直接聲場仿真與試驗技術研究

馬蕾 何斌 焦艷梅 宋之愷

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

0 引言

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

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

以上試驗方法，試驗產品需要運輸、夾具設計與制造、試驗件安裝、液氮加注、氣源加壓與穩定等工作，同時試驗成本高，大型噪聲試驗需要消耗數十萬聲瓦的聲能，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構和部件新型聲學測試的試驗技術。該方法使用均勻布置在測試產品周圍的電動揚聲器，以在被測單元的表面處產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、數據采集、數據處理等系統組成[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化，通過對不同頻段揚聲器進行優化和布置，可實現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展歷程。為了提高地面力學環境試驗的效率、縮短試驗周期、降低試驗成本，直接聲場試驗技術近年來得到國內外廣泛關注。直接聲場試驗作為一項新型的噪聲試驗技術，具有方便快捷、成本低優點，已經越來越多的在歐美航天器噪聲試驗中進行應用。受揚聲器陣列、控制技術、試驗件以及傳聲器等因素的影響，直接聲場試驗技術的發展尚未成熟，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]。

以衛星地面力學環境試驗技術為基礎，開展直接聲場模擬試驗技術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系；設計并搭建直接聲場試驗系統，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一致性。為衛星噪聲試驗、聲振聯合試驗提供高效的可靠的噪聲試驗解決方案和技術支撐。

表1 直接聲場試驗技術發展歷程 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，，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。

環境壓力場節點對環境/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與環境壓力場pb之差

式中，n是數據的總數，pi為第i個聲壓數據，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，可在頻率域將圖像分解為低頻部分和高頻部分。在低頻部分，分解的小波系數數目較少但幅值較大，主要對應圖像的有用信息。高頻部分所對應的小波系數數目較多但幅值相對較小，主要對應于圖像的噪聲信息。圖像小波去噪就是判斷分解后小波系數幅值的大小，設定一個合理的閾值對小波系數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定[16]。

2 直接聲場試驗系統設計方案

為了與試驗狀態保持一致，直接聲場仿真，由3組音箱陣列共同作用產生，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，方向對準中心。本仿真模擬所使用的音箱型號為AT TFA105。直接聲場模擬系統示意圖，如圖2所示。

3 直接聲場仿真與試驗驗證

3.1 仿真結果

直接聲場試驗模擬采用聲壓控制方程（3）和環境壓力場方程（6）。應用邊界條件定義產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，模擬在半消聲室內的聲學環境。對于聲壓數值模擬最大網格尺寸應小于等于λ/N，其中N可取5到10，由于步長λ與頻率成反比關系，本數值模擬中的網格劃分隨聲頻的變化而改變。

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

圖3 數值模型 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，假設系統傳遞函數，輸入輸出功率譜的關系為，要使系統響應滿足試驗要求，則，則驅動功率譜需滿足：，閉環反饋控制可采用修正驅動信號來減少偏差的修正方法，直接修正驅動的頻域幅值進行比較修正。比較輸出響應頻譜與參考頻譜的差異，得到每個譜線的修正系數[17-20]。修正下一時段驅動譜，進行循環迭代

頻域上，輸入與輸出關系

功率譜定義為傅里葉變換的相關矩陣，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，并持續至規定時間。聲場控制數據每隔6秒記錄1次。

圖7 衛星直接聲場試驗圖 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，出現了“過試驗”與“欠試驗”，主要由于設備受限，僅能建立3個揚聲器陣列搭建直接聲場試驗系統。若增加揚聲器陣列個數，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

混響室內部的噪聲是由聲源系統產生的，它由大功率的氣流調制式換能器經指數喇叭與混響室匹配，把聲能送入混響室，該換能器的動作由控制系統的電信號進行控制，并由大流量的增壓氣體提供能量。依據表1聲場試驗條件，在1100m3混響室內進行混響聲場試驗，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的對比結果，測點響應偏差大多出現在Y 方向，最大為1.41g，主要由于測點布置在聲陣列中心位置，出現響應偏大于混響聲場的響應。

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

4 結論

本文開展了衛星直接聲場試驗技術研究，通過進行直接聲場仿真分析，設計了直接聲場試驗方案，實現了試驗系統搭建，在同等噪聲試驗條件下，將衛星結構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化設計，模擬高聲壓均勻直接聲場。為衛星噪聲試驗、聲振聯合試驗提供高效可靠的噪聲試驗解決方案和技術支撐。