晏廷飛，方貴前，劉 沫

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

結(jié)構(gòu)星噪聲與振動(dòng)組合環(huán)境激勵(lì)試驗(yàn)及效應(yīng)研究

晏廷飛，方貴前，劉 沫

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

受地面試驗(yàn)技術(shù)條件的限制，目前對(duì)衛(wèi)星發(fā)射及飛行過程所經(jīng)歷的復(fù)合環(huán)境采用單項(xiàng)環(huán)境模擬試驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)，通常是進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)或者噪聲試驗(yàn)。實(shí)際上，無論單獨(dú)的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)還是單獨(dú)的噪聲試驗(yàn)都難以準(zhǔn)確模擬衛(wèi)星在發(fā)射飛行狀態(tài)所經(jīng)歷的復(fù)合環(huán)境，在不同頻段會(huì)存在“過”或“欠”試驗(yàn)的問題。以某型號(hào)結(jié)構(gòu)星為對(duì)象，開展噪聲與振動(dòng)組合試驗(yàn)技術(shù)研究，對(duì)聲振組合試驗(yàn)、隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)、噪聲試驗(yàn)的有效性及耦合效應(yīng)進(jìn)行分析與總結(jié)，為后續(xù)衛(wèi)星產(chǎn)品開展相關(guān)試驗(yàn)提供參考。

振動(dòng)與波；聲振組合；噪聲試驗(yàn)；隨機(jī)振動(dòng)；耦合效應(yīng)

衛(wèi)星發(fā)射及飛行過程中，受到運(yùn)載傳至衛(wèi)星的隨機(jī)振動(dòng)載荷激勵(lì)和從空間傳到衛(wèi)星的噪聲載荷激勵(lì)。目前對(duì)衛(wèi)星發(fā)射及飛行過程經(jīng)歷的復(fù)合環(huán)境采用單項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)?zāi)M的方法來實(shí)現(xiàn)，通常是隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)或者噪聲試驗(yàn)選擇一項(xiàng)進(jìn)行[1]。一般對(duì)于結(jié)構(gòu)緊湊的、不超過450 kg的質(zhì)量密集型衛(wèi)星，可采用隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)代替噪聲試驗(yàn)[2]，而規(guī)模較大的衛(wèi)星則開展噪聲試驗(yàn)。從衛(wèi)星所經(jīng)歷的實(shí)際環(huán)境分析來看，無論單獨(dú)的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn),還是單獨(dú)的噪聲試驗(yàn)都難以準(zhǔn)確模擬衛(wèi)星在發(fā)射飛行狀態(tài)所經(jīng)歷的復(fù)合環(huán)境，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)在不同頻段會(huì)存在“過試驗(yàn)”或“欠試驗(yàn)”的問題[3]。

由于長期缺乏充分、深入的基礎(chǔ)研究，對(duì)衛(wèi)星的振動(dòng)、噪聲等環(huán)境沒有準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)和把握，近年來對(duì)于超過450 kg接近1 000 kg的中小衛(wèi)星，對(duì)其應(yīng)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)還是噪聲試驗(yàn)產(chǎn)生了很大爭議[4]。

本文以某型號(hào)結(jié)構(gòu)星為對(duì)象，開展聲振組合試驗(yàn)技術(shù)研究，對(duì)聲振組合、隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)、噪聲試驗(yàn)的有效性及耦合效應(yīng)進(jìn)行分析與總結(jié)，為相關(guān)衛(wèi)星開展聲振試驗(yàn)提供參考。

1 理論及方法

1.1 組合激勵(lì)加載方法

噪聲與振動(dòng)組合加載時(shí)，加載方法基本與單獨(dú)試驗(yàn)相同[5]，如振動(dòng)控制采用4個(gè)加速度點(diǎn)峰值平均控制[6]，控制點(diǎn)安裝在衛(wèi)星與振動(dòng)工裝連接的四個(gè)底座上，呈對(duì)稱分布。噪聲試驗(yàn)采用4點(diǎn)聲壓級(jí)平均控制，聲傳感器位置距試件外表面約0.5 m處[7]，高度與衛(wèi)星質(zhì)心位置基本處于同一水平面上，呈對(duì)稱分布。與單項(xiàng)試驗(yàn)不同的是，需考慮振動(dòng)自檢噪聲及噪聲與振動(dòng)同步加載控制。

1.2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)采集處理

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)或噪聲試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)受激勵(lì)而產(chǎn)生的響應(yīng)數(shù)據(jù)均具有穩(wěn)態(tài)特征，因此采樣時(shí)可用統(tǒng)計(jì)平均的方法進(jìn)行處理。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)或噪聲試驗(yàn)響應(yīng)數(shù)據(jù)處理差異主要在于分析帶寬，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中分析帶寬一般為10 Hz～2 000 Hz，噪聲試驗(yàn)中數(shù)據(jù)處理分析帶寬一般為20 Hz～4 000 Hz。

1.3 受聲振組合激勵(lì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)耦合分析

結(jié)構(gòu)受到振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生的隨機(jī)荷載激勵(lì)和混響室的漫射聲場激勵(lì)時(shí)，根據(jù)隨機(jī)信號(hào)分析原理，采用譜分析的方法定性分析隨機(jī)載荷作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。由于輸入、輸出均具有隨機(jī)特性，進(jìn)行如下假設(shè)[8–9]：

(1)隨機(jī)激勵(lì)過程為平穩(wěn)隨機(jī)過程（忽略輸入的微小動(dòng)態(tài)變化）；

(2)混響聲場中的聲能量流由具有隨機(jī)相位的平面波疊加而成，并且各向傳播概率相同，聲能密度處處相等；

(3)混響聲場中的各個(gè)平面波互不相干。

則隨機(jī)振動(dòng)與混響聲場兩個(gè)隨機(jī)環(huán)境激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)輸入輸出功率譜密度關(guān)系為

經(jīng)過驗(yàn)證，噪聲場對(duì)隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)影響有限，而隨機(jī)激勵(lì)對(duì)噪聲場的影響遠(yuǎn)小于聲場激勵(lì)的強(qiáng)度，因此可假定隨機(jī)激勵(lì)與噪聲激勵(lì)互不相關(guān)，則有

代入式（1）整理得到結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)譜密度為

其中H11、H12分別為隨機(jī)激勵(lì)和聲激勵(lì)對(duì)結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)的傳遞函數(shù)。

采用實(shí)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，H12用單獨(dú)噪聲試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到，H11則用單獨(dú)振動(dòng)試驗(yàn)的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到。利用式（3），對(duì)于同樣的結(jié)構(gòu)，可分別測出單獨(dú)振動(dòng)、單獨(dú)噪聲、聲振共同激勵(lì)下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的傳遞函數(shù)，然后通過三個(gè)傳遞函數(shù)進(jìn)行耦合分析。

2 研究對(duì)象及技術(shù)條件

2.1 研究對(duì)象

用于研究的對(duì)象為某型號(hào)結(jié)構(gòu)星。星體包絡(luò)尺寸為2 566 mm×1 507 mm×3 174 mm,衛(wèi)星為未加注狀態(tài)，質(zhì)量約為980 kg，其為一顆接近1 000 kg左右的典型衛(wèi)星，具有較好的代表性。圖1所示為衛(wèi)星的外形示意圖及坐標(biāo)系定義。

圖1 衛(wèi)星坐標(biāo)系定義

衛(wèi)星安裝邊界與隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)一致，采用4個(gè)抗箭錐套及M12的連接螺釘與振動(dòng)試驗(yàn)工裝連接。工裝底板通過力傳感器、轉(zhuǎn)接件與衛(wèi)星底座連接在一起，示意圖見圖2。

圖2 工裝與衛(wèi)星連接局部示意圖

2.2 試驗(yàn)條件

由于目前制定的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件與噪聲試驗(yàn)條件具有等效性，因此試驗(yàn)條件選擇該型號(hào)典型的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件（見表1）和噪聲試驗(yàn)條件（見表2）。

表1 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件 單位：g2/Hz

表2 噪聲試驗(yàn)條件/dB

振動(dòng)環(huán)境對(duì)次級(jí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的載荷頻率范圍一般低于300 Hz[10]，因此聲振組合試驗(yàn)振動(dòng)加載控制譜頻率范圍一般為10 Hz～300 Hz，譜密度與表中規(guī)定一致。

3 結(jié)果與分析

3.1 噪聲試驗(yàn)與隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)等效性分析

噪聲試驗(yàn)時(shí)將衛(wèi)星放置于高聲強(qiáng)混響室中，由發(fā)聲器（喇叭）提供噪聲來模擬衛(wèi)星經(jīng)歷的聲振環(huán)境。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)則是通過轉(zhuǎn)接工裝將衛(wèi)星固定在振動(dòng)臺(tái)上，由振動(dòng)臺(tái)提供機(jī)械激勵(lì)來模擬衛(wèi)星經(jīng)歷的聲振環(huán)境，二者存在明顯差異。最主要的區(qū)別在于能量輸入方式和輸入位置的不同[4–5,11]。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的能量是通過振動(dòng)臺(tái)輸入到試件，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳遞，為點(diǎn)或面激勵(lì)；而噪聲試驗(yàn)激勵(lì)則是直接作用在試件表面上，為空間激勵(lì)，從各個(gè)方向作用到試件上。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)響應(yīng)來看，噪聲試驗(yàn)對(duì)類平板結(jié)構(gòu)的激勵(lì)效果明顯，而隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)則對(duì)類彈簧質(zhì)量結(jié)構(gòu)的激勵(lì)效果更明顯。

衛(wèi)星推進(jìn)艙單機(jī)安裝處隨機(jī)振動(dòng)激起的響應(yīng)普遍高于噪聲試驗(yàn)，典型測點(diǎn)響應(yīng)在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中為9.57 grms，在噪聲試驗(yàn)中為2.38 grms。從功率譜密度曲線（見圖3(a)）分析來看，大部分頻段隨機(jī)激勵(lì)產(chǎn)生的響應(yīng)比噪聲試驗(yàn)中激勵(lì)產(chǎn)生的響應(yīng)大。圖3(b)為衛(wèi)星太陽帆板的結(jié)構(gòu)響應(yīng)曲線，噪聲試驗(yàn)的量級(jí)明顯大于隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，說明對(duì)于處于外部聲場，對(duì)聲比較敏感的薄板結(jié)構(gòu)噪聲試驗(yàn)更為有效。另外噪聲試驗(yàn)的響應(yīng)與隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的響應(yīng)存在明顯的分界點(diǎn)。圖3(c)為衛(wèi)星天線的結(jié)構(gòu)響應(yīng)曲線，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中激起的兩個(gè)結(jié)構(gòu)響應(yīng)共振峰，在噪聲試驗(yàn)結(jié)構(gòu)響應(yīng)中并沒有出現(xiàn)。說明隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)與噪聲試驗(yàn)不等效。

3.2 衛(wèi)星聲振組合激勵(lì)試驗(yàn)效應(yīng)分析

聲振組合激勵(lì)下的響應(yīng)基本包括隨機(jī)振動(dòng)和噪聲試驗(yàn)激勵(lì)的響應(yīng)。推進(jìn)艙、平臺(tái)艙上的結(jié)構(gòu)響應(yīng)450 Hz前與隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)一致，450 Hz后則與噪聲試驗(yàn)一致。載荷艙、側(cè)艙板上的結(jié)構(gòu)響應(yīng)200 Hz前與隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)響應(yīng)一致，200 Hz后與噪聲試驗(yàn)一致。正如預(yù)計(jì)，組合試驗(yàn)響應(yīng)在100 Hz以內(nèi)相對(duì)較大。這是由于低頻振動(dòng)激勵(lì)出了衛(wèi)星艙板的模態(tài)。衛(wèi)星的側(cè)艙板上也反映出低頻部分的響應(yīng)有明顯增加。這說明板狀結(jié)構(gòu)的正交耦合很大。這些結(jié)果在整個(gè)結(jié)構(gòu)上都有體現(xiàn)。

從加速度響應(yīng)分析來看（曲線見圖4），依據(jù)前文給出的分析方法開展了耦合效應(yīng)分析。

對(duì)于離振動(dòng)激勵(lì)較近且質(zhì)量分布較為集中的推進(jìn)艙等，全頻段聲振耦合作用不明顯（見圖4(a)），響應(yīng)主要體現(xiàn)為隨機(jī)激勵(lì)產(chǎn)生的機(jī)械結(jié)構(gòu)響應(yīng)。對(duì)于離振動(dòng)激勵(lì)稍遠(yuǎn)的平臺(tái)艙及載荷艙，其部分測點(diǎn)在200 Hz～350 Hz組合激勵(lì)響應(yīng)略高于單項(xiàng)試驗(yàn)響應(yīng)。進(jìn)一步分析其傳遞函數(shù)，比較三種不同的聲振組合試驗(yàn)響應(yīng)傳函（見圖5），并利用式（3）進(jìn)行計(jì)算，在小于200 Hz的低頻段，頂板的第二個(gè)響應(yīng)峰值處（138 Hz）全頻段聲振組合試驗(yàn)的傳函最大，說明該處響應(yīng)是由噪聲激起的；在大于400 Hz的高頻段，200 Hz分頻和400 Hz分頻聲振組合響應(yīng)傳遞函數(shù)基本一致，但同全頻段聲振組合傳函相比存在差異，說明在高頻段隨機(jī)振動(dòng)與噪聲激勵(lì)頻率重疊，結(jié)構(gòu)響應(yīng)存在一定的耦合作用，后者未出現(xiàn)明顯的波峰和波谷。

對(duì)于側(cè)艙板（見圖4(b)）、太陽帆板（見圖4(c)）等表面暴露且遠(yuǎn)離機(jī)械激勵(lì)源的結(jié)構(gòu)，由于隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)與噪聲激勵(lì)的響應(yīng)分界頻點(diǎn)較為明顯，100 Hz前與隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)一致，100 Hz后則與噪聲試驗(yàn)響應(yīng)一致，組合激勵(lì)耦合作用不明顯。

圖3 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)與噪聲試驗(yàn)加速度響應(yīng)譜對(duì)比

圖4 聲振組合試驗(yàn)與單項(xiàng)試驗(yàn)加速度響應(yīng)譜對(duì)比

圖5 不同聲振組合試驗(yàn)結(jié)構(gòu)響應(yīng)傳遞函數(shù)

一個(gè)奇怪的現(xiàn)象是對(duì)大多數(shù)測點(diǎn)而言，組合激勵(lì)試驗(yàn)時(shí)與單獨(dú)噪聲試驗(yàn)相比，高頻部分存在明顯削弱。純噪聲激勵(lì)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)響應(yīng)總均方根值甚至高于聲振聯(lián)合試驗(yàn)的結(jié)果，這說明低頻部分增加了較大的隨機(jī)振動(dòng)后，板子的高頻部分響應(yīng)被削弱。高頻響應(yīng)的少量削弱反映在一個(gè)很寬的頻帶上，它足以抵消掉低頻部分幅值的增加對(duì)總均方根的影響。

國外相關(guān)文獻(xiàn)[12]也有類似的發(fā)現(xiàn)，并對(duì)高頻部分的衰減進(jìn)行了初步研究，發(fā)現(xiàn)聲振組合試驗(yàn)在低頻部分產(chǎn)生的巨大偏差增加了蜂窩板的非線性阻尼，從而降低了蜂窩板高頻部分響應(yīng)。另一個(gè)可能性在于板子的噪聲特性以及振動(dòng)在低頻部分到底受哪些因素影響大，如聲耦合效應(yīng)和大型板表面的聲輻射作用等。在衛(wèi)星噪聲試驗(yàn)中對(duì)太陽帆板和艙板間的反射聲場進(jìn)行聲測量（布置圖見圖6），發(fā)現(xiàn)在中心頻率125 Hz、250 Hz處的響應(yīng)及總聲壓級(jí)比激勵(lì)聲譜高出5 dB以上，說明太陽帆板與艙板間形成空氣腔，在聲場激勵(lì)下空腔出現(xiàn)聲反射及輻射疊加的情況。

無論如何，如果高頻衰減比較明顯，則極可能當(dāng)飛行環(huán)境中的隨機(jī)振動(dòng)載荷很大時(shí)，單噪聲試驗(yàn)中高頻段的響應(yīng)測量結(jié)果是較為保守的。

4 結(jié)語

本文以某衛(wèi)星結(jié)構(gòu)星為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)驗(yàn)證及耦合分析計(jì)算，研究對(duì)比了聲振組合試驗(yàn)、隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)、噪聲試驗(yàn)中衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)響應(yīng)以及聲振組合試驗(yàn)的有效性及耦合效應(yīng)，研究結(jié)果表明：

圖6 太陽帆板與艙板間的聲測點(diǎn)位置圖

(1)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)與噪聲試驗(yàn)并不等效，聲振組合試驗(yàn)是模擬發(fā)射環(huán)境的一種較為可行的方法。它在結(jié)構(gòu)上同時(shí)加載隨機(jī)激勵(lì)和噪聲載荷，并且可以輸入整個(gè)譜型的能量。輸入載荷激勵(lì)產(chǎn)生的耦合效應(yīng)會(huì)對(duì)高頻段有所影響，而這種現(xiàn)象在單噪聲試驗(yàn)中則不會(huì)出現(xiàn)；

(2)從大多數(shù)測點(diǎn)響應(yīng)分析來看，在低頻部分，隨機(jī)激勵(lì)激起的響應(yīng)占主要部分，而在相對(duì)高頻的部分，混響聲場激起響應(yīng)占主要部分?；祉懧晥黾て鸬哪B(tài)數(shù)要多于隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中激起的模態(tài)數(shù)，這是由于混響聲場激勵(lì)為多維聲振激勵(lì)，能激發(fā)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)各方向的模態(tài)，使結(jié)構(gòu)響應(yīng)具有比單軸振動(dòng)試驗(yàn)響應(yīng)更為豐富的共振峰；

(3)通過聲振組合試驗(yàn)與單項(xiàng)試驗(yàn)的對(duì)比分析，聲振組合激勵(lì)不僅彌補(bǔ)了噪聲試驗(yàn)在低頻段激勵(lì)“欠”的問題，還能在高頻段彌補(bǔ)遠(yuǎn)離激勵(lì)源隨機(jī)振動(dòng)傳遞衰減的問題，這與衛(wèi)星經(jīng)歷的發(fā)射飛行環(huán)境更接近。

(4)由于它用一種更為可行的方式描述了衛(wèi)星發(fā)射飛行環(huán)境，因此在有效載荷作用下初樣結(jié)構(gòu)的聲振組合試驗(yàn)中測量到的響應(yīng)數(shù)據(jù)，可以用于修正部件單機(jī)級(jí)的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件，該試驗(yàn)條件能更好反映單機(jī)經(jīng)歷的真實(shí)環(huán)境。

本文研究的聲振組合試驗(yàn)是單軸振動(dòng)與噪聲試驗(yàn)組合，隨著多維振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用，更為可行的是開展多軸低頻隨機(jī)振動(dòng)與噪聲組合試驗(yàn)。后續(xù)將主要針對(duì)衛(wèi)星和運(yùn)載器接口的環(huán)境進(jìn)行研究，以及聲振組合試驗(yàn)在整星地面驗(yàn)證試驗(yàn)中的應(yīng)用研究。

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Random Vibration andAcoustics Combined Testing and Effect Analysis of Satellites

YAN Ting-fei,FANG Gui-qian,LIU Mo
（Beijing Institute of Space Environment Engineering,Beijing 100094,China）

Due to the limitation of ground environment test technique,only the single-item environment test is used currently to simulate the combined environment during the period of satellite launch and flight.In general,random vibration test or acoustics test is carried on individually.In fact,it is difficult to precisely simulate the combined environment by using either of these methods since the over-tests or under-tests may occur very often in different frequency bands.In this study,with a type of the satellite structure as the object,the acoustics and vibration combined test technique is discussed.The effectiveness and coupling effect of the acoustics and vibration combined test,random vibration test and acoustic test are analyzed and summarized.This study can gave some reference for similar test for other satellite products.

vibration and wave;acoustics and vibration combination;acoustic test;random vibration;coupling effect

O327；TK417；V214

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.06.027

1006-1355(2017)06-0131-04+162

2017-03-24

總裝共性技術(shù)資助項(xiàng)目（B112345678）

晏廷飛（1975-），男，北京市人，碩士，主要研究方向?yàn)楹教炱鲃?dòng)力學(xué)環(huán)境模擬技術(shù)。E-mail:1951294335@qq.com