基于声波导管的热辐射区域噪声测试技术_齐江龙.pdf

基于声波导管的热辐射区域噪声测试技术基于声波导管的热辐射区域噪声测试技术齐江龙1，杨美宁2，呙道军1，刘时秀1，范博超1（1.北京强度环境研究所；2.首都航天机械有限公司：北京100076）摘要：为了在热噪声行波管试验段热辐射区域内准确测量噪声响应，基于管道传声原理和声学有限元仿真分析，设计了有效测量频率范围为 201000Hz 的声波导管测试系统，并开展常温验证试验。试验结果表明，声波导管测试系统满足设计指标，设计阶段采用的数值分析方法有效。最后通过热噪声试验考核了该声波导管测试系统的环境适应性能够经受住 700 的热噪声试验环境。关键词：热噪声试验；噪声测量；声波导管；行波管；验证试验中图分类号：TB52;V414.4文献标志码：A文章编号：1673-1379(2023)01-0069-05DOI:10.12126/see.2022068Technology of noise measurement in thermal radiation zonebased on acoustic waveguideQIJianglong1,YANGMeining2,GUODaojun1,LIUShixiu1,FANBochao1(1.BeijingInstituteofStructureandEnvironmentEngineering;2.CapitalAerospaceMachineryCo.,Ltd.:Beijing100076,China)Abstract:Toaccuratelymeasurethenoiseresponseinthethermalradiationzoneofthethermalacousticprogressivewavetube,anacousticwaveguidetestsystemwithaneffectivemeasurementfrequencyrangeof20-1000Hzwasdesignedbasedontheductacousticsandtheacousticfiniteelementanalysis.Verificationtestswerecarriedoutatroomtemperature.Theresultsshowthattheacousticwaveguidetestsystemmeetsthedesignindex,andthenumericalanalysismethodusedinthedesignstageiseffective.Finally,theenvironmentaladaptabilityoftheacousticwaveguidetestsystemwasevaluatedthroughthermalacoustictest,whichprovesthatthesystemcouldwithstandthethermalnoisetestenvironmentof700.Keywords:thermal acoustic test;noise measurement;acoustic waveguide;progressive wave tube;verificationtest收稿日期：2022-07-10；修回日期：2023-01-15引用格式：齐江龙,杨美宁,呙道军,等.基于声波导管的热辐射区域噪声测试技术J.航天器环境工程,2023,40(1):69-73QI J L,YANG M N,GUO D J,et al.Technology of noise measurement in thermal radiation zone based on acoustic waveguideJ.Spacecraft Environment Engineering,2023,40(1):69-73第40卷第1期航天器环境工程Vol.40,No.12023年2月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING69http:/E-mail:Tel:(010)68116407,68116408,68116544 0 引言引言一般情况下，噪声传感器的耐高温性能有限，因此在高温热辐射环境下开展噪声测试是一项具有相当难度的技术工作。为实现高温热辐射环境下噪声载荷的测量，国外自 20 世纪 70 年代起就开展相关研究，主要发展形成了基于施加冷却装置、基于等离子体传声器和基于声探管的高温噪声测量方法。这些技术已在高超声速飞行器热噪声试验和发动机试车中得到应用1-4。国内近些年也逐渐开展了热噪声试验技术的相关研究，但发表于公开文献中的成果较少。在前期的热噪声行波管试验中，为防止噪声传感器受辐射加热损坏，采取的方法是将噪声传感器布置在远离试验段辐射加热区域的位置5-6。然而，随着试验要求的不断提高，有时需要测量试验段辐射加热区域内特定位置的噪声响应，则可考虑采取间接方式进行噪声测量。本文研究采用声波导管测量高温辐射区域噪声载荷的技术，将声波导管测试系统的有效测量频率范围拓宽到 201000Hz，以涵盖典型薄壁结构热噪声强度考核试验要求。1 声波导管测试系统原理及初步设计声波导管测试系统原理及初步设计声波导管测试系统如图 1 所示，实际测量的是声测量通道入口处的脉动压力 P0(t)。由管道声学的原理可知，声波会沿着半无限管道传播至末端，传感器测量的是声波传递了距离 l 后的脉动压力。即，当声波导管入口处的压力为 P0cos(t)，则在时刻 t，距入口的距离为 x 处的声波压力为Px(t)=P0e-axcos(tbx)，(1)式中：a 为衰减因子，是管道直径、气体特性和频率的函数；b 为相位因子，与声波在沿声波导管传播过程中的相位延迟相关。由于衰减因子受管道直径的影响，在采用管道传声系统进行噪声测量时，应确保管道直径 D 远小于管道长度 L 和分析频率上限对应的声波波长5。同时，对于实际的等横截面、有限长度的声波导管而言，声波在传递至末端后不可避免地会发生反射，因此在设计声波导管的声测量通道时，应采取措施消除反射回到传感器连接腔处的声波产生的影响，例如采用延长管延长声管道的长度或在末端放置吸声材料等7。连接腔声波导管入口P0(t)lLD末端图1管道传声系统示意Fig.1Schematicofsoundtransmissiontube根据图 1 所示的管道传声系统设计的声波导管结构如图 2 所示：声波导管通过螺纹孔固定在行波管侧壁上；行波管侧壁通过循环水冷进行冷却，以防止行波管侧壁和声波导管受到辐射加热破坏；噪声传感器通过水套固定在声波导管上。该声波导管结构既有助于实现噪声信号的准确测量，又可使噪声传感器避免直接受热辐射作用，从而维持其正常工作环境温度。行波管侧壁循环水出口循环水入口噪声传感器声波导管延长管图2声波导管结构示意Fig.2Configurationoftheacousticwaveguide同时，声波导管测试系统应具有较好的动态特性，能够在适当范围内准确测量频率响应。但从管道传声系统的工作原理可知，脉动压力从声波导管的入口传递到声传感器必然会存在一个时延。考虑到行波管噪声试验施加的是稳态随机噪声激励，实际测量的是统计平均的平稳各态历经的随机噪声，加之声波导管入口距传感器的传声通道距离较短，因此对于通常的行波管噪声试验而言，时延的影响可以忽略；但若要准确测量时域瞬态响应，就需要进行时频变换修正予以补偿。2 声波导管声学仿真声波导管声学仿真声波导管测量通道如图 3 所示。为了对其设计合理性进行评估、优化，采用声学有限元法对声波导管测量通道的声学频响特性进行分析。设计声波导管的测量通道直径 D 为 3mm，噪声传感器水套距离声波导管测量端口的距离为 45mm，声波导管通过连接延长管消除声反射。对于延长管而言，若建成全尺寸的模型则对建模分析的要求过高；而由70航天器环境工程第40卷前文分析可知，若延长管足够长，由末端反射回来的声波对测量的影响可以忽略。因此，在距入口100mm 处定义一个全吸声属性来模拟无反射边界（设置声阻抗 0c=416.5kg/(m2s)）。用于分析声波导管的无限长延长管模型如图 4 所示。传感器测量腔体声波导管延长管测量通道连接通道D声波导管测量通道图3声波导管测量通道Fig.3Measurementchanneloftheacousticwaveguide延长管对接面100 mm45 mmD=3 mm压力传感器测量面声波导管入射口图4考虑延长管的声波导管测量通道Fig.4Measurementchanneloftheacousticwaveguidewithextensiontube为分析延长管对测量的影响，建立无延长管的声波导管测量通道声学有限元模型，在声波导管的出口处建立声学网格以及无限元模型，如图 5 所示。出口处的声学网格无限元耦合边界100 mm45 mmD=3 mm压力传感器测量面声波导管入射口图5不考虑延长管的声波导管测量通道Fig.5Measurementchanneloftheacousticwaveguidewithoutextensiontube在声波导管入口处施加压力边界条件，分别求解考虑和不考虑延长管 2 种模型中传感器处的直接频响函数，测量声波导管传感器测量面的噪声响应。从图 6 的仿真结果可以看出，若不安装延长管，声波导管测试系统在 1500Hz 附近出现一个明显的共振频率，且在 1000Hz 以下测量出来的噪声响应小于实际声压响应；而对于安装了延长管的测试系统，在 1000Hz 以下系统测量值与实际测量值基本相同，在 1000Hz 以上有轻微的响应放大，但实际响应很小且可忽略。以上表明，有延长管的声波导管可实现 201000Hz 频率范围内的有效测量，满足设计要求。频率/Hz102102103声压级/dB实际声压有延长管无延长管图6声波导管传感器位置处的响应Fig.6Responseatacousticwaveguidesensorlocation 3 试验验证与分析试验验证与分析3.1声波导管常温验证试验为验证声波导管设计以及仿真分析方法的有效性，确定声波导管的有效测量频率范围，设计并开展了常温状态下的行波管噪声测试验证试验。试验工装如图 7 所示，试验工装与行波管侧壁连接（见图 8）。在行波管的同一横截面上分别布置基于声波导管的测试系统和常温传统噪声传感器，采集同一时刻下、相同横截面处的噪声响应。由行波管的声场特性可知，单路行波管具有良好的均匀性，同一横截面上的声场相同，故可将传统噪声传感器的测量值作为实际声压的标定值。试验工装安装侧壁(圆变方)图7行波管噪声测试试验工装Fig.7Fixtureofprogressivewavetubefornoisemeasurement试验件声波导管常温声传感器图8试验工装细节放大（行波管外侧）Fig.8Enlarged details of fixture(outer side of theprogressivewavetube)声波导管常温验证试验按有延长管、无延长管 2 个状态依次开展。以传统声传感器的测量值P2为基准，评价基于声波导管（测量值为 P1）的测量效果，结果如图 9 所示。第1期齐江龙等：基于声波导管的热辐射区域噪声测试技术71PSD/(Pa2Hz-1)150.00100.0020.001000.00频率/Hz20.00 Hz126.24 dB 120.24 dB 160.42 dB125.60 dB 117.08 dB 160.60 dB1000.00 HzRMSCurveP1P2PSD/(Pa2Hz-1)150.0090.0020.001000.00频率/Hz20.00 Hz124.85 dB 125.06 dB 157.60 dB128.93 dB 117.74 dB 161.51 dB1000.00 HzRMSCurveP1P2(a)有3 m延长管声波导管(b)无延长管声波导管图9有无延长管声波导管测试系统常温试验