高聲強聲場模擬裝置設計與聲試驗1/3倍頻程控制技術研究

劉大志，朱子宏，張俊剛，晏廷飛，向樹紅

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高聲強聲場模擬裝置設計與聲試驗1/3倍頻程控制技術研究

劉大志，朱子宏，張俊剛，晏廷飛，向樹紅

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

為了提高混響室聲場模擬能力，北京衛星環境工程研究所自研一套高聲強聲場模擬試驗設備。文章介紹了該設備的行波管發聲系統設計和消聲降噪處理過程——行波終端設計以及聲試驗控制儀器的原理。經過調試試驗驗證，測量結果滿足聲壓級165 dB行波聲場的要求，行波管試驗段性能良好，達到167.9 dB，消聲道出口噪聲能夠滿足環境模擬需求。

高聲強聲場；行波管；1/3倍頻程；消聲降噪

0 引言

目前混響場試驗方法是大型航天器地面聲振環境模擬試驗的主要方法。對照國外的混響室設備指標和噪聲試驗，我國的混響室容積水平與之相差不大，但是在總聲壓級和控制精度上距離國外先進水平還有一定差距，如美國早在“阿波羅”探月工程中的噪聲試驗量級就已達到了165dB[1]。而我國混響室聲場模擬能力的最大總聲壓級經不斷改進提升，目前可以達到157dB。

我國航天器的多元化發展（如載人航天器、深空探測衛星及高軌道衛星等）對地面聲試驗模擬能力要求越來越高。另外，載人航天器的返回艙、返回式衛星在再入過程中以及航天器在發射過程中因故障而逃逸時都有暴露于大氣中的高速運動，在

這些情況下，勢必經歷高聲強的聲學環境[1]。

因此，為提升我國航天器聲試驗能力，滿足未來航天任務的需要，有必要研制一套總聲壓級能達到165dB甚至更高的具有高聲強模擬能力的噪聲試驗設備。本文對高聲強聲場模擬系統進行研究，結合北京衛星環境工程研究所的現有設備和未來的航天器環境試驗需求，設計了一套具高聲強模擬能力的噪聲試驗設備。

1 行波管硬件設計

1.1 喇叭設計

在換能器和行波試驗段間，通常用指數喇叭進行匹配，以達到理想的電、氣聲效率。喇叭截面積為[2]

=0e， (1)

式中：0為喇叭喉部截面面積，mm2；為喉部至擴充段的軸向距離，mm；為蜿展常數，

=4π0/， (2)

其中0為喇叭的下限截止頻率（Hz），為空氣中的聲波速度（m/s）。

1.2 行波試驗段設計

行波試驗段聲場應符合平面波條件，在設計中應充分考慮行波管試驗段的模態頻率及截止頻率。以矩形截面行波管為例，其模態頻率為[3]

式中：為行波管試驗段模態頻率，Hz；l、l為行波試驗段橫向尺寸，m；n、n為整數，= 0,1,2,…,；c為介質聲速，m/s。

設l＞l，則行波管的截止頻率=/(2l)。當行波試驗段的頻率小于該頻率時，管中聲波為平面波；否則，會出現橫向駐波。

為滿足行波管中聲壓級沿縱向可變，其橫截面積應作相應改變。遵循的規律是：聲壓平方與截面乘積保持常數。但管截面不宜突變，以防止聲波反射[3]。

考慮到聲在傳播過程中的能量損失，在揚聲器喇叭和行波管試驗段之間的連接應采取隔振和密封措施，各個部分與地面固定時也需要采取隔振或減振措施。

1#喇叭第一、第二段和2#喇叭、行波試驗段均由1Cr18Ni9Ti不銹鋼板焊接而成，外壁用井字筋加強。1#喇叭第三段為ZL104鑄造成型。各部分接口處有密封處理。設備安裝完成后內部進行了環氧處理。

1.3 行波終端設計

通常要求行波終端至少能吸收掉使用頻區聲能。行波終端由安裝在喇叭出口的正前方壁面上的消聲尖劈和安裝在混響室內其余各面的厚阻性吸聲層構成。消聲尖劈表面安裝吸聲系數=0.99（聲壓反射系數0.01）的擋風網布，網布材料選用

24 kg/m3吸聲棉和玻璃纖維布。阻性吸聲層主要成分為100mm厚的聚氨酯泡沫。消聲部分安裝圖見圖1。

圖1 消聲部分安裝圖

2 1/3倍頻程控制技術研究

控制算法是1/3倍頻程控制技術的核心，主要包括聲壓級計算以及控制系統均衡算法等方面的內容。

2.1 聲壓級計算

聲壓級以符號SPL表示，1/3倍頻程聲壓級計算公式為[4-5]

式中：=0,1,2,…,；PSD()為采樣系列的功率譜密度估計；sp()為每級中心頻率的譜線數，=0,1,2,…,；0為參考值，2×10-5Pa。

總聲壓級計算為[4-5]

式中取26。

2.2 試驗方法與平均算法的研究

高的聲壓級是在狹窄的空間即行波管中產生，行波管中的聲場與混響室中的聲場有較大區別：聲波在混響室中多以衍射波形式存在，而行波管中的聲場為行波，即反射較少的波。因此試驗時為了避免欠試驗和過試驗，傳感器應朝同一方向安放。行波管試驗針對的對象主要是小的元器件或者大塊的材料側壁結構，對于整星（船）試驗方法還有待進一步探索。

試驗方法借鑒了混響室中的控制方法，采用多點平均控制[5]。假設系統傳遞函數為()，如圖2所示。

圖2 系統的傳遞關系

則輸入功率譜G()與輸出功率譜G()的關系可表示為

要使系統響應滿足試驗要求，即

則需驅動功率譜滿足

閉環反饋控制系統可采用修正驅動信號來減小偏差的修正方法，直接修正驅動的頻域幅值進行比較修正。此方法是比較響應頻譜()和參考頻譜()的差異，得到每個譜線的修正系數λ，修正下一時段的驅動譜(+1)，進行循環迭代，如式(9)。

以上方法對于控制收斂速度較慢。為了加快控制的收斂速度，需要調整修正系數中的指數以及功率譜估計中的參數。

2.3 1/3倍頻程控制算法的實現

控制軟件基于Visual C++6.0，由北京衛星環境工程研究所自主開發。控制系統實現了數據計算、頻譜分析及圖形顯示功能。該系統將動態特性指標轉化成時域、頻域指標。在數據采集的過程中選擇了相位隨機化生成隨機信號，構造了1/3倍頻程線性模型，嘗試用簡單的比例-積分-微分（PID）進行超前、滯后設計，并且評估、修正受控對象。控制系統程序流程及控制系統布置如圖3[5]、圖4所示。

圖3 控制系統流程圖

圖4 控制系統布置圖

3 試驗驗證

應用30kW的低頻聲發生器[6-7]對該裝置進行開環滿量級調試，結果見圖5。可以看出，在行波管中0.522 m2截面積處，63Hz中心頻率處，最大聲壓級達到167.9dB。

圖5 開環調試結果

對試驗裝置分別進行了155、160dB量級試驗，參考NASA的試驗方法[8]，采用兩點平均控制方法，控制聲譜見圖6～圖8所示。圖中可以看出，試驗裝置在155、160dB時均有較好的譜成型能力，最大譜成型能力約為160.5 dB。在進行160 dB量級調試時，頻譜在1kHz附近略低于參考譜，這可能與行波管的特性以及聲發生器的頻響特性有關。

本次調試只用了1個30 kW的低頻聲發生器，若增加聲發生器數量，提高輸入能力，采用高、低頻聲發生器配合使用，則裝置最大譜成型能力和譜型控制會有進一步提高和改善。

圖6 155dB閉環調試結果

圖7 160dB倍頻程閉環調試結果

圖8 160dB 1/3倍頻程閉環調試結果

4 結束語

本文從高聲強聲源模擬系統、1/3倍頻程聲試驗控制系統等方面對高聲強聲場的實現進行了研究。基于行波管的工作原理，完成了行波管的喇叭段、行波試驗段和消聲部分的設計，給出了行波管的設計計算公式，并最終研制完成行波試驗裝置。驗證試驗結果表明，行波管得到的聲波為平面波，聲壓級達到167.9dB，滿足預期要求。該成果已經

應用在科研生產中，并完成了多項試驗任務，提高了北京衛星環境研究所的試驗技術能力和水平。

（References）

[1] 劉大志, 張俊剛, 方貴前. 高聲強聲場模擬與聲試驗1/3倍頻程控制技術研究[C]//中國宇航學會深空探測技術專業委員會第八屆學術年會論文集（下篇）, 2011-10-25

[2] 馬大猷. 噪聲控制工程手冊[M]. 北京: 科學出版社, 1983

[3] 丁愛祥, 楊煦, 白繼軍, 等. 高聲強行波管裝置[J]. 航空工業總公司飛機強度研究所, 1998, 17(1):18-20

[4] 董小衛, 丁愛祥. 行波管系統頻響特性的測試與分析[J]. 航空學報, 1998,19(4): 506-508

[5] 晏廷飛, 方貴前. 聲學試驗三分之一倍頻程控制技術研究[J]. 航天器環境工程, 2008, 25(5): 464-466

Yan Tingfei, Fang Guiqian. Research on 1/3 octave acoustic test control technique[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2008, 25(5): 464-466

[6] 沈山豪. 氣流揚聲器的聲輻射和它的測量[J]. 強度與環境, 1993, 30(1): 16-23

[7] 沈山豪. 強噪聲環境試驗的頻譜模擬[J]. 強度與環境, 1997, 34(1): 46-52

[8] Yu Wenjun, Zhong Siyang, Huang Xun. Dynamic modeling and numerical simulation of acoustic-thermal-fluid coupling for hypersonic vehicle fatigue test[C]∥19thAIAA/CEAS. Berlin, 2013. AIAA 2013-2130

（編輯：閆德葵）

Design of high-intensity acoustic field simulator and1/3 octave band control for acoustic test

Liu Dazhi, Zhu Zihong, Zhang Jungang, Yan Tingfei, Xiang Shuhong

(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

A high intensity acoustic test system designed by BISEE is presented in this paper, including the acoustic design, the anechoic approach and the noise elimination, and the development of a closed-loop acoustic control system. The test results show that with the overall sound power level of 165dB, the TWT performs well, and the noise at the end of the exhaust flow meets the environmental requirements.

high intensity acoustic field; traveling wave tube; 1/3 octave band; noise elimination

TB52+5; TB534; TB535

B

1673-1379(2016)03-0312-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.03.014

劉大志（1978—），男，碩士學位，主要從事航天器動力學試驗技術研究。E-mail: dazhil@126.com。

2015-09-22；

2016-05-14

http://www.bisee.ac.cn E-mail: htqhjgc@126.com Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544