CN107976293A - 电动阵列卫星声振一体化模拟试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电动阵列卫星声振一体化模拟试验系统,其特征在于,包括电动阵列声场模拟系统和振动模拟试验系统;所述电动阵列声场模拟系统用于提供噪声激励并采集声信号;所述振动模拟试验系统用于提供振动激励并采集加速度信号。所述电动阵列声场模拟系统包括电动扬声器阵列(1);所述电动扬声器阵列(1)包括音响;所述音响包括扬声器;所述音响和扬声器的数量均为多个。本发明为完成卫星力学环境试验提供了周期短成本低的声振试验系统,大大缩短了卫星力学环境试验模拟的试验周期,可以更加真实地模拟卫星发射过程中整流罩内噪声与振动耦合的复杂力学环境,提高了试验效率,降低了试验成本,满足了卫星力学环境的试验技术要求。
Description
技术领域
本发明涉及卫星发射阶段力学环境模拟,具体地,涉及一种电动阵列卫星声振一体化模拟试验系统。
背景技术
随着航天技术的发展和进步,卫星动力学环境试验已从单一动力学环境试验到多种动力学综合环境试验转移。声试验是近年来动力学环境试验中发展较快的一个分支,它的发展是与航空航天事业的发展紧密相连的。卫星在发射和飞行过程中经受多种动力学环境,而以振动环境最为人们所重视。运载火箭头部的人造卫星受到4个主要振源的影响:由发动机点火、级间分离等引起的瞬态振动;由运载火箭发动机推力脉动或其它机械装置引起的振动;由发动机在起飞阶段排气噪声引起的结构振动以及因气动噪声引起的结构振动。前二种环境在靠近振源处较为严重,对远离振源的卫星则因运载火箭的结构阻尼而衰减,且高频能量将严重衰减。后二种振源直接作用于卫星或卫星整流罩的表面,故将引起卫星结构的强烈振动。
国外,尤其是美国国家航空航天局(National Aeronautics and SpaceAdministration,NASA)及欧洲航天局(abbr.European Space Agency,ESA)均建立了航天器声振联合试验室,试验方法比较成熟,在研究基础上形成相关标准及规范,并实际应用于型号试验。比较典型的有克莱曼婷-环月测绘飞行器的研制过程中对结构星和发射星进行了X向的噪声和振动组合试验。由于在声振组合试验中产品受到了充分的考核,后经数据分析和处理,该星取消了原定的Y向和Z向随机振动试验。在怏速散射计卫星(QuikSCAT)项目中进行了随机振动、模态、准静载和噪声的组合试验,使产品受到充分考核,同时节约了该项目研制试验时间和经费。
卫星声振一体化模拟试验系统目的在于更加真实的模拟卫星主动段在整流罩内、在轨工作时实际承受的力学环境,考核仪器设备和卫星结构对环境的适应性和环境对可靠性的影响。因此要对卫星声振一体化试验问题的深入研究成为需要迫切面对和解决的关键性课题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种电动阵列卫星声振一体化模拟试验系统。
根据本发明提供的一种电动阵列卫星声振一体化模拟试验系统,包括电动阵列声场模拟系统和振动模拟试验系统;
所述电动阵列声场模拟系统用于提供噪声激励并采集声信号;
所述振动模拟试验系统用于提供振动激励并采集加速度信号。
优选地,所述电动阵列声场模拟系统包括电动扬声器阵列;
所述电动扬声器阵列包括音响;
所述音响包括扬声器;
所述音响和扬声器的数量均为多个;
所述音响构成模块;
所述扬声器用于为卫星提供噪声激励;
所述电动扬声器阵列,还包括声传感器;
所述声传感器用于在试验过程中采集声信号。
优选地,所述振动模拟试验系统包括振动台;
所述振动台用于为卫星提供振动激励;
所述振动模拟试验系统,还包括加速度传感器;
所述加速度传感器用于在试验过程中采集加速度信号。
优选地,所述振动模拟试验系统,还包括功放和数控系统;
所述功放和数控系统与电动扬声器阵列和振动台相连接;
所述功放和数控系统用于提供稳定声源与振源,并进行数据采集和处理。
优选地,多个所述扬声器分为低频扬声器、中频扬声器以及高频扬声器;
所述低频扬声器的频率范围为20~125Hz;
所述中频扬声器的频率范围为200~1000Hz;
所述高频扬声器的频率范围为1000~20kHz;
所述电动阵列卫星声振一体化模拟试验系统的试验总声压级为130dB。
优选地,所述功放和数控系统与振动台、加速度传感器相连接;
所述振动台的频率为5~2000Hz。
优选地,所述电动扬声器阵列的上部设置有消声毯;
所述电动扬声器阵列的高度高于卫星至少1米;
多个所述扬声器的一部分扬声器位于电动扬声器阵列的上部,并与电动扬声器阵列呈预设角度。
优选地,所述电动扬声器阵列通过功放和数控系统进行单输入至单输出或多输入至多输出控制。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
1、本发明提供的电动阵列卫星声振一体化模拟试验系统采用电动扬声器阵列,与现有技术相比,无需建造消声室/混响室,不仅节省了试验成本,而且可以简化安装、制造等繁琐的工序/步骤,使安装、制造等工序更简化,从而节约制备时间,同时,电动扬声器阵列可以达到与混响室同样的有益效果。此外,本发明提供的试验系统只需将卫星置于振动台上,产生振动激励,并周围布置电动扬声器阵列结构,产生噪声激励,即,可模拟卫星整流罩内的声振环境。
2、本发明为完成卫星力学环境试验提供了周期短成本低的声振试验系统,大大缩短了卫星力学环境试验模拟的试验周期,可以更加真实地模拟卫星发射过程中整流罩内噪声与振动耦合的复杂力学环境,提高了试验效率,降低了试验成本,满足了卫星力学环境的试验技术要求。
3、与现有技术相比,本发明解决了现有技术中声振一体化环境模拟的技术难点,提高噪声试验与振动试验的效率,缩短了试验周期,为复杂卫星力学环境试验提供了先进的声振一体化试验测试手段。
4、本发明由于采用振动试验与噪声试验一体化试验技术,提供了更加真实的卫星主动段在整流罩内、在轨工作时实际承受的力学环境,从而可以更加准确地考核仪器设备和卫星结构对环境的适应性和环境对可靠性的影响。
5、本发明提供的电动阵列卫星声振一体化模拟试验系统采用声学覆盖层,从而减小顶部效应对声场均匀度的影响。
6、本发明提供的电动阵列卫星声振一体化模拟试验系统采用扬声器阵列,通过模块化拼装组成所需声场,缩短试验准备周期和试验时间。
7、本发明提供的电动阵列卫星声振一体化模拟试验系统将振动试验系统与电动阵列声场模拟系统相结合,产生声振联合激励的试验环境,更加真实模拟卫星经历的力学环境,提高测试有效性,满足卫星声振一体化测试要求。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为本发明提供的电动阵列卫星声振一体化模拟试验系统的结构示意图。
图中所示:
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示,本发明提供了一种电动阵列卫星声振一体化模拟试验系统,包括电动阵列声场模拟系统和振动模拟试验系统;所述电动阵列声场模拟系统用于提供噪声激励并采集声信号;所述振动模拟试验系统用于提供振动激励并采集加速度信号。
所述电动阵列声场模拟系统包括电动扬声器阵列1;所述电动扬声器阵列1包括音响;所述音响包括扬声器;所述音响和扬声器的数量均为多个;所述音响构成模块;所述扬声器用于为卫星4提供噪声激励;所述电动扬声器阵列1,还包括声传感器2;所述声传感器2用于在试验过程中采集声信号,可以通过4点、6点平均控制进行布点。
所述振动模拟试验系统包括振动台5;所述振动台5用于为卫星4提供振动激励;所述振动模拟试验系统,还包括加速度传感器6;所述加速度传感器6用于在试验过程中采集加速度信号。
所述振动模拟试验系统,还包括功放和数控系统3;所述功放和数控系统3与电动扬声器阵列1和振动台5相连接,从而提供稳定声源与振源,并进行数据采集和处理。所述功放和数控系统3由振动和噪声的功率放大器和数据采集与处理模块组成,为振动和噪声提供要求的试验量级,同时进行数据采集和后处理。所述卫星电动阵列声场模拟系统主要包括模块化发声器、声功率放大器、声传感器2、信号采集器、声学覆盖层等。所述振动模拟试验系统包括振动台体,即振动台5、大型水平滑台、承重扩展头、功率放大器、水冷机组等。所述电动阵列卫星声振一体化模拟试验系统,还包括测控系统。测控系统包括调理器、数据采集器、加速度传感器、导线等。上述部件,例如声功率放大器等均为本领域技术人员公知常识,因此这里不再赘述。所述功放和数控系统3用于提供稳定声源与振源,并进行数据采集和处理。为了缩短卫星试验周期,降低试验成本,将卫星试验设计、制造与试验并行开展,所述一种电动阵列卫星声振一体化模拟试验系统,只需将卫星置于振动台上,产生振动激励,并周围布置电动扬声器阵列结构,产生噪声激励,即可模拟卫星整流罩内的声振环境。本发明为完成卫星力学环境试验提供了周期短成本低的声振试验系统,模拟卫星发射过程中整流罩内噪声与振动耦合的复杂力学环境,提高了试验效率,降低了试验成本,满足了卫星力学环境的试验技术要求。所述卫星4上粘贴若干加速度传感器6,周围布置声传感器2,用于振动信号和声学信号采集。
所述卫星4,通过工装与振动台5连接,通过水平滑台进行水平方向试验,通过垂直扩展台进行两个垂直向试验。所述振动台5,包括振动台体、大型水平滑台、承重扩展头、功率放大器、水冷机组等。所述测控系统包括调理器、数据采集器、加速度传感器、导线等。
多个所述扬声器分为低频扬声器、中频扬声器以及高频扬声器;所述低频扬声器的频率范围为20~125Hz;所述中频扬声器的频率范围为200~1000Hz;所述高频扬声器的频率范围为1000~20kHz;所述电动阵列卫星声振一体化模拟试验系统的试验总声压级为130dB。
所述功放和数控系统3与振动台5、加速度传感器6相连接;所述振动台5的频率为5~2000Hz。
所述电动扬声器阵列1的上部设置有消声毯;所述电动扬声器阵列1的高度高于卫星4至少1米;多个所述扬声器的一部分扬声器位于电动扬声器阵列1的上部,并与电动扬声器阵列1呈预设角度,就换句话说,同时倾斜顶部扬声器,可以得到更加真实的声振效果。根据卫星4的尺寸在周围通过圆周均布的方法将电动扬声器阵列1均匀布置,在保证高度的同时优化扬声器个数和摆放位置和倾斜角度,同时要满足总声压级要求。
所述电动扬声器阵列1通过功放和数控系统3进行单输入至单输出或多输入至多输出控制。
对于中低频段(即,低频扬声器的频率范围为20~125Hz;中频扬声器的频率范围为200~1000Hz)的噪声振动分析,应用有限元和边界元方法,高频噪声(即,高频扬声器的频率范围为1000~20kHz)应用统计能量法。
进行响应分析的主要运动方程为:
式中,M为结构系统的质量矩阵;
x,分别为相应结构系统的位移、速度和加速度矢量;
C为结构系统的阻尼矩阵;
K为结构系统的刚度矩阵。
声场中用统计方法处理大量简正波的组合,只考虑其能量关系而忽略其波动性质。简正波共振峰的半宽度为к/π,к为衰变系数(к=6.9/T),Hz;而平均简正频率距离约为:
式中,f为中心频率,Hz;
N0为简正波数;
c0为介质声速,m/;
若半宽度大致等于或大于平均简正频率距离的二倍,带宽内平均有两个简正波,各简正波基本融合到一起,共振性质就不明显了。算到整齐数字,fsch为施略德(Schroeder)频率,这就须要频率大于:
式中,T为混响时间,s;
V为混响室容积,m3。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改,这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下,本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (8)
1.一种电动阵列卫星声振一体化模拟试验系统,其特征在于,包括电动阵列声场模拟系统和振动模拟试验系统;
所述电动阵列声场模拟系统用于提供噪声激励并采集声信号;
所述振动模拟试验系统用于提供振动激励并采集加速度信号。
2.根据权利要求1所述的电动阵列卫星声振一体化模拟试验系统,其特征在于,所述电动阵列声场模拟系统包括电动扬声器阵列(1);
所述电动扬声器阵列(1)包括音响;
所述音响包括扬声器;
所述音响和扬声器的数量均为多个;
所述音响构成模块;
所述扬声器用于为卫星(4)提供噪声激励;
所述电动扬声器阵列(1),还包括声传感器(2);
所述声传感器(2)用于在试验过程中采集声信号。
3.根据权利要求1所述的电动阵列卫星声振一体化模拟试验系统,其特征在于,所述振动模拟试验系统包括振动台(5);
所述振动台(5)用于为卫星(4)提供振动激励;
所述振动模拟试验系统,还包括加速度传感器(6);
所述加速度传感器(6)用于在试验过程中采集加速度信号。
4.根据权利要求1或2所述的电动阵列卫星声振一体化模拟试验系统,其特征在于,所述振动模拟试验系统,还包括功放和数控系统(3);
所述功放和数控系统(3)与电动扬声器阵列(1)和振动台(5)相连接;
所述功放和数控系统(3)用于提供稳定声源与振源,并进行数据采集和处理。
5.根据权利要求2所述的电动阵列卫星声振一体化模拟试验系统,其特征在于,多个所述扬声器分为低频扬声器、中频扬声器以及高频扬声器;
所述低频扬声器的频率范围为20~125Hz;
所述中频扬声器的频率范围为200~1000Hz;
所述高频扬声器的频率范围为1000~20kHz;
所述电动阵列卫星声振一体化模拟试验系统的试验总声压级为130dB。
6.根据权利要求3所述的电动阵列卫星声振一体化模拟试验系统,其特征在于,所述功放和数控系统(3)与振动台(5)、加速度传感器(6)相连接;
所述振动台(5)的频率为5~2000Hz。
7.根据权利要求2或3所述的电动阵列卫星声振一体化模拟试验系统,其特征在于,所述电动扬声器阵列(1)的上部设置有消声毯;
所述电动扬声器阵列(1)的高度高于卫星(4)至少1米;
多个所述扬声器的一部分扬声器位于电动扬声器阵列(1)的上部,并与电动扬声器阵列(1)呈预设角度。
8.根据权利要求1或4所述的电动阵列卫星声振一体化模拟试验系统,其特征在于,所述电动扬声器阵列(1)通过功放和数控系统(3)进行单输入至单输出或多输入至多输出控制。
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