CN111711917B - 卫星直接声场试验系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种卫星直接声场试验系统，包括：电声喇叭(1)、传声器(2)、分频器(3)、功率放大器(4)和数据采集与控制设备(5)；所述电声喇叭(1)连接功率放大器(4)，通过分频器(3)连接数据采集与控制设备(5)，进行直接声场控制。本发明提供的直接声场试验系统具有低成本、模块化、试验便捷、可拆装等优点，同时可减少卫星转运次数，提高地面噪声试验的可靠性与安全性。

Description

卫星直接声场试验系统
技术领域
本发明涉及卫星地面力学试验噪声环境模拟技术领域，具体地，涉及一种卫星直接声场试验系统。
背景技术
随着运载火箭和卫星的发射以及飞行器关键性的振动源的识别发展，声环境与声试验逐渐被重视，声环境试验的设计概念也逐渐走向成熟。卫星声试验已成为模拟声致振动环境的最好试验方法，并展示出了广阔的应用前景。
目前，针对航天器结构，常用噪声试验方法主要是混响声场试验，该试验技术已发展成熟，且形成行业标准。但这种噪声试验技术对试验场地与试验设备有严格要求。混响声场是在混响室内用宽带声源激励产生的扩散声场，通过声场环境检验卫星承受噪声场的能力并发现缺陷。试验系统主要包括气源系统、声源系统、控制系统、测试系统。气源系统采用液氮经汽化变为氮气，作为电动气流控制气流调制器的供气源；声系统通过发生器和喇叭产生声源；控制系统通过计算机输出驱动信号，经功率放大器驱动气流调制器在混响室产生声场。试验设备需要大规模的气源系统，试验设备建造周期长，造价高。以上试验方法，试验产品需要运输、夹具设计与制造、试验件安装、液氮加注、气源加压与稳定等工作，同时试验成本高，大型噪声试验需要消耗可达数十万声瓦的声能，需要消耗大量液氮，辅助水以及电能。
卫星直接声场模拟试验技术目的在于提高地面力学环境试验的效率、缩短试验周期、降低试验成本。直接声场试验是一种不需要混响室或行波管和气源，只需要将卫星至于电声喇叭内，通过直接声场对卫星进行噪声激励的便捷的噪声试验方法。因此卫星直接声场模拟试验技术问题的深入研究成为需要迫切面对和解决的关键性课题。
专利文献CN107976293A(申请号：201711209618.9)公开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。
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卫星直接声场试验系统。
根据本发明提供的卫星直接声场试验系统，包括：电声喇叭(1)、传声器(2)、分频器(3)、功率放大器(4)和数据采集与控制设备(5)；所述电声喇叭(1)连接功率放大器(4)，通过分频器(3)连接数据采集与控制设备(5)，进行直接声场控制。
优选的，所述电声喇叭(1)为多个，所述功率放大器(4)的数量与所述电声喇叭(1)的数量相同且相适配，将高、中、低频扬声器进行模块化设计与位置优化，组成电声喇叭模块。
优选的，所述电声喇叭(1)的电声喇叭覆盖频率范围为：25～10kHz。
优选的，所述电声喇叭(1)的压力声学模型为：
Figure BDA0002498771790000021
其中，pt＝p+pb，
Figure BDA0002498771790000022
cc＝c，ρc＝ρ；
地面方程为：
Figure BDA0002498771790000023
扬声器立面方程为：
Figure BDA0002498771790000024
其中，ρc表示密度；pt表示总压力场；qd表示环境压力场；
Figure BDA0002498771790000025
表示波数的平方；Qm表示单极子源项；p表示研究的散射压力场；pb表示环境压力场；ω表示角频率；cc表示声速；n表示法线方向；an表示法向加速度。
优选的，所述传声器(2)的灵敏度为1mV/Pa。
优选的，所述传声器(2)进行多输入多输出MIMO的声场控制，由多个独立的的传声器(2)信号控制声场中不同频段不同电声喇叭的输出。
优选的，所述分频器(3)将不同频段的声音信号区分后，通过功率放大器(4)进行放大。
优选的，所述数据采集与控制设备(5)采用MIMO声场控制策略，使用一个动态响应矩阵，基于所有控制通道更新所有的响应输出，得到一个非相关声场，每个控制点允许误差为±3dB。
优选的，所述MIMO声场控制策略通过传递函数H表示，频域中输入与输出关系为：
Y(ω)＝H(ω)U(ω)，其中，ω为角频率；Y(ω)表示：输出功率谱；U(ω)表示：输入功率谱。
优选的，所述的传递函数H，通过傅里叶变换，输入与输出功率谱关系为：
Syy＝HSmmHH；
Syy表示：输出功率谱矩阵；Smm表示：输入功率谱矩阵。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的一种卫星直接声场试验系统，与现有技术相比，混响声场试验对试验场地与试验设备有严格要求，混响声场试验系统，不仅试验系统建造周期长、成本高，而且需要气源系统等高危险压力容器，本发明提供的直接声场试验系统具有低成本、模块化、试验便捷、可拆装等优点，同时可减少卫星转运次数，提高地面噪声试验的可靠性与安全性；
2、本发明为完成卫星地面噪声环境试验提供了便捷快速模块化的声场试验系统，减少了夹具设计与制造、液氮加注与气源控制等工作，简化可试验流程，减少了试验人员与调试周期；同时可减少辅助水和液氮等消耗；
3、本发明可通过MIMO控制，更加真实地模拟卫星发射条件下噪声环境，提高了试验模拟精度；
4、本发明由于采用模块化电声喇叭设计与优化，提供了更加真实的卫星声场数学模型，通过多输入多输出的声场控制方法，优化高中低不同频段的扬声器布置，从而更加准确地考核卫星对发射环境适应性；
5、本发明提供的卫星直接声场试验系统采用多输入多输出不相干控制，提高了声场模拟的均匀性；
6、本发明提供的卫星直接声场试验系统可通过更换不同频段的扬声器来改变声场特性，从而可以实现更加宽频段的噪声环境，并可根据声场调试结果，对应欠缺或超限谱段可通过增减扬声器或条换不同谱段扬声器来提高声场模拟的准确度。
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为本发明提供的一种卫星直接声场试验系统的结构示意图。
图中，1-电声喇叭；2-传声器；3-分频器；4-功率放大器；5-数据采集与控制设备。
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，本发明提供了一种卫星直接声场试验系统，包括电声喇叭1、传声器2、分频器3、功率放大器4和数据采集与控制设备5；多个电声喇叭1连接多个功率放大器4，通过分频器3连接数采与控制器5，进行直接声场控制。
所述卫星直接声场试验系统包括电动电声喇叭1；所述电声喇叭1包括多个高、中、低不同频段的喇叭组成的电声喇叭阵列，频率范围覆盖：25～10kHz。；所述电声喇叭1放置与卫星产品周围构成电声喇叭阵列，为卫星直接声场试验提供声源；所述传声器2为卫星直接声场提供多输出噪声激励。
所述电声喇叭1通过声学仿真进行优化设计，压力声学模型为：
Figure BDA0002498771790000041
所述压力声学模型中，pt＝p+pb，
Figure BDA0002498771790000042
cc＝c，ρc＝ρ。
所述压力声学模型中，地面方程为：
Figure BDA0002498771790000043
所述压力声学模型中，扬声器立面方程为：
Figure BDA0002498771790000044
所述传声器2用于直接声场试验中噪声信号采集，通过多个传声器2组成多输入测点进行MIMO多输入多输出系统控制，传声器2灵敏度为1mV/Pa。
所述分频器3用于区分不同频段声信号，将高中低频段信号传给所述功率放大器4进行放大。
所述功率方法器4用于将音频信号放大后由所述电声喇叭1发出声音，对卫星产品进行激励。
所述数据采集与控制设备5，用于进行多输入多输出MIMO声场控制。使用一个动态响应矩阵，基于所有控制通道更新所有的响应输出，得到一个非相关声场，每个控制点允许误差在±3dB。
所述的传递函数H，通过傅里叶变换，得到输入与输出功率谱关系：Syy＝HSmmHH。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
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 (7)

1.一种卫星直接声场试验系统，其特征在于，包括：电声喇叭(1)、传声器(2)、分频器(3)、功率放大器(4)和数据采集与控制设备(5)；所述电声喇叭(1)连接功率放大器(4)，通过分频器(3)连接数据采集与控制设备(5)，进行直接声场控制；
所述电声喇叭(1)为多个，所述功率放大器(4)的数量与所述电声喇叭(1)的数量相同且相适配，将高、中、低频扬声器进行模块化设计与位置优化，组成电声喇叭阵列；
所述电声喇叭(1)的压力声学模型为：
Figure FDA0003234424910000011
其中，pt＝p+pb，
Figure FDA0003234424910000012
地面方程为：
Figure FDA0003234424910000013
扬声器立面方程为：
Figure FDA0003234424910000014
其中，ρc表示密度；pt表示总压力场；qd表示偶极源强度；
Figure FDA0003234424910000015
表示波数的平方；Qm表示单极子源项；p表示研究的散射压力场；pb表示环境压力场；ω表示角频率；cc表示声速；n表示法线方向；an表示法向加速度。
2.根据权利要求1所述的卫星直接声场试验系统，其特征在于，所述电声喇叭(1)的电声喇叭覆盖频率范围为：25～10kHz。
3.根据权利要求1所述的卫星直接声场试验系统，其特征在于，所述传声器(2)的灵敏度为1mV/Pa。
4.根据权利要求3所述的卫星直接声场试验系统，其特征在于，所述传声器(2)进行多输入多输出MIMO的声场控制，由多个独立的传声器(2)信号控制声场中不同频段不同电声喇叭的输出。
5.根据权利要求1所述的卫星直接声场试验系统，其特征在于，所述分频器(3)将不同频段的声音信号区分后，通过功率放大器(4)进行放大。
6.根据权利要求1所述的卫星直接声场试验系统，其特征在于，所述数据采集与控制设备(5)采用MIMO声场控制策略，使用一个动态响应矩阵，基于所有控制通道更新所有的响应输出，得到一个非相关声场，每个控制点允许误差为±3dB；
所述MIMO声场控制策略通过传递函数H表示，频域中输入与输出关系为：
Y(ω)＝H(ω)U(ω)，其中，ω为角频率；Y(ω)表示：输出功率谱；U(ω)表示：输入功率谱。
7.根据权利要求6所述的卫星直接声场试验系统，其特征在于，所述的传递函数H，通过傅里叶变换，得到输入与输出功率谱关系：Syy＝HSmmHH；
Syy表示：输出功率谱矩阵；Smm表示：输入功率谱矩阵。
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