小衛(wèi)星聲-振聯(lián)合試驗(yàn)耦合響應(yīng)分析及預(yù)估

張 群，畢京丹，王英誠，衛(wèi) 國，胡彥平

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076）

小衛(wèi)星聲-振聯(lián)合試驗(yàn)耦合響應(yīng)分析及預(yù)估

張 群，畢京丹，王英誠，衛(wèi) 國，胡彥平

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076）

衛(wèi)星在主動(dòng)段承受發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)推力和氣動(dòng)噪聲激勵(lì)復(fù)合作用下的振動(dòng)環(huán)境。以整星模型為試驗(yàn)對象，分別開展了衛(wèi)星的振動(dòng)臺隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)、噪聲試驗(yàn)和聲-振聯(lián)合試驗(yàn)。對3組試驗(yàn)結(jié)果的對比分析發(fā)現(xiàn)，聲-振聯(lián)合試驗(yàn)中，基礎(chǔ)激勵(lì)和噪聲激勵(lì)對不同結(jié)構(gòu)處響應(yīng)在低頻段和中高頻段具有不同的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，提出了一種工程應(yīng)用方法，即用振動(dòng)臺試驗(yàn)和噪聲試驗(yàn)的響應(yīng)極值包絡(luò)法以及線性疊加法以預(yù)示聲-振聯(lián)合試驗(yàn)的響應(yīng)。

衛(wèi)星；振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)；聲-振聯(lián)合試驗(yàn)；耦合響應(yīng)

0 引言

衛(wèi)星在發(fā)射及主動(dòng)段飛行過程中將經(jīng)受由火箭發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)推力和整流罩氣動(dòng)噪聲激勵(lì)復(fù)合作用的振動(dòng)環(huán)境。脈動(dòng)推力激勵(lì)的振動(dòng)通過機(jī)械結(jié)構(gòu)傳遞到衛(wèi)星，氣動(dòng)噪聲通過罩內(nèi)空腔的空氣振蕩傳遞至衛(wèi)星上。為了考核衛(wèi)星及其有效載荷承受此環(huán)境的能力，通常采用振動(dòng)臺隨機(jī)振動(dòng)或噪聲試驗(yàn)考核。選擇做隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)還是做噪聲試驗(yàn)，目前仍存在分歧。GJB 1027指出，一般對于質(zhì)量不超過450 kg的衛(wèi)星，可以用隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)代替噪聲試驗(yàn)[1]。對于質(zhì)量在 500～1000 kg的衛(wèi)星，如何選擇試驗(yàn)項(xiàng)目存在爭議[2-4]。由于 2種激勵(lì)的機(jī)理不同，彼此無法完全取代，尤其是二者的耦合試驗(yàn)，若選擇其中的一種試驗(yàn)，則必然存在考核不充分、或不能呈現(xiàn)復(fù)合激勵(lì)下振動(dòng)耦合響應(yīng)的情況。因此，有必要開展聲-振聯(lián)合環(huán)境試驗(yàn)[5-6]。

國內(nèi)相關(guān)單位開展了一些聲-振聯(lián)合試驗(yàn)的研究。晏廷飛等[7]對某航天器的天線進(jìn)行了聲-振聯(lián)合試驗(yàn)和單項(xiàng)試驗(yàn)的對比研究。楊江等[8]以太陽能電池陣為對象開展了聲-振聯(lián)合試驗(yàn)和仿真分析。張紅亮等[9]對小衛(wèi)星的太陽能電池陣開展了聲-振聯(lián)合試驗(yàn)。然而國內(nèi)開展的聲-振聯(lián)合試驗(yàn)項(xiàng)目及研究尚缺對噪聲試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)與聲-振聯(lián)合試驗(yàn)的差異性系統(tǒng)分析，不能完全反映3種試驗(yàn)對航天器整體結(jié)構(gòu)考核的差異，對試驗(yàn)項(xiàng)目的選擇也未能提供可靠的指導(dǎo)依據(jù)。

為進(jìn)一步對比不同試驗(yàn)技術(shù)的效果，本文開展了衛(wèi)星整星模型的聲-振聯(lián)合試驗(yàn)、噪聲試驗(yàn)以及隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的對比研究，在組合體模型上各個(gè)關(guān)鍵部位設(shè)置測點(diǎn)并采集響應(yīng)信號，以分析不同結(jié)構(gòu)處3種試驗(yàn)的響應(yīng)差異，尤其考查聲-振聯(lián)合激勵(lì)環(huán)境試驗(yàn)考核的有效性，為后續(xù)航天器產(chǎn)品的力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目及條件剪裁提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 整星模型

針對研究目的，試驗(yàn)件采用質(zhì)量為600 kg的小衛(wèi)星模型（如圖1所示）。該模型主要由梁結(jié)構(gòu)、板結(jié)構(gòu)、承力筒結(jié)構(gòu)及各種集中質(zhì)量塊組合而成，包括天線、太陽電池陣、承力筒、井字梁、橫隔框、質(zhì)量塊、衛(wèi)星支架等。集中質(zhì)量塊分布在井字梁和骨架上。天線為圓形結(jié)構(gòu)，太陽電池陣為板殼結(jié)構(gòu)，中心承力筒為圓柱形筒狀結(jié)構(gòu)（含儀器支架），衛(wèi)星支架為錐段結(jié)構(gòu)。

圖1 用于振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)的衛(wèi)星模型Fig. 1 Satellite model for dynamic environmental test

1.2 試驗(yàn)原理

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)由電磁振動(dòng)臺完成。衛(wèi)星通過工裝固定于振動(dòng)臺上，將控制儀生成的驅(qū)動(dòng)信號通過功率放大器逐級放大以驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺，同時(shí)將控制點(diǎn)的響應(yīng)信號反饋至控制儀，并與設(shè)定好的參考譜進(jìn)行比較、修正，得到新的驅(qū)動(dòng)譜；如此反復(fù)進(jìn)行，直至控制譜滿足試驗(yàn)控制精度要求。

噪聲試驗(yàn)在混響室中進(jìn)行。衛(wèi)星模型放置在混響室的中心位置，用行波管支架進(jìn)行彈性支撐。噪聲環(huán)境經(jīng)由控制儀生成的驅(qū)動(dòng)信號通過功率放大器逐級放大，由噪聲發(fā)生器產(chǎn)生，同時(shí)將控制點(diǎn)的聲信號反饋至控制儀，并與設(shè)定好的參考譜進(jìn)行比較、修正，得到新的驅(qū)動(dòng)譜；如此反復(fù)進(jìn)行，直至控制譜滿足試驗(yàn)控制精度要求。

聲-振聯(lián)合試驗(yàn)是將振動(dòng)臺放置在混響室的中心位置，衛(wèi)星通過工裝固定于振動(dòng)臺上，試驗(yàn)時(shí)振動(dòng)臺和噪聲源同時(shí)施加激勵(lì)，并通過各自的反饋回路與控制譜對比修正，直至達(dá)到控制精度要求。

1.3 試驗(yàn)條件

本研究的試驗(yàn)項(xiàng)目安排了整星模型的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)、噪聲試驗(yàn)和聲-振聯(lián)合試驗(yàn)。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)和噪聲試驗(yàn)的試驗(yàn)條件均為實(shí)測譜，其中隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制譜條件如圖2所示，頻率為20～2560 Hz，量級為4.93g；噪聲試驗(yàn)的控制譜條件如圖3所示，聲壓級為142 dB。隨機(jī)振動(dòng)的激勵(lì)方向?yàn)樾l(wèi)星軸向（x向）。試驗(yàn)中選取的關(guān)鍵部位測點(diǎn)分別為天線罩、上蓋板、太陽電池陣、柱段、柱段外質(zhì)量塊、2個(gè)井字梁、承力筒、隔板質(zhì)量塊、星箭界面、衛(wèi)星支架、中心內(nèi)質(zhì)量塊等共17處，測點(diǎn)位置及編號如圖1中所示，編號中的“-3”表示3向（x、R、T）測點(diǎn)，R向?yàn)槌辛ν不蛱炀€罩的徑向，T向?yàn)槌辛ν不蛱炀€罩的切向。

圖2 隨機(jī)振動(dòng)控制譜條件Fig. 2 Random vibration control spectrum

整星模型組合體的支架下端面用密封板密封，采用圖3的條件進(jìn)行了噪聲試驗(yàn)，之后又采用圖2和圖3的條件分別完成了隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)和聲-振聯(lián)合試驗(yàn)。

圖3 噪聲控制譜條件Fig. 3 Acoustic control spectrum

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

由于隨機(jī)振動(dòng)的激振方向?yàn)閤向，故將整星模型組合體的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)、噪聲試驗(yàn)和聲-振聯(lián)合試驗(yàn)x向的測點(diǎn)響應(yīng)進(jìn)行對比，部分關(guān)鍵點(diǎn)的方均根響應(yīng)結(jié)果如表 1所示，其中分析頻率范圍均為20～2560 Hz，另外還給出了將測點(diǎn)的振動(dòng)試驗(yàn)和噪聲試驗(yàn)兩者的功率譜幅值相加后的新功率譜的方均根響應(yīng)結(jié)果。

表1 噪聲試驗(yàn)、隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)和聲-振聯(lián)合試驗(yàn)關(guān)鍵測點(diǎn)的響應(yīng)Table 1 Responses of main gauging points for noise test, random vibration test and vibro-acoustic test

對不同結(jié)構(gòu)處測點(diǎn)的 3種試驗(yàn)響應(yīng)進(jìn)行對比統(tǒng)計(jì)（見圖4），得到如下結(jié)果：

1）柱段外質(zhì)量塊與隔板質(zhì)量塊等處的響應(yīng)規(guī)律基本一致。以圖 4(a)柱段外質(zhì)量塊上的響應(yīng)為例，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)響應(yīng)與聲-振聯(lián)合試驗(yàn)的響應(yīng)相近；從中低頻段（大于 300 Hz）開始，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的響應(yīng)雖然衰減，但仍與聲-振聯(lián)合試驗(yàn)響應(yīng)的結(jié)果相近；在整個(gè)頻帶上，噪聲試驗(yàn)的激勵(lì)效果都很小；聲-振聯(lián)合試驗(yàn)以振動(dòng)臺基礎(chǔ)激勵(lì)響應(yīng)占主導(dǎo)。

2）天線罩、上蓋板和太陽電池陣等處的響應(yīng)規(guī)律基本相同。以圖4(b)柱段外質(zhì)量塊上的響應(yīng)為例，此處的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)響應(yīng)與噪聲試驗(yàn)響應(yīng)的曲線出現(xiàn)交叉，將交叉處的頻率定義為交越頻率。在交越頻率之前的低頻段，聲-振聯(lián)合試驗(yàn)的響應(yīng)以基礎(chǔ)激勵(lì)響應(yīng)為主；高于交越頻率（260 Hz）后，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的響應(yīng)衰減，高頻激勵(lì)效果很小，而噪聲試驗(yàn)的激勵(lì)效應(yīng)增大，故在跨越交越頻率后聲-振聯(lián)合試驗(yàn)的響應(yīng)以噪聲激勵(lì)響應(yīng)為主。

3）衛(wèi)星支架、星箭界面、承力筒和井字梁等處的響應(yīng)規(guī)律基本相同。以圖 4(c)內(nèi)部井字梁為例，低頻段噪聲試驗(yàn)激勵(lì)的作用很小，主要以振動(dòng)臺的激勵(lì)為主；從中低頻段開始，噪聲試驗(yàn)激勵(lì)的響應(yīng)開始增大并起主導(dǎo)作用，隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的響應(yīng)有所衰減但仍起作用；500～1000 Hz三者的響應(yīng)重合，說明在此頻段這些結(jié)構(gòu)處噪聲激勵(lì)和基礎(chǔ)激勵(lì)二者之間出現(xiàn)耦合作用，抑制了聲-振響應(yīng)的量級，而之后的高頻段又以噪聲激勵(lì)起主導(dǎo)作用。

圖4 不同結(jié)構(gòu)測點(diǎn)處的3種試驗(yàn)的振動(dòng)響應(yīng)對比Fig. 4 Comparison of responses among random vibration test,noise test and vibro-acoustic test for different structural points

分析形成以上不同響應(yīng)規(guī)律的主要原因如下：

1）不同的結(jié)構(gòu)類型對噪聲的敏感程度不同。表面積/質(zhì)量比小的結(jié)構(gòu)對噪聲不敏感，對于該類結(jié)構(gòu)，低頻段的聲-振環(huán)境可用隨機(jī)振動(dòng)近似考核；而表面積/質(zhì)量比大的結(jié)構(gòu)對噪聲敏感，故該類結(jié)構(gòu)高頻段的聲-振環(huán)境可用噪聲試驗(yàn)近似考核。

2）噪聲對結(jié)構(gòu)的影響還與結(jié)構(gòu)的空間位置有關(guān)。內(nèi)部井字梁、衛(wèi)星支架處雖然具有較大的表面積/質(zhì)量比，但同時(shí)這些結(jié)構(gòu)處于主傳遞路徑上，存在振動(dòng)與噪聲的耦合響應(yīng)。低頻振動(dòng)產(chǎn)生的變形對結(jié)構(gòu)形成的應(yīng)力，在一定程度上抑制了局部高頻響應(yīng)的極值；而中高頻段的聲-振耦合響應(yīng)既有別于噪聲試驗(yàn)結(jié)果也有別于隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果，故這些結(jié)構(gòu)處建議用聲-振聯(lián)合試驗(yàn)考核。

3 聲-振聯(lián)合試驗(yàn)響應(yīng)預(yù)示

利用振動(dòng)試驗(yàn)和噪聲試驗(yàn)的實(shí)測數(shù)據(jù)，采用線性疊加法和極值包絡(luò)法對聲-振聯(lián)合試驗(yàn)的響應(yīng)進(jìn)行預(yù)示。線性疊加法預(yù)示聲-振聯(lián)合試驗(yàn)響應(yīng)功率譜是采用噪聲試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)的響應(yīng)功率譜值相加，極值包絡(luò)法預(yù)示聲-振聯(lián)合試驗(yàn)響應(yīng)功率譜是采用全頻段內(nèi)每個(gè)頻率處取噪聲試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)響應(yīng)功率譜值中較大者。功率譜密度曲線和方均根對比結(jié)果分別如圖5和表2所示。對圖4中3個(gè)代表測點(diǎn)處的極值包絡(luò)法、線性疊加法的預(yù)示結(jié)果與聲-振聯(lián)合試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比。

圖5 3個(gè)測點(diǎn)處的響應(yīng)極值包絡(luò)、線性疊加響應(yīng)和實(shí)際聲-振響應(yīng)對比Fig. 5 Comparisons among the extremum envelope of responses,the superimposition of responses, and the actual vibroacoustic responses at three measurement points

表2 關(guān)鍵測點(diǎn)響應(yīng)極值包絡(luò)、線性疊加響應(yīng)和實(shí)際聲-振響應(yīng)對比Table 2 Comparison among the extremum envelope of responses,the superimposition of responses and the actual vibro-acoustic responses at key measurement points

由對比結(jié)果可知，極值包絡(luò)法和線性疊加法的結(jié)果除在低頻段略低于聲-振聯(lián)合試驗(yàn)的結(jié)果，在其他頻段都與聲-振聯(lián)合試驗(yàn)的響應(yīng)結(jié)果基本相同，但中高頻段線性疊加法的結(jié)果稍高于聲-振聯(lián)合試驗(yàn)的結(jié)果，這與噪聲激勵(lì)和基礎(chǔ)激勵(lì)的耦合作用分析一致：即在噪聲響應(yīng)開始占主導(dǎo)時(shí)，低頻振動(dòng)產(chǎn)生的變形對結(jié)構(gòu)形成的應(yīng)力，在一定程度上抑制了聲-振聯(lián)合試驗(yàn)中高頻響應(yīng)的幅值，并最終使疊加結(jié)果的方均根響應(yīng)皆略大于聲-振聯(lián)合試驗(yàn)的結(jié)果。振動(dòng)試驗(yàn)加速度響應(yīng)規(guī)定的允差為10%，3種情形各測點(diǎn)的最大偏差見表2，相比之下，極值包絡(luò)法的預(yù)示結(jié)果更為準(zhǔn)確。

因此，可以用噪聲試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)線性疊加以及極值包絡(luò)的方法大致預(yù)示聲-振聯(lián)合試驗(yàn)的結(jié)果，其中極值包絡(luò)法的預(yù)示結(jié)果更為準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

本文利用3種試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)對比研究，得到以下結(jié)論：

1）聲-振聯(lián)合試驗(yàn)中，不同結(jié)構(gòu)處基礎(chǔ)激勵(lì)和噪聲激勵(lì)對低頻段和中高頻段的振動(dòng)響應(yīng)具有不同的影響效果，整體上低頻段以基礎(chǔ)激勵(lì)的響應(yīng)占主導(dǎo)，高頻段以噪聲激勵(lì)的響應(yīng)為主，但也會出現(xiàn)兩者的耦合作用。

2）若考核星上設(shè)備，可選用隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)或噪聲試驗(yàn)；若考核整星或組合結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)部位聲-振響應(yīng)規(guī)律不同，不能僅用隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)或噪聲試驗(yàn)代替，否則會導(dǎo)致部分結(jié)構(gòu)過試驗(yàn)或欠試驗(yàn)，但可針對不同頻段用2種試驗(yàn)的響應(yīng)數(shù)據(jù)的極值包絡(luò)法和線性疊加法相結(jié)合來大致預(yù)示聲-振聯(lián)合試驗(yàn)。

3）振動(dòng)條件不僅在低頻段起作用，對有些結(jié)構(gòu)處，中高頻的激勵(lì)也有作用，需要制定較寬頻帶的振動(dòng)條件；而噪聲條件在交越頻率以下基本不起作用，故可以適當(dāng)提高噪聲條件的起始頻率。

以上結(jié)論為小衛(wèi)星聲-振聯(lián)合試驗(yàn)考核方案制定和試驗(yàn)條件剪裁提供指導(dǎo)。

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Analysis and estimation of satellite coupling responses in vibro-acoustic test

ZHANG Qun, BI Jingdan, WANG Yingcheng, WEI Guo, HU Yanping
(Beijing Institute of Structure and Strength, Beijing 100076, China)

The satellite encounters a vibro-acoustic environment in the powered phase caused by the pulsating and the thrust of the engine and the aerodynamic noise. The random vibration test, the acoustic noise test and the vibro-acoustic test are carried out separately for a satellite model. By comparing these results, it is found that at different frequency ranges, the base vibration and the acoustic noise have different effects on the structure's vibro-acoustic response. Based on this, a method is proposed to predict the vibro-acoustic response using the sum or the extremum envelope of the vibration and noise responses.

satellite; dynamic environmental test; vibro-acoustic test; coupling responses

V416.5

A

1673-1379(2017)05-0495-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.05.007

2017-07-25；

2017-09-11

張群, 畢京丹, 王英誠, 等. 小衛(wèi)星聲-振聯(lián)合試驗(yàn)耦合響應(yīng)分析及預(yù)估[J]. 航天器環(huán)境工程, 2017, 34(5):495-499

ZHANG Q, BI J D, WANG Y C, et al. Analysis and estimation of satellite coupling responses in vibro-acoustic test[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(5): 495-499

（編輯：肖福根）

張 群（1988—），男，博士學(xué)位，研究方向?yàn)檎駝?dòng)環(huán)境可靠性技術(shù)。E-mail: neaper@163.com。