航天器艙壁加筋結構中泄漏聲波傳播特性與泄漏定位影響研究

綦 磊，岳桂軒，邵容平，孫立臣，芮小博，孫 偉

(1.天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津300072；2.北京衛星環境工程研究所，北京100094)

1 引言

載人飛船、空間站等低軌航天器在軌運行時，容易受到空間碎片撞擊產生航天器艙體結構泄漏，嚴重威脅航天器正常運行和航天員的生命安全。美國航天飛機從任務STS-1到STS-10已經多次更換舷窗。美國長期暴露裝置(LDEF)在軌運行67個月后，經回收檢測到了多達數以萬計的撞坑。2015年，NASA在檢修中發現國際空間站多功能服務艙(MLM)上直徑在0.1～1.5 mm的撞擊坑有75個；燃料箱組件(ATA)在軌7年間形成了49個直徑在0.1～1 mm的撞擊坑。2018年8月29日，國際空間站遭到空間碎片的撞擊，造成艙體破損出現空氣泄漏，出現空氣泄漏的位置在聯盟號MS-09軌道艙上。因此，研究航天器在軌泄漏檢測意義重大。

對于較大的編目碎片(大于10 cm)主要采用碰撞預警，進而對航天器實施機動規避；對于微小空間碎片(小于1 mm)主要采用適當防護措施(增加Whipple防護結構等)來增強航天器的防御能力；而對于1 mm～10 cm之間的空間碎片撞擊，沒有很好的解決辦法，只能加強碎片碰撞及泄漏的檢測，必要時進行修復。2000年以來，美國NASA、俄羅斯聯邦航天局(Roskosmos)、歐洲空間局(ESA)等研究機構針對航天器在軌泄漏檢測開展了大量的研究工作，主要包括紅外熱成像、電阻變化檢漏、質譜檢漏及聲發射檢漏等。其中，聲發射泄漏檢測技術因為靈敏度高、易于工程應用而獲得關注。沈功田等采用快速傅里葉變換(FFT)、小波分析和神經網絡識別技術對泄漏聲發射信號和噪聲進行分離處理，采用基于衰減和波形分析2種方法對泄漏源進行定位，在100 m長管道上可檢測直徑l mm的泄漏孔，定位誤差率為傳感器距離的10%。劉增華等以各向異性復合材料板為試驗對象，分析了復合材料板中聲發射信號的傳播特性，最后通過布置傳感器陣列實現了復合材料板中的聲發射源定位。該方法通過使用3個距離十分接近的傳感器進行信號采集，根據不同傳感器之間的信號到達時間差，結合位置關系計算出復合材料中聲源方向以及此方向上的聲波波速。仿真分析證明該方法具有可行性，但實驗樣本較少，其工程應用效果有待進一步考證。芮小博等提出一種可在復雜結構中對連續泄漏信號進行定位的幅度譜索引法，使用分布式傳感器網絡，采用幅度譜特征值建立索引矩陣，根據最小方差確定泄漏位置。該方法需要預先建立由被測件各點幅度譜特征值構成的數據庫，且1個數據庫僅能夠針對1個試件進行定位，無法適用空間站這種大型復雜結構的泄漏定位。

當前，多數泄漏定位方法均是從原理及算法方面進行改進，尚無根據加筋板自身特性進行針對性改進的定位方法；且聲波在橫縱復雜加強筋結構中的傳播特性仍需進一步研究，為航天器復雜結構泄漏定位算法參數優化提供依據。為解決以上問題，本文提出加筋板距離補償過筋系數的概念，用以表征加強筋在聲波傳播過程中的影響。通過加筋板和平板對比實驗，研究聲波經過加強筋的頻率和幅值特性，并得到距離補償過筋系數曲線。研究結果可為航天器泄漏檢測聲波頻段選擇提供指導，并有助于提高傳統算法對于加筋板的適應性及檢測精度。

2 距離補償過筋系數計算方法

航天器密封艙體出現泄漏時，氣體在壓力差的作用下從密封結構中沿泄漏通道向艙外真空環境泄漏，氣體介質穿過微小孔徑時，其流速較高，處于湍流狀態，包含大量的湍流漩渦，氣體湍流漩渦間相互作用及旋渦與孔壁之間相互作用產生泄漏聲源。隨后，聲波沿航天器艙壁向四周傳播。由于航天器在軌泄漏下游為真空環境，氣流旋渦較常規泄漏少，泄漏噪聲微弱。真空環境下的泄漏射流噪聲存在明顯的聲腔反射，將激發出多種共振模態，聲源更加復雜。除此之外，為了降低質量，載人航天器艙體多采用加筋板結構，當聲波經過加強筋時一部分反射，一部分透射；并且在加強筋處，聲波垂直板面沿著加強筋方向向上傳播，并經過加強筋上表面發生反射，如圖1所示。這就使得航天器在軌泄漏定位比傳統壓力容器泄漏定位更困難。

在均勻薄板結構中，聲波能量隨傳播距離增大逐漸衰減，各頻帶衰減程度基本一致。而在加筋板中存在多方向傳輸的復雜現象，并且各頻帶聲波傳播特性區別很大。本文提出一種距離補償聲波過筋系數計算方法，用某頻率為f的聲波在加筋板和平板中傳播相同距離后的能量比值來表示，如式(1)所示。

圖1 加強筋節點處聲波多方向傳播示意圖Fig.1 Schematic diagram of multi-directional propagation of acoustic waves at reinforcement joints

其中，E(f)表示加筋板中頻率為f的蘭姆波在經過加強筋后的能量，E(f)表示平板中頻率為f的蘭姆波在傳播相同距離后的能量。在實際計算中具體頻率的能量通過對以該頻率為中心5 kHz頻率范圍內的頻譜進行積分獲得，計算公式見式(2):

其中FFT(ω)代表信號的頻譜。計算時以1 kHz為步長，從100 kHz逐步計算加強筋的過筋系數直至400 kHz。

3 距離補償過筋系數測定實驗

為開展過筋系數測定實驗，搭建了實驗系統，由真空泄漏系統和數據采集系統組成，其中真空泄漏系統用于模擬空間環境下的氣體從大氣向真空泄漏，數據采集系統用于對泄漏聲波的預處理、采集存儲與數據分析。實驗系統結構圖如圖2所示。

真空泄漏系統主要由真空泵(TRP24型)、閥門、抽氣管道和實驗板組成。實驗板又分為平板和加筋板2種，實驗板上預先制作直徑1.0 mm的圓形漏孔。通過真空泵抽真空可以模擬漏率為0.1 Pa·m/s以上的泄漏。加筋板和平板均采用航天常用的5A06鎂鋁合金板整體加工而成，具體參數如表1所示。加筋板和平板四周粘貼吸收膠泥，可有效抑制邊界聲波反射，實驗板實物圖如圖3所示。

圖2 實驗系統圖Fig.2 Schematic diagram of the experiment system

表1 實驗板參數表Table 1 Parameters of test plates

圖3 實驗板實物圖Fig.3 Photos of test plates

數據采集系統由聲發射傳感器、信號放大器、數據采集儀和計算機等組成。考慮到航天器背景噪聲頻率主要集中在100 kHz以下，傳感器采用Nano30型聲發射傳感器(美國PAC公司)，該型號傳感器在100～400 kHz頻率范圍內具有較好的頻率響應，滿足本實驗的需求。聲發射前置放大器的頻率范圍為20～1000 kHz，輸出阻抗50Ω，信號增益40 dB。數據采集儀為DS2-8A型8通道全信息聲發射信號分析儀，具體參數如表2所示。實驗數據采用MATLAB軟件離線處理。

表2 數據采集儀參數表Tab le 2 Parameters of data acquisition instrum ent

為計算加強筋的過筋系數，在加筋板與平板上進行對比實驗。以加筋板中心為坐標原點，利用加筋板上(0，0)處直徑1.0 mm漏孔泄漏為聲源，將2只聲發射傳感器分別布設在過1條加強筋的A點(20，0)和過2條加強筋的B點(40，0)，如圖4(a)所示，利用數據采集系統采集2只傳感器的信號60 ms。按照相同的傳感器及聲源位置，利用平板重復上述實驗，如圖4(b)所示。

圖4 傳感器布設位置示意圖Fig.4 Schematic diagram of sensor location

實驗得到的加筋板與平板中各采集位置的泄漏信號如圖5、圖6所示。

圖5 加筋板各傳感器信號時域及頻域圖Fig.5 Time-domain and frequency-domain signals in stiffened p late

從時域圖中可以看出，加筋板中A點信號相對平板中A點信號，幅值減少50%左右；加筋板中B點信號相對平板中B點信號，幅值減少70%左右，說明加強筋對于泄漏聲發射信號的傳播有較大衰減作用，并且經過加強筋數目越多，幅值衰減越嚴重。從頻域圖中可以看出，平板中的泄漏聲發射信號能量主要集中在100～180 kHz的低頻部分，而加筋板中180 kHz以上高頻部分能量占比顯著增加，說明100～180 kHz低頻成分在加筋板中衰減更為顯著。

圖6 平板各傳感器信號時域及頻域圖Fig.6 Time-domain and frequency-domain signals in surface plate

為進一步分析加強筋對泄漏聲發射信號傳播的影響，利用式(1)計算得到經過1條筋和2條筋的聲波距離補償過筋系數曲線，如圖7所示。

圖7 距離補償過筋系數曲線Fig.7 Curves of distance com pensated stiffener coefficient

圖7中經過不同數量的加強筋后，信號在不同頻率的變化不盡相同，但仍有相似規律，2種情況下的距離補償過筋系數曲線隨頻率變化上下浮動，呈相似的梳齒狀，100～180 kHz范圍內的過筋系數相對較小，250 kHz及350 kHz附近存在峰值。對比2條曲線可以看出，經過1條筋的過筋系數整體大于經過2條筋的過筋系數，與信號時頻分析結果一致。

4 聲波傳播特性對泄漏定位影響

泄漏聲波為連續性信號，無明顯起始時刻，傳統的聲達時差法無法進行準確的泄漏源定位。通常使用聲陣列傳感器對泄漏源進行定向，再由2組陣列傳感器根據三角形關系進行泄漏定位，如圖8所示。

圖8 三角定位原理圖 Fig.8 Schematic diagram of triangulation location

波場成像是一種常用的泄漏定向算法，該方法通過三維傅里葉變換，將時域-空間域信號轉換為頻域-波數域信號。在波數域中，波數的方向與聲波傳播方向一致，因此可根據波數域云圖中最大強度點來判斷泄漏聲源的方向，如圖9所示。

圖9 波數域成像定向圖Fig.9 W ave field imaging orientation map

當航天器艙壁上存在加強筋時，由于不同頻率信號通過加強筋時的反射-透射比不同，使得不同頻率下泄漏源定位結果不同。因此，根據聲波傳播特性，選取合適頻帶的聲信號進行泄漏定位，可以減小泄漏定位誤差。

為探究不同濾波頻率下定向結果的準確性，使用8×8陣元微陣列傳感器分別對1.0 mm、1.5 mm、2.0mm 3個不同孔徑的泄漏孔進行定向實驗，每個漏孔進行10次定位，陣列傳感器如圖10所示，傳感器及漏孔布局如圖11所示，圖中細線為標志網格線，粗線代表加強筋或板子邊緣。

圖10 陣列傳感器Fig.10 Photo of sensor array

圖11 傳感器及漏孔布局圖Fig.11 Layout of sensor and leakage holes

使用不同頻帶得到的所有定向實驗的平均定向誤差如表3所示。從表中可以看出，161～190 kHz、191～220 kHz、221～250 kHz以及251～280 kHz 4個頻段的平均定向誤差較小，這一結果與該頻帶內距離補償過筋系數較大的結果相一致。在341～370 kHz頻帶內距離補償過筋系數較大，然而泄漏定位誤差較大，其原因是泄漏聲波在300 kHz以上頻段分量很小，泄漏聲波信噪比太小造成。由此可以看出，距離補償過筋系數曲線可以為泄漏定位的濾波頻率選擇提供參考，選擇過筋系數較大且信號能量較大的濾波頻帶可提高泄漏定向準確性。

表3 不同濾波頻率定向誤差Table 3 Orientation error of different filter frequency bands

5 結論

為研究加強筋結構對泄漏聲發射信號的影響，本文對比分析了加筋板與平板中信號的時域及頻域特征，并提出了一種可以量化表征加強筋結構對不同頻率信號影響的距離補償過筋系數。通過實驗對比發現:

1)加強筋對信號幅值有明顯的衰減作用，隨著信號經過加強筋數量的增加，信號衰減越明顯。

2)該典型加強筋結構中，距離補償過筋系數曲線呈梳齒狀分布，不同頻率過筋系數不同，整體上看，180 kHz以上高頻部分過筋系數明顯大于低頻部分。

3)相同頻帶下，漏孔越大，泄漏聲信號幅值越大，信噪比越大，漏孔定向誤差越小。

4)結合定向實驗發現，過筋系數曲線可指導濾波頻率的選取，選取泄漏聲波能量較大且過筋系數較大的濾波頻率可提高定向準確性。

本文研究結果對我國空間站等載人航天器在軌泄漏定位中聲波頻帶的選取具有指導意義。