2）控制點(diǎn)處的剛度不同，在噪聲載荷作用下的加速度響應(yīng)有很大差異?？刂泣c(diǎn)所在位置剛度越大，噪聲載荷對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)控制的影響越小。因此在振動(dòng)-噪聲符合試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需合理選擇振動(dòng)控制點(diǎn)位置。

3）復(fù)合試驗(yàn)中，加速度傳感器測(cè)量本底會(huì)因噪聲載荷的存在而增大，這種影響只能盡量降低。對(duì)于振動(dòng)-噪聲復(fù)合試驗(yàn)，應(yīng)在試驗(yàn)設(shè)計(jì)階段盡量將振動(dòng)控制點(diǎn)設(shè)置在產(chǎn)品內(nèi)部以降低噪聲載荷的影響。