航天器直接声场试验技术研究进展

刘振皓，任方，原凯，李海波，张忠，秦朝红

（北京强度环境研究所 可靠性与环境工程技术重点实验室，北京 100076）

为了考核航天器承受噪声环境的能力，需要在地面真实地复现发射过程中其所经历的噪声环境。目前针对航天器结构，常用的噪声试验主要有混响场试验与行波管试验，这两种试验技术的发展已较为成熟，且已形成了行业标准。

这两种传统的噪声试验技术存在以下几方面的问题。

1）对试验场地与设备存在严格的限制。开展混响场噪声试验需要具备一定规模的混响室，而开展行波管试验则需要将试验件置于行波管内，同时此二者均需要拥有较为庞大的气源系统。

2）试验周期较长。在正式开展混响场试验前，除了需要经历试验件运输与安装、大量的测试电缆与传感器的安装工作外，还需要进行液氮系统加注与稳定。

3）试验成本较高。大型的声试验所要消耗的声能可达到数十万声瓦[1]，因此会消耗大量的液氮，以及予以辅助的水与电能。同时，大流量氮气排放要满足环保和安全要求，还需要配套大型的消声管道。

随着我国新一代运载火箭及新型航天器的研制，航天产品的设计、制造与试验并行性的要求逐渐得到了提升。在这样的条件下，则需要提高试验效率、缩短试验周期。直接声场试验（Direct Field Acoustic Test，DFAT）技术是20世纪60年代出现的一种新型的噪声试验技术。这种试验技术不需要混响室、行波管和气源，只需将试验件置于电动扬声器围成的阵列内部，通过扬声器直接对试验件产生噪声激励[2]。DFAT技术方便快捷，与传统的混响场试验相比，极大地缩短了试验周期，降低了试验成本。文中介绍并梳理了DFAT技术近十年的进展情况，并对该技术的后续应用前景进行了展望，为我国未来飞行器的研制与试验提供参考。

1 DFAT扬声器阵列

DFAT系统主要由电动扬声器阵列、功率放大器、控制系统、数据采集、数据处理等系统组成。其中，扬声器阵列与控制系统对DFAT试验起着重要作用。

在DFAT技术发展的早期，扬声器系统采用“模块化”布置。美国 Maryland Sound International（MSI）在1999年所开展的DFAT试验中，使用了3组扬声器模块，每组模块中包含6个VA4音箱，每个音箱内装有2个低频扬声器、1个中频扬声器和1个高频压缩驱动器，频率覆盖80～1000 Hz。同时还包含4个附加的SB1000音箱，每个内装2个低频扬声器，频率覆盖35～125 Hz。另外还包含2个M4音箱，每个内装1个中频压缩驱动器，频率覆盖 200～800 Hz，主要用于对200～500 Hz的频率范围进行补充，如图1所示[3]。

从2000年起，美国MSI逐渐将扬声器阵列以圆环的形式进行布置，同时，为了使试验件顶部得到充分的激励，将一组附加的扬声器布置在了扬声器阵列的顶部，如图 2所示[3]。这样布置后发现，对于产生25～700 Hz噪声的效果取决于扬声器所在的位置和方向。在700～10 000 Hz频率范围，在音箱正前方1 m处所测得的声压级比音箱侧面高 3～6 dB，而在顶部布置扬声器进行激励的方式容易使试验件顶部响应过大。

为了避免这种现象，MSI在2009年发现，不使用顶部扬声器，而是通过将扬声器阵列高度延长至试验件上方1.5 m取得了更好的效果，并在随后的试验中采用了这种布置方式。其扬声器阵列的高度达到了7.3 m，使用了192个JBL/VT-4889音箱和60个EM/Quake音箱，如图3所示，该试验总声压级达到145.2 dB[3]。此外，John Hopkins大学研究表明，将一些上层的扬声器向下倾斜，得到了与混响场接近的声振效果。2013年，MSI所开展的DFAT试验中采用了这种布置方式，如图4所示[4]。

2017年，Sandia国家实验室针对某飞行器仪器设备，专门搭建了一套小型DFAT试验系统，如图5所示[5]。该系统放置在3 m×3 m×2.4 m的空间内，顶部使用消声毯进行覆盖。试验使用了24个小型扬声器，分成12组间隔30°均匀排布在直径为1.5 m的圆周上，扬声器距离地面1.2 m。试验采用MIMO控制，使用了12个控制传声器，能够产生的最大总声压级为110 dB，而实际试验则使用到103 dB。该试验的目的是为某仪器设备复现更加真实的飞行环境。

2 DFAT控制技术

2.1 单输入-单输出（SISO）

大多数在2010年以前开展的DFAT试验都采用的是单输入-单输出（SISO）控制，这种方法在2005—2006年被引入 DFAT试验。由于同一个驱动信号被分成多路至所有的音频设备，SISO控制产生了一个高度相关的声场，但这样的声场与飞行器的实际飞行声场具有较大的差距。由于相干声源产生的声波干涉，使得声场内各个控制点处的总声压级相差±5 dB，而其他不同位置的总声压级的差异能够达到±12 dB之多[6]。这样的差异极易导致“过试验”或“欠试验”。

2.2 多输入-多输出（MIMO）

MSI在 2010年以后开始采用多输入-多输出（MIMO）控制技术[7]。这种方法基于稀疏谱密度矩阵（SDM），采用多个独立的驱动信号来控制声场中的多个参照点，并根据每个控制通道的响应对驱动信号进行实时更新。MIMO控制技术目前已应用于振动试验中[8-12]。MIMO控制系统示意图如图6所示。图7为SISO控制与MIMO控制谱对比。

采用 MIMO控制的意义不仅在于能够使得扬声器阵列内部的声场一致性得到较大的提升，更重要的是能够有效降低试验声场的相关性[2]。目前对于气动噪声和起飞噪声的空间相关特性研究表明[14-16]，运载火箭实际飞行声场具有较低的空间相关性，而混响场的空间相关性则与实际飞行声场较为接近[15-16]。因此，为了在DFAT试验中最大程度地复现飞行声场，其声场的空间相关性应尽可能降低。MIMO控制技术恰好能够消除相干声源产生的声波干涉，使DFAT声场空间相关特性接近飞行声场。针对这一点，MSI对DFAT声场的空间相关性进行了试验，并与混响声场以及Titan V运载火箭实际飞行声场的相关性进行了对比[17]。试验结果表明，采用MIMO控制使得DFAT声场的相关性与混响场及实际飞行声场的相关性十分接近。因此，MIMO控制对于DFAT试验能够良好复现实际飞行声场具有重要意义。从目前国外已发表的文献看，DFAT试验采用MIMO控制的最小通道数一般不低于8通道[17-18]。

3 国外典型DFAT试验与相关问题

DFAT试验方法早在1966年就已被Houten等人提出，并用于不适合在常规混响室开展的大型结构声学试验[2]。1998年，美国喷气推进实验室（JPL）将DFAT技术首次应用于 QuikSCAT航天器。试验在Ball Aerospace Technology Corporation（BATC）开展，使用了31个音箱，其环形阵列的高度为3 m，内部直径为4.2 m，8个控制传声器两两间隔45°布置在直径为2.1 m的圆周上，如图8所示。这样的布置对航天器母线及太阳帆板提供了较为理想的声场环境，在扬声器阵列空间内的声场总声压级为135 dB。由于传声器和太阳帆板之间的距离较小，航天器顶部与底部的声场一致性有所不足。此次试验取得了成功，但并未考虑声波垂直激励带来的结构低频响应问题[19]。

2004年，JPL实验室对CloudSAT航天器开展了DFAT试验，并且将其天线罩单独放入混响室开展了混响场试验，其目的是为了比较在同等量级噪声激励下的结构响应，两次试验的总声压级均为142.9 dB[20-22]。图9为此次DFAT试验所用到的扬声器阵列，其内部直径为5.8 m，图10为某处结构响应对比。试验结果表明，两种不同的试验方法获得的结构响应在大体上是类似的，而在70～350 Hz范围内，针对结构不同的位置，DFAT试验测得的最大响应比混响场试验测得的最大响应高出10 dB以上，经过分析认为有可能是声波掠射效应所引起。

2009年，John Hopkins大学APL实验室比较了DFAT试验与混响场试验在声场与试验件结构响应方面的差异[23-24]。试验总声压级均为143 dB，采用了Spectral Dynamics Jaguar控制系统，以及8个控制传声器。试验表明，DFAT声场与试验件结构响应的差异略大于混响场，而通过移动控制点传声器的位置改变控制点的布局能够提高 DFAT声场与试验件结构响应的一致性。

2010年，Orbital Sciences Corporation（OSC）在Star-2航天器DFAT试验中重点研究了试验声场的一致性以及对结构响应的影响[25]。在这之前，OSC公司已经开展了20余次DFAT试验，并逐渐朝向高声压级和增强控制方向发展，所能达到的最大总声压级已超过145 dB。此次试验使用了132个VT-4889音箱和48个MSE-118音箱，其布局如图11所示。研究表明，在不同的声场控制点处，当采用1/3倍频程控制时，DFAT在2000 Hz以上频段的一致性要好于2000 Hz以下的频段，并且好于同频段混响声场的一致性，而总声压级的偏差值最大为2.5 dB。当采用3.5 Hz窄带控制时，某些频段声压级的偏差超过30 dB。另外，在经过声场平均的情况下，相互对称的某对测点加速度响应存在一定的差异，在150 Hz处相差15 dB以上，如图12所示。在随后开展的试验中依然存在这个现象，只是这种差异有所缩小。OSC认为，在相互对称的结构表面存在“热点”，使得结构响应有所增大，并且这种“热点”与传声器的位置与数量无关。同时，OSC还发现，将试验件旋转45°后，结构响应出现了不同程度的变化，因此试验件与扬声器阵列的相对位置对试验结果有重要影响。Sandia国家实验室在同年开展的针对某飞行系统的 DFAT试验中同样发现了试验声场的一致性问题[26]。在试验总声压级为146.7 dB的情况下，声场局部位置的总声压级高达151.6 dB。

针对 DFAT声场的一致性及其对结构响应影响的问题，JPL实验室在 2011年开展的一项试验中表明，DFAT声场中存在的不一致现象主要是由声波干涉和驻波引起的，通过 MIMO控制可以降低声波干涉的影响，而驻波在混响场和DFAT中是固有的，无法通过控制策略消除或减弱。声场中的平板、面板类结构模态与驻波存在耦合，使得个别位置的结构响应显著增加，以至于平板不同位置在相同量级的噪声激励下，结构响应最高能够相差20 dB以上[27-28]。MSI在 2013年开展的 DFAT试验中指出[4]，可以通过改变控制传声器布局或增加控制传声器的方法对DFAT驻波进行控制。Sandia国家实验室也认为[29]，为了控制DFAT声场的一致性，控制传声器不能置于同一半径的圆周上。

4 DFAT技术现状与发展趋势

当前，DFAT试验技术的发展尚未成熟，仍有诸多问题需要深入研究。MSI、JPL实验室、John Hopkins大学以及Sandia国家实验室等对此已开展了多年的研究。为了进一步加深对DFAT声场的认识，MSI更是和ESI软件公司一起，使用边界元法（BEM）对DFAT声场进行了数值仿真[30]。Sandia国家实验室也在DFAT试验的基础上开展了声学有限元的仿真工作[31]。

2016年，NASA颁布了技术手册 Direct Field Acoustic Testing (DFAT)（NASA-HDBK-7010），对DFAT试验系统的组成、试验方法进行了总结，为技术人员提供了统一参考。目前，在20～20 000 Hz频率范围内，DFAT试验在总声压级145～147 dB范围内可持续30 s，142～145 dB范围内可持续1 min，138～142 dB范围内可持续60 min，138 dB以下可持续180 min[2]。MSI目前正在研究提高总声压级的技术，并将在未来达到155 dB[17]。

5 结语

作为一项新型的噪声试验技术，DFAT试验技术由于其具有方便快捷、成本低的优点，目前已经越来越多地在飞行器噪声试验中得到了应用。受扬声器阵列、控制技术、试验件以及传声器等因素的影响，DFAT试验手段更为多样，不同的试验系统布局会给试验结果带来一定的差异。

为了降低试验成本，缩短试验周期，提高飞行器产品设计、制造与试验的并行性，我国有必要研究DFAT试验技术，为未来飞行器噪声试验技术提供支撑。目前，我国发展DFAT试验技术将面临以下几个问题和挑战：扬声器阵列的数量、布置方式及试验声场的空间尺寸的确定；试验空间内产生较高声压级的能力；驻波、声波干涉以及掠射效应对DFAT声场一致性及结构响应的影响；室内试验边界（墙壁、天花板、地面等）对DFAT试验的影响；声激励设备长期在噪声环境下使用的寿命问题。

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