衛星產品聲振組合試驗技術研究

沈志強，晏廷飛，張俊剛，方貴前，朱子宏

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

目前對航天器發射及飛行過程經歷的動力學環境的模擬通常采用隨機振動試驗或者噪聲試驗來實現。隨機振動試驗和噪聲試驗都是鑒定航天器高頻振動環境的關鍵試驗項目，但是這兩種試驗方法不能完全相互代替。國內外相關研究結果表明：在噪聲試驗中，被聲場直接激勵的外殼或板具有最高的振動級，載物塊的振動級次之，中心結構的響應級最小；而隨機振動試驗的結果相反，中心結構（承力筒）由于直接安裝在振動臺上，具有最大的振動級，其余地方較小[1]。為了保證航天器的高可靠性，最好是既做隨機振動又做噪聲試驗，但這樣不僅要增加研制成本和周期，還可能對航天器造成不必要的累積疲勞。有標準規定，質量相對集中的有效載荷只做隨機振動試驗考核[2-3]。美軍標MIL-STD-1540E 規定對于質量小于180 kg 的緊湊結構可用隨機振動試驗代替噪聲試驗。與美軍標相比，GJB 1027A 對航天器質量要求有所放寬，規定對于結構緊湊的、一般不超過450 kg 的質量密集型的飛行器，可以用隨機振動試驗代替噪聲試驗。但對于尺寸、質量相對較小的衛星，尤其是500～1000 kg 的小衛星，對隨機振動試驗或者噪聲試驗的選擇一直存在爭議[4-5]，這給相關試驗項目的制定和剪裁帶來了困難[6-7]。

國外航天機構在研究隨機振動與噪聲激勵組合試驗的同時也進行了正弦振動與噪聲試驗的組 合試驗研究，例如：為了適應“阿里安那”42P 運載火箭的發射環境，Goddard 空間飛行中心在1993年對 Fairchild 航空公司的海洋勘測衛星POSEODON 進行了加速度為1.5g的正弦掃描振動和總聲壓級為146 dB 的噪聲激勵的組合試驗，同時采用了統計能量分析方法對衛星在該組合環境下的響應進行了預示，特別是對星箭連接處的6 個主要承力部件進行了重點考察，以確保發射過程中衛星的響應不超出結構和裝配的容差范圍，預示結果與試驗結果吻合得很好[8]。

我國已開展了聲振組合環境試驗的研究并取得一些進展，例如：晏廷飛等針對某航天器天線開展了聲振組合試驗與單項試驗的對比研究，分析了天線的聲振組合試驗效應[9]；楊江等以太陽電池板為例開展了航天器組件聲振組合試驗及仿真技術的研究[10]。這些研究都表明單項環境模擬試驗忽略了聲振耦合的影響，會導致航天器在某些頻段欠試驗或過試驗，不能反映在復合環境激勵下的響應[9,11]。

本文從試驗原理出發，提出衛星產品進行聲振組合試驗的必要性，研究聲振組合試驗的控制方法和試驗條件確定方法，目的是為衛星產品的力學環境試驗項目制定及條件剪裁奠定基礎。

1 聲振組合試驗原理及系統組成

1.1 試驗原理

聲振組合試驗的原理如圖1所示。振動臺放置在混響室中央（用行波管作為激勵源時一般置于行波管底部），受試產品固定在振動臺上。試驗時同時施加振動和噪聲激勵：振動臺提供低頻振動激勵，混響室輸出噪聲激勵，用二者的組合試驗來彌補隨機振動試驗高頻段和噪聲試驗低頻段的欠試驗。

圖1 聲振組合試驗原理 Fig.1 Principles of the vibro-acoustic test system

1.2 試驗系統組成

聲振組合試驗系統（見圖2）包括噪聲試驗子系統和振動試驗子系統兩大部分，其中噪聲試驗子系統又可分為混響室噪聲激勵設備和行波管噪聲激勵設備。

圖2 聲振組合試驗系統組成 Fig.2 Composition of the vibro-acoustic test system

混響室總聲壓級最高可達150 dB，頻率范圍31.5～10 000 Hz。混響室內安裝4 個聲傳感器用于聲場的平均控制，其設置高度與試件高度一致，并勻布在試件的周圍，距離試件約0.5 m。

行波管的最高總聲壓級一般超過160 dB。為實現聲場的平均控制，行波管內安裝不少于2 個聲傳感器，且一般布置在試件的對立面或者行波管前后段。行波管的底部開口，讓球頭機構穿過，連接振動臺和試件。

振動激勵使用的是電動振動臺，要求安裝在混響室地面中心位置。為避免振動臺冷風機的噪聲對聲場產生影響，不宜將其放置于混響室內。振動試驗控制傳感器粘貼在航天器與工裝連接面上；空載調試時，粘貼在振動臺動圈上表面。

2 聲振組合試驗控制方法探討

2.1 噪聲與正弦振動組合試驗控制方法

本節主要是研究噪聲激勵與振動激勵的加載順序。噪聲試驗采用小衛星驗收級試驗條件，為141 dB；正弦振動試驗的量級為1g。

1）先加載噪聲激勵，后加載正弦振動激勵

按照噪聲試驗條件，加載流程為先加載噪聲激勵直到滿量級；然后加載正弦振動激勵，振動控制系統自檢噪聲；若自檢噪聲超出允許值，則系統自保護而終止試驗。

將振動控制系統的靈敏度設置為1000 mV/g，采用峰值控制方式，開始按加載流程加載。加載后，振動控制系統自檢噪聲，顯示高達310 mV，已超出允許值，因此系統自保護而無法進行試驗。在其他試驗條件不變的情況下，將正弦振動控制方式改為濾波控制再次進行試驗，振動控制系統自檢噪聲為200 mV，再次超出允許值，系統自保護使得試驗仍然不能進行。

試驗證明，該加載流程不利于聲振組合試驗。

2）先加載正弦振動激勵，后加載噪聲激勵

組合試驗的加載流程如圖3所示。將振動控制系統的靈敏度設為1000 mV/g，采用峰值控制方式，按流程加載并啟動正弦振動控制系統，自檢噪聲為60 mV，該值未超出允許值，繼續試驗；將正弦振動量級加載到1g后，加載噪聲激勵；使噪聲量級達到滿量級后，實現噪聲和正弦振動的同時激勵。整個試驗過程表明：噪聲試驗啟動時振動控制信號未出現明顯變化，噪聲試驗譜控制穩定，且均在試驗容差范圍內；正弦控制曲線在200 Hz 以前比較光滑，200 Hz 以后有一定波動，但波動比較小， 1000 Hz 后某些點出現超差。

圖3 先加載正弦振動激勵后加載噪聲激勵流程圖 Fig.3 Flow chart of the sine vibration excitation applied before the acoustic excitation

將振動控制方式改為濾波控制后按照上述步驟再次進行試驗，試驗結果發現控制曲線更光滑平直，曲線均在容差范圍內。

對比加載噪聲激勵和無噪聲激勵時示波器顯示的正弦信號，在有噪聲激勵的情況下示波器顯示信號有較多毛刺，此時采用峰值處理的振動控制曲線顯示值要比采用濾波處理的高0.2g～0.3g。這是因為峰值處理時疊加了高頻信號，控制并不真實，因此噪聲與正弦振動組合試驗應采用濾波處理。

試驗證明，該加載流程適合聲振組合試驗。

2.2 噪聲與隨機振動組合試驗控制方法

本節主要研究噪聲激勵控制與隨機振動激勵控制的相互影響。隨機振動控制條件為頻率范圍20～2000 Hz、總方均根值10grms的平直譜，振動控制系統的靈敏度設置為100 mV/g；噪聲激勵采用小衛星驗收級試驗條件，試驗量級141 dB。結果如下：

1）有噪聲激勵時，振動控制系統自檢噪聲為35 mV，無噪聲激勵時為3.4 mV。這說明噪聲對振動控制系統自檢有較大影響，因此噪聲與隨機振動組合試驗時先加載隨機振動激勵，并逐級加載至接近滿量級后，再加載噪聲激勵，并同時加載至滿量級。

2）噪聲激勵到滿量級后觀察到，與隨機振動控制傳感器相連接的示波器示值及振動試驗控制曲線均無明顯變化，表明在空載情況下噪聲激勵對隨機振動試驗控制沒有影響。噪聲試驗控制譜均在容差范圍內，總聲壓級誤差小于0.3 dB。這表明，噪聲激勵與隨機振動激勵正常啟動后，振動控制系統相互之間的影響很小，甚至可以忽略不計。

3 噪聲與隨機振動組合試驗實例

3.1 試驗條件確定方法

有些衛星產品在研制階段既要進行噪聲試驗，又要進行隨機振動試驗。圖4為某衛星艙板單獨的隨機振動試驗和噪聲試驗的測點響應曲線，其中紅色曲線為隨機振動激勵時結構響應曲線，黑色曲線為噪聲激勵時結構響應曲線。根據結構響應曲線，在20～200 Hz（f1～f2）頻率范圍內，隨機振動激勵結構的響應值更大，更能有效地激發結構低頻模態響應；在200～600 Hz（f2～f3），隨機振動激勵與噪聲激勵結構響應相當，個別頻段噪聲激勵響應略高于隨機振動激勵響應，而在某些頻率則相反，但是總體趨勢相當；600 Hz 以上（f3～f4），噪聲激勵更能有效地激發結構響應。

圖4 隨機激勵與噪聲激勵結構響應對比 Fig.4 Structural response comparison between the random test and acoustic test

衛星產品可以按照單獨的隨機振動試驗與噪聲試驗結果確定聲振組合試驗的輸入條件：噪聲激勵下衛星產品在f1～f2頻段結構考核不充分，因此可通過振動臺提供f1～f2頻段的隨機振動激勵，模擬低頻部分的載荷環境，噪聲試驗條件按照f2～f4條件輸入。

3.2 試驗結果與分析

根據4.1 節確定的輸入條件，該衛星艙板在混響室內進行了噪聲與隨機振動組合試驗，200 Hz以下采用隨機振動激勵，200 Hz 以上采用噪聲激勵。組合試驗與單獨試驗的結構響應如圖5所示，其中藍色曲線為噪聲與隨機振動組合激勵下結構響應曲線，紅色曲線為單獨隨機振動激勵時的結構響應曲線，黑色曲線為單獨噪聲激勵時結構響應曲線。從圖5可看出：

1）在20～200 Hz 頻段，噪聲與隨機振動組合試驗結構響應曲線與單獨的隨機振動結構響應曲線一致；在600 Hz 以上，組合試驗結構響應要高于隨機振動試驗的結構響應。

2）在200～5000 Hz，噪聲與隨機振動組合試驗結構響應曲線與單獨噪聲激勵的一致；在200 Hz 以下，組合試驗結構響應要高于噪聲激勵的結構響應。

結果表明：艙板進行噪聲與隨機振動組合試驗時，在低頻段隨機振動激勵更能激發結構的模態響應，而在中高頻段噪聲激勵更能激發結構的模態響應。艙板的噪聲與隨機振動組合試驗彌補了噪聲試驗低頻段考核不充分而隨機振動試驗高頻段考核不充分的缺陷，對產品考核更加充分、全面。

圖5 聲振組合試驗與單獨試驗激勵響應曲線對比 Fig.5 The board response comparison between the vibro-acoustic test and individual test

4 結論

本文對衛星產品的聲振組合試驗方法進行了初步研究，探討了聲振組合試驗控制方法，開展了衛星艙板的噪聲與隨機振動組合試驗，并對結構響應特點進行了對比分析，可得出如下結論：

1）在混響室中放置聲振組合試驗系統，根據噪聲、振動試驗條件對噪聲試驗系統和振動試驗系統分別進行控制，可實現衛星產品聲振組合環境模擬試驗。

2）在進行噪聲與正弦振動組合試驗時，應先啟動正弦振動試驗控制，后啟動噪聲試驗控制，且正弦振動控制應采用濾波處理。

3）在進行噪聲與隨機振動組合試驗時，噪聲激勵與隨機振動激勵正常啟動后，相互之間影響很小，可以按照要求的條件施加激勵。

4）對于面積質量比大的衛星艙板產品，在結構上同時施加隨機振動載荷和噪聲載荷，聲振組合試驗考核更加合理。

（References）

[1] Frank J O.A comparative evaluation of test methods to simulate acoustic response of shroud enclosed spacecraft structures,NASA-TN-D-7912[R].Goddard Space Flight Center,1975

[2] 鄧衛華,俞偉學,施修明.小衛星隨機振動試驗和噪聲試驗對比研究[J].航天器工程,2009,18(1): 79-82 Deng Weihua,Yu Weixue,Shi Xiuming.Comparative research between random vibration test and acoustic test for small-satellite[J].Spacecraft Engineering,2009,18(1): 79-82

[3] Haughton J.System level mechanical testing of the Clementine spacecraft,N95-14087[R],1995

[4] Scharton T D.Vibration and acoustic testing of spacecraft[J].Sound and Vibration,2002,36: 14-19

[5] Forgrave J C,Man K F,Newell J M.Acoustic and random vibration test for low-cost missions[C]//Institute of Environmental Sciences: The 44thAnnual Technical Meeting.Phoenix,Arizona,1998

[6] Larko J M,Cotoni V.Vibro-acousitc response of the NASA ACTS spacecraft antenna to launch acoustic excitation,NASA/TM-2008-215168[R]

[7] Wang J,Ning W,Zhang J H .Simulation and analysis of the cabin typical structure under vibro-acoustic combined environment[C]//2009 International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation.Changsha,2009: 327-330

[8] Boatman D,Scharton T.Vibration and acoustic testing of TOPEX/POSEIDON satellite,NASA-N93-15599[R].Goddard Space Flight Center,1992

[9] 晏廷飛,張俊剛,方貴前,等.某航天器天線聲振組合環境試驗與單項環境試驗對比研究[J].航天器環境工程,2014,31(2): 154-157 Yan Tingfei,Zhang Jungang,Fang Guiqian,et al.A comparison between vibro-acoustic environment test and single environment test for a spacecraft antenna[J].Spacecraft Environment Engineering,2014,31(2): 154-157

[10] 楊江,張俊剛,方貴前,等.航天器組件聲振組合環境試驗與仿真技術[J].航天器環境工程,2014,31(4): 369-373 Yang Jiang,Zhang Jungang,Fang Guiqian,et al.Vibro-acoustic environment test and its simulation for spacecraft components[J].Spacecraft Environment Engineering,2014,31(4): 369-373

[11] 李春麗,陳強洪,蒲永飛.隨機振動試驗和噪聲試驗的有效性分析[J].航天器環境工程,2007,24(3): 187-189 Li Chunli,Chen Qianghong,Pu Yongfei.Spacecraft vibration test optimization in system and component level[J].Spacecraft Environment Engineering,2007,24(3): 187-189