CN104091590A - 高声强声场的模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高声强声场的模拟装置，包括依次连接的声发生器、喇叭、行波管试验段，最后接入消声终端，喇叭包括圆喇叭，变换喇叭，方喇叭。喇叭的结构频率与蜿蜒系数有关系，行波管要求内部光滑以避免声的反射，行波管出口处布置有消声终端。应用该试验装置在行波管内可以得到总声压级为168dB的行波声场。

Description

高声强声场的模拟装置

技术领域

本发明属于航天器动力学试验领域，具体来说，本发明涉及一种高声强声场模拟装置。

背景技术

目前国内外对航天器(包括卫星、载人飞船、深空探测器)声试验的重要性和做法已经取得共识：系统级航天器高声强环境试验仍是航天器受声振环境最好的地面模拟试验方法。MIL-STD-810F以及MIL-STD-1540E规定系统级航天器研制必须进行原型噪声试验。对照国外的混响室设备指标和噪声试验，我部在混响室的容积水平上相差不大，但是在总声压级和控制精度上距离国外的先进水平还有一定的差距，如美国早在阿波罗探月工程中的噪声试验量级就已达到了165dB。而我部现有混响室声场模拟能力的最大总声压级仅为154dB，甚至更低。

目前以二代导航卫星为代表的我国卫星朝多元化发展，如深空探测卫星、高轨道卫星、载人航天二期等，对地面试验模拟能力要求越来越高。载人航天的返回舱，返回式卫星以及在发射过程中出现故障时进行逃逸时都有暴露在大气中的高速运动的过程，在这种情况下，势必经历高声强的声学环境。因此，为保证导航二代卫星和今后更多航天器研制任务的顺利进行，满足未来深空探测的需要；有必要研制一套具有高声强模拟能力的噪声试验设备，对高声强声源系统进行研究，获得总声压级能达到165dB的声场。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够进行高声压级行波声场的声场模拟装置，用于进行航天器部件产品的环境模拟试验。

本发明通过如下技术方案实现：

高声强声场的模拟装置，包括依次连接的声发生器、喇叭、行波管，最后接入消声终端，其中，喇叭分为三段，由声发生器到行波管依次为圆喇叭、变换喇叭、方喇叭；

圆喇叭的沿轴向剖面的侧壁曲线为指数曲线，法向截面为圆形，圆直径变化满足以下公式：

$\mathrm{\φ}={\mathrm{\φ}}_0{e}^{\frac{\mathrm{mx}}{2}}$

式中：φ₀－声发生器出口的直径；

m－蜿展常数；蜿展常数公式如下：

$m=\frac{4\mathrm{\π}{f}_0}{c}$

式中：f₀－喇叭的下限截至频率；

x－为声发生器至扩充段的轴向距离；

c－空气中声传播的速度，

变换喇叭的法向截面由圆形逐渐过渡为方形，横截面积满足以下公式：

S＝S₀e^mx

式中：S₀－为喇叭喉部截面面积；

x－为喉部至扩充段的轴向距离；

m－蜿展常数，蜿展常数的定义同上；

方喇叭的法向截面为矩形，截面边长变化满足公式：

a＝a₀e^mx/2

式中：a₀－变换喇叭出口的正方形边长；

x－为变换喇叭入口至扩充段的轴向距离；

m－蜿展常数，蜿展常数的定义同上；

行波管的截面积采用矩形截面，按照矩形行波管的特征方程式计算模态频率：

${\mathrm{fn}}_x{n}_y=\frac{c_0}{2}{[{\left(\frac{n_x}{l_x}\right)}^2+{\left(\frac{n_y}{l_y}\right)}^2]}^{\frac{1}{2}}$

式中：f—行波管模态频率；l_x，l_y—行波管横向尺寸；n_x，

n_y—整数，c₀—介质声速；

以上称为行波管的截止频率，当行波管中的声波频率小于该频率时，管中声波为平面波。

优选地，声发生器、圆喇叭、变换喇叭、方喇叭、行波管通过螺钉连接并加以固定。

优选地，行波管支架与地面之间连接时，充分考虑到隔震。

优先地，圆喇叭、变换喇叭、方喇叭、行波管加工材料优选高强度航空铝压铸板。

本发明具有如下的有益效果：

高声强声场模拟装置，应用一个发声器，通过圆喇叭、变换喇叭、方喇叭连接于行波管并且可以在600×870mm²的截面积内，形成总声压级168dB的行波试验装置。

美国早期载人飞船Apollo噪声试验达165dB，其采用的方式为行波管试验方法。

国内声试验没有应用过行波管进行试验，采用混响室方式，但是混响室产生的是反射波，而行波管产生的是平面波。

国内最大声压级不大于160dB。

附图说明

图1为本发明的高声强声场模拟装置的主视图

图2a为本发明一实施方式的高声强声场模拟装置中圆喇叭主视剖面图

图2b为本发明一实施方式的高声强声场模拟装置中圆喇叭右视图

图2c为本发明一实施方式的高声强声场模拟装置中圆喇叭左视图

图3a为本发明一实施方式的高声强声场模拟装置中变换喇叭右视图

图3b为本发明一实施方式的高声强声场模拟装置中变换喇叭左视图

图4a为本发明一实施方式的高声强声场模拟装置中方喇叭右视图

图4b为本发明一实施方式的高声强声场模拟装置中方喇叭左视图

图5a为本发明一实施方式的高声强声场模拟装置中行波管左视图

图5b为本发明一实施方式的高声强声场模拟装置中行波管主视图

具体实施方式

以下结合附图对本发明一种高声强声场模拟装置进行详细说明，具体实施方式仅为示例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。

参照图1、2a-5b分别显示了本发明高声强声场模拟装置的主视图和圆喇叭、变换喇叭、方喇叭、行波管的左视图和右视图以及圆喇叭的剖视图。根据附图显示可以知晓，本发明的高声强声场模拟装置包括圆喇叭、变换喇叭、方喇叭、行波管。其中，本发明的基于高声强声场模拟装置如图1所示，该装置由左到右由圆喇叭、变换喇叭、方喇叭、行波管依次首位相连接，构成高声强声场模拟装置。并且高声强声场模拟装置左端连接有购自南京常荣公司的20000W的声发生器，声发生器与可以产生高压气源的液氮储槽，通过自编的1/3倍频程控制系统进行控制，可以得到高声压级的气动噪声。在高声强声场模拟装置的右端连接入消声室，消声室内布置有消声尖劈。消声室可以将高声压级的噪声降低为环境准许噪声。

在高声强声场模拟装置的安装过程中应注意安装牢靠，采用必要隔震措施。

本发明的高声强模拟装置的研制原理如下：

声压级发生于声发生器，声发生器通过各种喇叭与行波管进行声阻抗匹配，以达到理想的电、气声效率。

为满足行波管中声压级沿纵向可变，其横截面积应作相应改变。遵循的规律是：不同截面处的声压与截面积之乘积保持常数。但管截面不宜突变，以防止声波反射。

行波管总声压级估算公式：

$L_p=10\lg \frac{W}{S}+120\left(\mathrm{dB}\right)$

其中：W—为电动－气电式换能器的声功率；S—试验段的截面面积；

声发生器(市购自南京常荣公司的20000W的声发生器)气电式声发生器。

声发生器和行波管之间，选用指数喇叭配合，设其截面积是管轴坐标的函数，即。我们假设其中传播的声波波振面也是按照截面积的规律变化的。

截面积S按下述公式计算：

其中：－为喇叭喉部截面面积；－为喉部至扩充段的轴向距离；－蜿展常数。－喇叭的下限截至频率；－空气中声传播的速度。

声阻抗率为：

其中：为指数喇叭的截止角频率，。

行波管的截面积采用矩形截面，按照矩形行波管的特征方程式计算横模态频率：

其中：—行波管模态频率；，—行波管横向尺寸；

，—整数，；—介质声速，。

为了保持行波管内声场均匀，低频端主要取决于终端的吸收，行波管的终端吸收要求全吸收(吸收系数大于90％)才能保证管中是行波。

本发明的本发明的一种高声强声场模拟装置的使用方法如下：

高声强声场模拟装置是通过高压汽化液氮气源提供动力，液氮经过汽化水池进行汽化，并且储存在高压气罐中，试验进行时高压气体经过声发生器，由声发生器动圈振动并切割高压气流，产生气流的振动，并且产生不同频段的声波，通过喇叭进入到行波管，在行波管内得到我们要得到的行波声场。

其中声发生器的控制采用高声强声场模拟1/3倍频程控制系统，进行控制以得到我们所需要的不同声压级的声场。

经过在本发明高声强声场模拟装置对航天器组件进行行波试验，可知本发明的行波管具有如下技术优势。

(1)声压级高。应用高声强声场模拟装置，在行波管内可以得到168dB声压级的行波声场，并且根据我们试验的需求，可以改造该装置，通过行波装置的过流截面积或者声发生器的功率来改变我们要得到的声压级。

(2)行波声场。应用高声强声场模拟装置，在行波管内得到的声场为行波声场。

尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。

Claims (5)

1.高声强声场的模拟装置，包括依次连接的声发生器、喇叭、行波管，最后接入消声终端，其中，喇叭分为三段，由声发生器到行波管依次为圆喇叭、变换喇叭、方喇叭；

圆喇叭的沿轴向剖面的侧壁曲线为指数曲线，法向截面为圆形，圆直径变化满足以下公式：

$\mathrm{\φ}={\mathrm{\φ}}_0{e}^{\frac{\mathrm{mx}}{2}}$

式中：φ₀－声发生器出口的直径；

m－蜿展常数；蜿展常数公式如下：

$m=\frac{4\mathrm{\π}{f}_0}{c}$

式中：f₀－喇叭的下限截至频率；

x－为声发生器至扩充段的轴向距离；

c－空气中声传播的速度，

变换喇叭的法向截面由圆形逐渐过渡为方形，横截面积满足以下公式：

S＝S₀e^mx

式中：S₀－为喇叭喉部截面面积；

x－为喉部至扩充段的轴向距离；

m－蜿展常数，蜿展常数的定义同上；

方喇叭的法向截面为矩形，截面边长变化满足公式：

a＝a₀e^mx/2

式中：a₀－变换喇叭入口的正方形边长；

x－为变换喇叭入口至扩充段的轴向距离；

m－蜿展常数，蜿展常数的定义同上；

行波管的截面积采用矩形截面，按照矩形行波管的特征方程式计算模态频率：

${\mathrm{fn}}_x{n}_y=\frac{c_0}{2}{[{\left(\frac{n_x}{l_x}\right)}^2+{\left(\frac{n_y}{l_y}\right)}^2]}^{\frac{1}{2}}$           式中：

f—行波管模态频率；l_x，l_y—行波管横向尺寸；n_x，n_y—整数，c₀—介质声速；

以上称为行波管的截止频率，当行波管中的声波频率小于该频率时，管中声波为平面波。

2.如权利要求1所述的装置，其中，圆喇叭、变换喇叭、方喇叭、行波管通过螺钉连接并加以固定。

3.如权利要求1或2所述的装置，其中，行波管支架与地面之间连接时，

要设置隔震部件。

4.如权利要求1或2所述的装置，其中，圆喇叭、变换喇叭、方喇叭、行波管的材料为高强度航空铝压铸板。

5.如权利要求1或2所述的装置，其中，消声终端通过吸声材料制成消声尖劈布置在消声室构成。