直接聲場仿真與試驗技術(shù)研究

馬蕾 何斌 焦艷梅 宋之愷

(1 上海衛(wèi)星裝備研究所 上海 200240, 2 南京理工大學發(fā)射動力學研究所 南京 210094; 3 南京工業(yè)大學數(shù)理科學學院 南京 211816）

0 引言

隨著運載火箭和衛(wèi)星的發(fā)射以及飛行器關(guān)鍵性的振動源的識別發(fā)展，聲環(huán)境與聲試驗逐漸被重視，聲環(huán)境試驗的設(shè)計概念也逐漸走向成熟。衛(wèi)星聲試驗已成為模擬聲致振動環(huán)境的最好試驗方法，并展示出了廣闊的應(yīng)用前景。目前，常用已發(fā)展成熟的混響聲場試驗模擬航天器的發(fā)射環(huán)境，檢驗衛(wèi)星承受噪聲場的能力并發(fā)現(xiàn)缺陷。但該技術(shù)對封閉的試驗場地與喇叭等試驗設(shè)備有嚴格要求。需要建造專門的混響室和復雜的氣源、聲源以及測控設(shè)備才能實現(xiàn)用寬帶聲源激勵產(chǎn)生的擴散聲場。試驗設(shè)備需要大規(guī)模的氣源系統(tǒng)（圖1所示），試驗設(shè)備建造周期長，造價高。

圖1 混響聲場試驗系統(tǒng)示意圖 Fig.1 The reverberation chamber test system

以上試驗方法，試驗產(chǎn)品需要運輸、夾具設(shè)計與制造、試驗件安裝、液氮加注、氣源加壓與穩(wěn)定等工作，同時試驗成本高，大型噪聲試驗需要消耗數(shù)十萬聲瓦的聲能，需要消耗大量液氮、輔助水以及電能[1-5]。直接聲場是一種可用于航天航空結(jié)構(gòu)和部件新型聲學測試的試驗技術(shù)。該方法使用均勻布置在測試產(chǎn)品周圍的電動揚聲器，以在被測單元的表面處產(chǎn)生漫射且良好控制的直接聲場。直接聲場試驗主要由電動揚聲器陣列、功率放大器、控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等系統(tǒng)組成[6-8]。美國Maryland Sound International（MSI）公司，先后對聲放大器進行改進并對聲場進行優(yōu)化，通過對不同頻段揚聲器進行優(yōu)化和布置，可實現(xiàn)航天器不同頻率范圍和高聲強試驗測試要求[9,10]。表1為直接聲場試驗的發(fā)展歷程。為了提高地面力學環(huán)境試驗的效率、縮短試驗周期、降低試驗成本，直接聲場試驗技術(shù)近年來得到國內(nèi)外廣泛關(guān)注。直接聲場試驗作為一項新型的噪聲試驗技術(shù)，具有方便快捷、成本低優(yōu)點，已經(jīng)越來越多的在歐美航天器噪聲試驗中進行應(yīng)用。受揚聲器陣列、控制技術(shù)、試驗件以及傳聲器等因素的影響，直接聲場試驗技術(shù)的發(fā)展尚未成熟，仍有諸多問題需要深入研究。我國對于直接聲場試驗僅處于起步摸索階段，在揚聲器陣列的布置、聲場空間尺寸、試驗室邊界影響、高聲壓級能力等方面需進一步研究[11-15]。

以衛(wèi)星地面力學環(huán)境試驗技術(shù)為基礎(chǔ)，開展直接聲場模擬試驗技術(shù)與噪聲試驗有效性分析研究。通過建立直接聲場三維模型，實現(xiàn)了不同頻率下的直接聲場聲壓仿真，得到了聲壓隨頻率變化的關(guān)系；設(shè)計并搭建直接聲場試驗系統(tǒng)，進行試驗對比驗證，探討了直接聲場與混響聲場等效性與響應(yīng)一致性。為衛(wèi)星噪聲試驗、聲振聯(lián)合試驗提供高效的可靠的噪聲試驗解決方案和技術(shù)支撐。

表1 直接聲場試驗技術(shù)發(fā)展歷程 Table 1 The development of direct field test technology

1 直接聲場模型與算法

聲場以一個聲壓變量p描述，并以波動方程求解

式中，t表示時間，ρ0為空氣密度，c聲速，?為拉普拉斯算子。

通過傅里葉變換，諧波解的一般形式：p(x,t)=p(x)sin(wt)，空間項p(x)與時間項sin(wt)是分離的，壓力復數(shù)表示為p(x,t)=p(x)eiwt。實際瞬時聲壓為p(x,t)=p(x)eiwt的實部，瞬時波動方程變換為Helmholtz方程[4,6]為

聲場控制方程為

式中，k為波數(shù)，，t表示時間，ρc為空氣密度，c聲速，Pc=P+Pb。

地面方程

音箱立面方程

通過聲壓幅值相對于標準差來評估聲場的均勻性。

環(huán)境壓力場節(jié)點對環(huán)境/入射壓力波進行建模，研究散射壓力場ps，其定義為總聲壓pt與環(huán)境壓力場pb之差

式中，n是數(shù)據(jù)的總數(shù)，pi為第i個聲壓數(shù)據(jù)，為聲壓平均值，即。

在半消聲室中進行直接聲場測試，將聲源布置一定高度，地面為反射面，進行半自由聲場測試。點聲源向自由聲場輻射聲能的條件下，距離聲源r米處的聲壓級為

式中，Lp為聲源聲功率，r為距離聲源的距離。

在半自由聲場條件下，若聲源置于地面向無限大空間輻射聲能，則

多尺度分析是小波變換的主要特點，可在頻率域?qū)D像分解為低頻部分和高頻部分。在低頻部分，分解的小波系數(shù)數(shù)目較少但幅值較大，主要對應(yīng)圖像的有用信息。高頻部分所對應(yīng)的小波系數(shù)數(shù)目較多但幅值相對較小，主要對應(yīng)于圖像的噪聲信息。圖像小波去噪就是判斷分解后小波系數(shù)幅值的大小，設(shè)定一個合理的閾值對小波系數(shù)進行判斷從而達到去除圖像噪聲的目的。

GB/T 6882-2008和ISO 3745-2003對消聲室自由聲場進行了規(guī)定[16]。

2 直接聲場試驗系統(tǒng)設(shè)計方案

為了與試驗狀態(tài)保持一致，直接聲場仿真，由3組音箱陣列共同作用產(chǎn)生，每個音箱陣列由三個獨立音箱垂直疊加而成，音箱陣列間夾角互為120o，且音箱陣列正面距中心位置為1 m。在每個聲陣列前方以及中心位置布置傳聲器，方向?qū)手行?。本仿真模擬所使用的音箱型號為AT TFA105。直接聲場模擬系統(tǒng)示意圖，如圖2所示。

3 直接聲場仿真與試驗驗證

3.1 仿真結(jié)果

直接聲場試驗模擬采用聲壓控制方程（3）和環(huán)境壓力場方程（6）。應(yīng)用邊界條件定義產(chǎn)生聲源的三個矩形立面，如圖3所示，“聲音硬邊界（墻面）”定義地面，“遠場計算”定義其余四個與虛擬面，模擬在半消聲室內(nèi)的聲學環(huán)境。對于聲壓數(shù)值模擬最大網(wǎng)格尺寸應(yīng)小于等于λ/N，其中N可取5到10，由于步長λ與頻率成反比關(guān)系，本數(shù)值模擬中的網(wǎng)格劃分隨聲頻的變化而改變。

圖2 直接聲場試驗系統(tǒng)示意圖 Fig.2 Direct field acoustic testing system

圖3 數(shù)值模型 Fig.3 Numerical model

圖4 總聲壓場 Fig.4 Total acoustic pressure field

在聲速c0取343 m/s，λ0=c0/f0為3.43m，Nacc=6.5m/s2。如圖4所示，頻率為31.5Hz、250Hz、1000Hz、2000Hz時的總聲壓場。

圖5 表面聲壓級 Fig.5 Surface sound pressure level

圖6 切面聲壓級Fig.6 Section sound pressure level

如圖5、圖6所示，仿真得到頻率31.5Hz、250Hz、1000Hz、2000Hz表面聲壓級與切面聲壓級。

仿真分析獲得不同頻率下的總聲壓、表面聲壓以及切面聲壓，可以看出隨著頻率的增加，聲場的均勻性更好。這樣將被測物至于中心位置，隨著頻率增加，聲場更加均勻，聲陣列的邊緣效應(yīng)影響越小，與混響聲場的一致性越好。如表2所示，仿真與給定試驗條件的聲壓偏差最大2dB，一致性比較好。

表2 直接聲場仿真與試驗條件偏差Table2 The deviation of direct acoustic field simulation and test condition

3.2 直接聲場控制方法

直接聲場試驗控制方法，采用多點平均控制策略，假設(shè)系統(tǒng)傳遞函數(shù)，輸入輸出功率譜的關(guān)系為，要使系統(tǒng)響應(yīng)滿足試驗要求，則，則驅(qū)動功率譜需滿足：，閉環(huán)反饋控制可采用修正驅(qū)動信號來減少偏差的修正方法，直接修正驅(qū)動的頻域幅值進行比較修正。比較輸出響應(yīng)頻譜與參考頻譜的差異，得到每個譜線的修正系數(shù)[17-20]。修正下一時段驅(qū)動譜，進行循環(huán)迭代

頻域上，輸入與輸出關(guān)系

功率譜定義為傅里葉變換的相關(guān)矩陣，通過傅里葉變換得

輸入輸出功率譜矩陣變換得

直接聲場試驗MIMO控制算法，目標譜矩陣為得

3.3 直接聲場試驗

直接聲場噪聲試驗在消聲室中進行，噪聲試驗條件如表2所示。采用PCB聲傳感器三支，靈敏 度 分 別 為0.959mV/Pa，0.821mV/Pa，0.989mV/Pa，M+P聲場控制系統(tǒng)一套。直接聲場試驗如圖7所示。從-9dB（表示比正式試驗條件的總聲壓級低9dB）開始加載，以3dB為步長逐級加載至正式試驗條件，并持續(xù)至規(guī)定時間。聲場控制數(shù)據(jù)每隔6秒記錄1次。

圖7 衛(wèi)星直接聲場試驗圖 Fig.7 Direct field acoustic test of satellite

圖8給出了直接聲場控制聲譜，直接聲場最大聲壓級達到了130dB，聲譜控制最大偏差1.6dB，小于3dB，滿足試驗要求。如表3所示，給出了直接聲場試驗不同測點的聲壓級，出現(xiàn)了“過試驗”與“欠試驗”，主要由于設(shè)備受限，僅能建立3個揚聲器陣列搭建直接聲場試驗系統(tǒng)。若增加揚聲器陣列個數(shù)，減少陣列間空隙，可改善聲場的均勻性。

圖8 直接聲場試驗控制聲譜Fig.8 The control spectrum of direct field acoustic test

表3 直接聲場均勻性Table3 The uniformity of direct acoustic field test

表4 加速度響應(yīng)偏差 Table 4 The deviation of acceleration response

Y 4.56 5.94 1.38 Z 2.04 1.78 0.26 3 X 0.43 0.42 0.01 Y 0.37 0.29 0.08 Z 0.27 0.18 0.09 4 X 0.31 0.3 0.01 Y 0.28 0.25 0.03 Z 0.32 0.37 0.05

3.4 混響聲場試驗

混響室內(nèi)部的噪聲是由聲源系統(tǒng)產(chǎn)生的，它由大功率的氣流調(diào)制式換能器經(jīng)指數(shù)喇叭與混響室匹配，把聲能送入混響室，該換能器的動作由控制系統(tǒng)的電信號進行控制，并由大流量的增壓氣體提供能量。依據(jù)表1聲場試驗條件，在1100m3混響室內(nèi)進行混響聲場試驗，采用PCB聲傳感器三支進行聲信號采集，M+P聲場控制系統(tǒng)一套，ENSG-20000-500電氣換能器一套，YE5876功放一臺。

圖9給出了混響聲場的控制聲譜，表4給出了兩種試驗方法測點響應(yīng)的對比結(jié)果，測點響應(yīng)偏差大多出現(xiàn)在Y 方向，最大為1.41g，主要由于測點布置在聲陣列中心位置，出現(xiàn)響應(yīng)偏大于混響聲場的響應(yīng)。

圖9 混響聲場試驗控制聲譜 Fig.9 The control spectrum of reverberation chamber test

4 結(jié)論

本文開展了衛(wèi)星直接聲場試驗技術(shù)研究，通過進行直接聲場仿真分析，設(shè)計了直接聲場試驗方案，實現(xiàn)了試驗系統(tǒng)搭建，在同等噪聲試驗條件下，將衛(wèi)星結(jié)構(gòu)分別通過混響聲場試驗與直接聲場試驗，進行對比噪聲試驗驗證，通過聲譜控制曲線驗證了聲場的一致性與有效性。

后續(xù)將對直接聲場均勻性開展研究，進一步增加揚聲器陣列并對位置布局進行優(yōu)化設(shè)計，模擬高聲壓均勻直接聲場。為衛(wèi)星噪聲試驗、聲振聯(lián)合試驗提供高效可靠的噪聲試驗解決方案和技術(shù)支撐。