卫星产品声振组合试验技术研究

沈志强，晏廷飞，张俊刚，方贵前，朱子宏

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 引言

目前对航天器发射及飞行过程经历的动力学环境的模拟通常采用随机振动试验或者噪声试验来实现。随机振动试验和噪声试验都是鉴定航天器高频振动环境的关键试验项目，但是这两种试验方法不能完全相互代替。国内外相关研究结果表明：在噪声试验中，被声场直接激励的外壳或板具有最高的振动级，载物块的振动级次之，中心结构的响应级最小；而随机振动试验的结果相反，中心结构（承力筒）由于直接安装在振动台上，具有最大的振动级，其余地方较小[1]。为了保证航天器的高可靠性，最好是既做随机振动又做噪声试验，但这样不仅要增加研制成本和周期，还可能对航天器造成不必要的累积疲劳。有标准规定，质量相对集中的有效载荷只做随机振动试验考核[2-3]。美军标MIL-STD-1540E 规定对于质量小于180 kg 的紧凑结构可用随机振动试验代替噪声试验。与美军标相比，GJB 1027A 对航天器质量要求有所放宽，规定对于结构紧凑的、一般不超过450 kg 的质量密集型的飞行器，可以用随机振动试验代替噪声试验。但对于尺寸、质量相对较小的卫星，尤其是500～1000 kg 的小卫星，对随机振动试验或者噪声试验的选择一直存在争议[4-5]，这给相关试验项目的制定和剪裁带来了困难[6-7]。

国外航天机构在研究随机振动与噪声激励组合试验的同时也进行了正弦振动与噪声试验的组 合试验研究，例如：为了适应“阿里安那”42P 运载火箭的发射环境，Goddard 空间飞行中心在1993年对 Fairchild 航空公司的海洋勘测卫星POSEODON 进行了加速度为1.5g的正弦扫描振动和总声压级为146 dB 的噪声激励的组合试验，同时采用了统计能量分析方法对卫星在该组合环境下的响应进行了预示，特别是对星箭连接处的6 个主要承力部件进行了重点考察，以确保发射过程中卫星的响应不超出结构和装配的容差范围，预示结果与试验结果吻合得很好[8]。

我国已开展了声振组合环境试验的研究并取得一些进展，例如：晏廷飞等针对某航天器天线开展了声振组合试验与单项试验的对比研究，分析了天线的声振组合试验效应[9]；杨江等以太阳电池板为例开展了航天器组件声振组合试验及仿真技术的研究[10]。这些研究都表明单项环境模拟试验忽略了声振耦合的影响，会导致航天器在某些频段欠试验或过试验，不能反映在复合环境激励下的响应[9,11]。

本文从试验原理出发，提出卫星产品进行声振组合试验的必要性，研究声振组合试验的控制方法和试验条件确定方法，目的是为卫星产品的力学环境试验项目制定及条件剪裁奠定基础。

1 声振组合试验原理及系统组成

1.1 试验原理

声振组合试验的原理如图1所示。振动台放置在混响室中央（用行波管作为激励源时一般置于行波管底部），受试产品固定在振动台上。试验时同时施加振动和噪声激励：振动台提供低频振动激励，混响室输出噪声激励，用二者的组合试验来弥补随机振动试验高频段和噪声试验低频段的欠试验。

图1 声振组合试验原理 Fig.1 Principles of the vibro-acoustic test system

1.2 试验系统组成

声振组合试验系统（见图2）包括噪声试验子系统和振动试验子系统两大部分，其中噪声试验子系统又可分为混响室噪声激励设备和行波管噪声激励设备。

图2 声振组合试验系统组成 Fig.2 Composition of the vibro-acoustic test system

混响室总声压级最高可达150 dB，频率范围31.5～10 000 Hz。混响室内安装4 个声传感器用于声场的平均控制，其设置高度与试件高度一致，并匀布在试件的周围，距离试件约0.5 m。

行波管的最高总声压级一般超过160 dB。为实现声场的平均控制，行波管内安装不少于2 个声传感器，且一般布置在试件的对立面或者行波管前后段。行波管的底部开口，让球头机构穿过，连接振动台和试件。

振动激励使用的是电动振动台，要求安装在混响室地面中心位置。为避免振动台冷风机的噪声对声场产生影响，不宜将其放置于混响室内。振动试验控制传感器粘贴在航天器与工装连接面上；空载调试时，粘贴在振动台动圈上表面。

2 声振组合试验控制方法探讨

2.1 噪声与正弦振动组合试验控制方法

本节主要是研究噪声激励与振动激励的加载顺序。噪声试验采用小卫星验收级试验条件，为141 dB；正弦振动试验的量级为1g。

1）先加载噪声激励，后加载正弦振动激励

按照噪声试验条件，加载流程为先加载噪声激励直到满量级；然后加载正弦振动激励，振动控制系统自检噪声；若自检噪声超出允许值，则系统自保护而终止试验。

将振动控制系统的灵敏度设置为1000 mV/g，采用峰值控制方式，开始按加载流程加载。加载后，振动控制系统自检噪声，显示高达310 mV，已超出允许值，因此系统自保护而无法进行试验。在其他试验条件不变的情况下，将正弦振动控制方式改为滤波控制再次进行试验，振动控制系统自检噪声为200 mV，再次超出允许值，系统自保护使得试验仍然不能进行。

试验证明，该加载流程不利于声振组合试验。

2）先加载正弦振动激励，后加载噪声激励

组合试验的加载流程如图3所示。将振动控制系统的灵敏度设为1000 mV/g，采用峰值控制方式，按流程加载并启动正弦振动控制系统，自检噪声为60 mV，该值未超出允许值，继续试验；将正弦振动量级加载到1g后，加载噪声激励；使噪声量级达到满量级后，实现噪声和正弦振动的同时激励。整个试验过程表明：噪声试验启动时振动控制信号未出现明显变化，噪声试验谱控制稳定，且均在试验容差范围内；正弦控制曲线在200 Hz 以前比较光滑，200 Hz 以后有一定波动，但波动比较小， 1000 Hz 后某些点出现超差。

图3 先加载正弦振动激励后加载噪声激励流程图 Fig.3 Flow chart of the sine vibration excitation applied before the acoustic excitation

将振动控制方式改为滤波控制后按照上述步骤再次进行试验，试验结果发现控制曲线更光滑平直，曲线均在容差范围内。

对比加载噪声激励和无噪声激励时示波器显示的正弦信号，在有噪声激励的情况下示波器显示信号有较多毛刺，此时采用峰值处理的振动控制曲线显示值要比采用滤波处理的高0.2g～0.3g。这是因为峰值处理时叠加了高频信号，控制并不真实，因此噪声与正弦振动组合试验应采用滤波处理。

试验证明，该加载流程适合声振组合试验。

2.2 噪声与随机振动组合试验控制方法

本节主要研究噪声激励控制与随机振动激励控制的相互影响。随机振动控制条件为频率范围20～2000 Hz、总方均根值10grms的平直谱，振动控制系统的灵敏度设置为100 mV/g；噪声激励采用小卫星验收级试验条件，试验量级141 dB。结果如下：

1）有噪声激励时，振动控制系统自检噪声为35 mV，无噪声激励时为3.4 mV。这说明噪声对振动控制系统自检有较大影响，因此噪声与随机振动组合试验时先加载随机振动激励，并逐级加载至接近满量级后，再加载噪声激励，并同时加载至满量级。

2）噪声激励到满量级后观察到，与随机振动控制传感器相连接的示波器示值及振动试验控制曲线均无明显变化，表明在空载情况下噪声激励对随机振动试验控制没有影响。噪声试验控制谱均在容差范围内，总声压级误差小于0.3 dB。这表明，噪声激励与随机振动激励正常启动后，振动控制系统相互之间的影响很小，甚至可以忽略不计。

3 噪声与随机振动组合试验实例

3.1 试验条件确定方法

有些卫星产品在研制阶段既要进行噪声试验，又要进行随机振动试验。图4为某卫星舱板单独的随机振动试验和噪声试验的测点响应曲线，其中红色曲线为随机振动激励时结构响应曲线，黑色曲线为噪声激励时结构响应曲线。根据结构响应曲线，在20～200 Hz（f1～f2）频率范围内，随机振动激励结构的响应值更大，更能有效地激发结构低频模态响应；在200～600 Hz（f2～f3），随机振动激励与噪声激励结构响应相当，个别频段噪声激励响应略高于随机振动激励响应，而在某些频率则相反，但是总体趋势相当；600 Hz 以上（f3～f4），噪声激励更能有效地激发结构响应。

图4 随机激励与噪声激励结构响应对比 Fig.4 Structural response comparison between the random test and acoustic test

卫星产品可以按照单独的随机振动试验与噪声试验结果确定声振组合试验的输入条件：噪声激励下卫星产品在f1～f2频段结构考核不充分，因此可通过振动台提供f1～f2频段的随机振动激励，模拟低频部分的载荷环境，噪声试验条件按照f2～f4条件输入。

3.2 试验结果与分析

根据4.1 节确定的输入条件，该卫星舱板在混响室内进行了噪声与随机振动组合试验，200 Hz以下采用随机振动激励，200 Hz 以上采用噪声激励。组合试验与单独试验的结构响应如图5所示，其中蓝色曲线为噪声与随机振动组合激励下结构响应曲线，红色曲线为单独随机振动激励时的结构响应曲线，黑色曲线为单独噪声激励时结构响应曲线。从图5可看出：

1）在20～200 Hz 频段，噪声与随机振动组合试验结构响应曲线与单独的随机振动结构响应曲线一致；在600 Hz 以上，组合试验结构响应要高于随机振动试验的结构响应。

2）在200～5000 Hz，噪声与随机振动组合试验结构响应曲线与单独噪声激励的一致；在200 Hz 以下，组合试验结构响应要高于噪声激励的结构响应。

结果表明：舱板进行噪声与随机振动组合试验时，在低频段随机振动激励更能激发结构的模态响应，而在中高频段噪声激励更能激发结构的模态响应。舱板的噪声与随机振动组合试验弥补了噪声试验低频段考核不充分而随机振动试验高频段考核不充分的缺陷，对产品考核更加充分、全面。

图5 声振组合试验与单独试验激励响应曲线对比 Fig.5 The board response comparison between the vibro-acoustic test and individual test

4 结论

本文对卫星产品的声振组合试验方法进行了初步研究，探讨了声振组合试验控制方法，开展了卫星舱板的噪声与随机振动组合试验，并对结构响应特点进行了对比分析，可得出如下结论：

1）在混响室中放置声振组合试验系统，根据噪声、振动试验条件对噪声试验系统和振动试验系统分别进行控制，可实现卫星产品声振组合环境模拟试验。

2）在进行噪声与正弦振动组合试验时，应先启动正弦振动试验控制，后启动噪声试验控制，且正弦振动控制应采用滤波处理。

3）在进行噪声与随机振动组合试验时，噪声激励与随机振动激励正常启动后，相互之间影响很小，可以按照要求的条件施加激励。

4）对于面积质量比大的卫星舱板产品，在结构上同时施加随机振动载荷和噪声载荷，声振组合试验考核更加合理。

（References）

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