基于高速飛行器的氣動噪聲影響及試驗方法

楊 斕，康昌璽，李 亮，楊 祺

（1.空軍研究院系統工程研究所，北京 100076；2.蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

高超聲速指物體的飛行速度超過5倍聲速。超高聲速飛行器主要包括三類：超高聲速飛機、超高聲速巡航導彈及航天飛機。超高聲速飛行器被視為下一代飛行技術，其特點是飛行馬赫數高、低空巡航、航程長、溫度高、飛行過程中將受到嚴酷的熱、聲、振動等復合環境的影響。由于在稠密大氣層內高速飛行，駐點溫度可達千度以上。長時間的飛行會造成結構和附面層氣流溫度很高，一方面影響結構強度；另一方面增強氣動噪聲作用效應。

嚴酷的噪聲環境能導致飛行器結構疲勞破壞，這種破壞通常先出現累積損傷，然后出現裂紋，繼而裂紋擴大直至最后斷裂。另外由于噪聲在固體中傳播衰減很少，因此還能夠導致飛行器內部微電子器件的引線故障、印刷電路板破裂、電觸點斷續工作、波導管與速調管失靈或損壞、光學元件失調和過量的電噪聲等[1]。

1 噪聲源

噪聲源通常指兩個方面，在GJB150.17A[2]中所定義，噪聲環境是指大幅度的空氣壓力脈動，稱為氣動噪聲。通常壓力脈動在5～87 kPa的范圍內和0.01～10 kHz的寬頻帶內，具有隨機性，但也可能存在很高幅值的離散頻率壓力脈動。

氣動噪聲來源于兩個方面：邊界層氣體流動及空腔流動。

邊界層氣動噪聲的大小與自由來流的動壓成正比，同時也與導彈外形、飛行馬赫數和攻角等密切相關，其聲壓總級在130～170 dB范圍內。而當高速氣流經過開式空腔時，會發生自持振蕩現象，產生劇烈的密度、壓力脈動，誘發強烈的氣動噪聲，聲壓級通常高達170 dB。

噪聲環境的另一個噪聲源是來于設備本身的噪聲，如沖壓發動機作為強噪聲源，所產生的聲場強度可達到180 dB以上，甚至更高。燃燒產生的噪聲以平面波的方式在進氣道內向前傳播，對產品亦會造成嚴重影響[3]，如圖1所示。

圖1 環境噪聲的來源圖Fig.1 The source of environment noise

噪聲環境作用于飛行器外殼并通過與外殼相連接的結構引起飛行器內部設備的振動響應，是影響飛行器壽命[4]的主要環境因素之一。

2 噪聲環境對設備的影響

GJB150.17A[2]給出了當設備暴露于噪聲環境時可能出現的問題：（1）導線磨損；（2）部件的聲疲勞和振動疲勞；（3）部件連接導線斷裂；（4）印刷線路板開裂；（5）波導部件失效；（6）電觸點斷續工作；（7）小型儀表板和結構零件的破裂；（8）光學失調；（9）小顆粒脫落，可引起回路和機構卡死；（10）引起以空氣為介質的電容器電容的變化，導致設備性能超差或失效；（11）使某些化學電池的電壓發生變化，即影響化學過程。因為機械傳遞過程往往有衰減，特別是對帶有減振裝置的設備衰減量更大。噪聲可以通過空氣介質直接作用于聲敏感結構，從而產生很大的響應。

國內外學者對于噪聲環境對設備帶來的影響進行了研究，童軍等[5]研究了某機箱在160 dB量級噪聲試驗時出現引腳斷裂問題，應用噪聲激勵下激光測振技術、聲傳遞試驗方法、有限元分析動態響應分析技術，給出了元器件管腳動態應力分布，并根據材料的應力-壽命（S-N）曲線對結構的壽命進行評估分析。尹立中等[6]利用再入飛行器氣動噪聲的試驗結果和MSC/NASTRAN軟件首次完成了再入飛行器復雜結構氣動噪聲的響應分析與試驗驗證。

吳振強等[7]對國外研究機構熱噪聲試驗方法的發展歷程、熱噪聲試驗設備等進行了較為全面的闡述，概括了不同時期、不同應用背景下，熱/噪聲復合載荷環境的影響下，各類材料對熱噪聲環境的結構響應及失效特征。

馮強等[8]利用中國航空工業空氣動力研究院的FL-1風洞，試驗研究了武器艙內氣動特性，包括氣流強烈脈動產生的高強度氣動噪聲，研究了武器艙艙彈干擾特性，分了艙內腹撐對艙內流動影響以及彈體法向不同發射位置H/D對艙內流動的影響。

3 噪聲試驗的應用

GJB150.17A[2]中規定：必須在嚴酷的環境中工作/生存的設備、綜合使用噪聲激勵與機械振動激勵或者優先選取噪聲激勵模擬氣動紊流的設備需進行噪聲試驗。

不需要進行噪聲試驗的產品需要滿足的條件[9]：（1）規定起作用的聲壓級等于或者低于130 dB，或者承受的每赫茲帶寬聲壓級小于100 dB；（2）產品不含內腔（例如用混合料澆筑的變壓器、節流閥、組件或微型組件；固定電阻器，固定電容的電容器等）；（3）產品的工作能力破壞與共振作用無關，產品結構最低共振頻率超過噪聲作用試驗頻率范圍的最高頻率；（4）根據產品結構和工作原理，其參數不受技術條件中規定的噪聲作用影響；（5）如果在產品標準和技術條件中規定了振動作用試驗，則不進行低于100 Hz頻率范圍內的噪聲作用試驗。此時，產品結構能保證其耐低于上述頻率的噪聲作用的穩定性。上述產品的結構均能保證耐噪聲作用的穩定性。

張衛紅等[3]列舉了高超聲速巡航飛行器特有的聲載荷環境下需進行的幾項典型噪聲試驗及應用實例，概述了相關試驗技術在高超聲速巡航飛行器研制中的應用前景。

郭強嶺等[10]在討論噪聲環境試驗方法的基礎上，給出了內埋武器可行的噪聲環境試驗方法，嘗試確定了內埋武器空腔共鳴試驗條件的計算方法和試驗程序。

李春杰等[11]采用GJB150對振動傳感器進行了噪聲試驗，試驗結果表明振動傳感器在噪聲場中性能正常，可以感受到機械振動并有信號輸出，且振動傳感器的安裝方式可以將強噪聲引起的機械振動弱化甚至完全消除，使得其可以在大型飛行器的振動監測工作時間中完成監測工作。

4 噪聲試驗方法

4.1 實驗室方法

以混響室試驗為例，首先根據標準參考譜產生初始的激勵信號，經過功放送到揚聲器；噪聲計接收聲壓、測試聲壓，然后將聲場內傳聲器的響應反饋到控制系統，計算響應信號的功率譜密度，并與標準的功率譜比較，如有不同則自動修正；此過程反復進行，直到滿足試驗條件，完成試驗均衡過程，如圖2所示。

（1）噪聲試驗的類型

GJB150.17A[2]中規定，按照脈動壓力產生和傳遞到裝備的原理，實驗室內噪聲試驗的類型分為三類，如表1所列。

（2）試驗設備

GJB150.17A介紹了兩種聲場的試驗設備：混響室和行波管，如表2所列。

圖2 噪聲試驗系統的基本原理圖Fig.2 Basic schematic diagram of a noise test system

表1 噪聲試驗類型Table 1 Type of noise test

表2 噪聲試驗的試驗設備Table 2 Experimental equipment for noise test

4.2 仿真模擬方法

除了實驗方法，也可采用從數值模擬的方法對噪聲的影響進行了相應的分析。

王婉秋等[12]從建立試驗件及混響室的SEA（統計能量法）模型及建立閉環虛擬噪聲試驗控制系統兩方面出發建立了某衛星與混響室的SEA模型，在matlab平臺下，建立了該模型的閉環控制系統，提出了一種虛擬噪聲試驗系統的方案設計及各分系統的虛擬仿真方法。

寧瑋等[13]在實驗的基礎上，基于統計能量分析方法，對飛行器的混響室噪聲試驗進行建模和數值仿真，利用商業軟件AutoSEA2建立了飛行器的統計能量分析模型。結果表明，對于高頻隨機激勵下的飛行器環境預示，統計能量分析方法是可行且有效的。

5 結論

從噪聲源、噪聲對設備的影響、噪聲試驗的應用以及噪聲試驗的方法四個方面對噪聲的影響進行了介紹。噪聲對于高速飛行器可靠性的影響是一個不可忽視的因素，通過模擬飛行器相關產品特性聲載荷環境對產品的噪聲適應性進行考核，發現故障模式、排出隱患，提高產品的可靠性，對于高速飛行器相關產品的成功研制具有重要的意義。

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