专利名称：混响室平直声谱的正偏差控制方法
技术领域：
本发明涉及高轨道卫星噪声试验技术领域，具体是一种混响室平直声谱的正偏差控制方法。
背景技术：
卫星经历研制、发射及进入预定的空间运行轨道等寿命剖面、任务剖面期间，主要经受地面环境、发射环境及空间环境等三个环境剖面。为检验集机、电、热、磁于一体的卫星的环境适应性、性能匹配性、电磁兼容性及可靠性，应对上述三个环境剖面所经受的环境进行模拟试验，以验证卫星抵御外部环境能力的充分性，也是验证可靠性设计裕度是否充分于可靠，从而达到减少使用风险性的目标。噪声试验是检验对声环境敏感的构件，如天线、太阳电池阵帆板与热控多层及电子产品等的声环境适应性。
飞行器外部与内部区域的声环境来自火箭推进以及空气动力激励，卫星发射时，在火箭起飞和上升时的声环境是产生高于50Hz的结构响应的重要力学因素。卫星地面噪声试验时的声环境是用倍频程中心频率的压力谱(以dB为单位，OdB对应声压为2 X 10_5Pa)来表示的，频率范围从31. 5Hz到8000Hz，响应的正式试验持续时间为飞行中疲劳等效持续时间。噪声试验时声谱的控制是通过将噪声源(气流调制式换能器，又称电气换能器、电动-气动调制器、音头)和功能有限的器件(主要是指数喇叭，也称号筒)组合到一些单独的控制频带，提供所期望的总声压级以及各频段声压级，以达到试验目的。现有技术中，卫星在IlOOm3噪声试验室进行了验收级的噪声试验，试验结果不理想，2000Hz、4000Hz与8000Hz高频段欠试验(见附图I )，最大处低于控制条件下限7dB，导致卫星地面声环境考核不充分。由于5 1000Hz的低、中频段在整星以及单机的正弦振动试验中已经充分考核过，噪声试验主要考核其它地面环模手段难以替代的高频段，而某卫星噪声试验中、低频段完全满足要求、恰恰是高频段欠试验严重，从而会造成试验失败，甚至会由于地面力学环境考核不充分而影响卫星正常出场。对于在给定的频率、给定的房间条件，就需要提供合适的输入声功率，即实现所要求的声压，声强压力一般是由一个或几个电动-气动调制器通过配套的指数喇叭耦合到混响室而提供的。所以，声谱控制的第一步，是将噪声发声系统分割为多个控制频带，以提供符合试验规定所需的频谱控制。调制器的功率是可控的变量，并且由手工或自动地调制以提供不同地房间声压。耦合的效率很差，而喇叭的功能就是尽可能地提高该效率。造成低效率的原因是调制器的输出阻抗和房间的声阻抗之间存在巨大的差别，喇叭是个阻抗匹配装置，它能使声功率有效地从调制器流入房间。耦合过程用公式(I)表示Wc=Wm X (VWm) (wc/ffh)(I)其中，Wm——调制器输出功率，w ；Wh-号筒输出功率，W。定义εc=ffc/ffh, ε h=Wh/Wm。
可以得出Wc=WmX ehXec (2)从公式(2)中可以看出，混响室内声功率是调制器输出功率乘以2个不同的传送效率ε。和ε h。ε。是从号筒到混响室的传递功率的效率,它是混响室房间尺寸和几何形状的函数，ε h是通过号筒的传送功率的效率，它是号筒几何形状的函数。可见，可控的变量是气流调制器的输出功率Wm，耦合到混响室产生一个稳态的室内功率，由于混响室的气体和墙面的声学吸收，室内功率被进一步减小，到最后转换成声压的能量。连接混响室和调制器的指数喇叭具有低频截止的功能，参考公式(3)，即能够有效减少低频部分的传输，可以认为传输率是O ;高于截止频率时，传输率快速逼近1，理想情况下可以认为是I。在跨越I个数量级的频域范围内(即达到截止频率的10倍)，传输率保持在I的水平上，而当频率超过截止频率的10倍后，传输率呈指数下降，这种喇叭的传输率特性对声谱控制具有基本的作用。喇叭传输率在超过和低于某一频宽时表现出为O或维持非·常低水平的特性表明功率只有在某一特定的频域范围内才能得到有效得耦合。本所噪声试验室的高频电气换能器EPT-200配套的喇叭截止频率为160Hz，所以可控的I/1倍频程中心频率上限为2000Hz，而4000Hz、8000Hz频率就无能为力了。R Λ(3)
A c Il f
ijT I Kt J J其中，Ra——辐射阻；St-喇叭喉面积，m2 ;fc——喇叭截止频率，Hz ；f-频率，Hz。可见，一个高声强密闭测试环境的控制可以描述为由适当的输入声功率，通过某一特定设备的功率损失以产生所需的声压级。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种混响室平直声谱的正偏差控制方法。本发明是通过以下技术方案实现的。一种混响室平直声谱的正偏差控制方法，包括以下步骤第一步，分析试验大纲规定的声谱控制条件，判断是否属于平直谱一类；第二步，如果属于，在试验前的系统调试时，使用“正偏差”控制方法提高试验大纲规定声谱条件的标称值；第三步，降低上下允差而不改变控制的声压级范围；第四步，利用高频电器换能器提供供气压力，并不断修正正偏差数值，直到空室调试时，高频段的声压级高于控制下线2dB以上。所述“正偏差”控制方法为只提高可控频率段1000Hz的声压级标称值，而把控制允差范围相应降低，保证控制范围不变，如此，非直接控制段的2000Ηζ、4000Ηζ与8000Hz的声压级就随之提高。所述供气压力大于等于O. 2MPa。 所述第四步必须保证不会过试验。本发明在不改变试验室电气换能器、喇叭、控制系统等硬件的现有配置的情况下，以较小的花费，取得令人满意的试验效果，避免了因地面考核不充分而导致试验无效或补做其它试验补充考核卫星高频段的适应性，保证了卫星的正常出场。本发明取得了如下的有益效果I、提供了一种混响室声谱控制的修正方法；2、对后续型号噪声试验的声谱控制技术提供参考；3、该方法同样使用于其它航天器的“平直声谱”噪声试验控制。
图I为卫星噪声试验声场控制谱；图2为三种不同声谱的验收级条件对比；图3 Ca)为原始试验条件声谱图，(b)为优化后的试验条件声谱图；图4为卫星噪声试验声场控制谱。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。本实施例包括以下步骤第一步，分析试验大纲规定的声谱控制条件，判断是否属于平直谱一类；第二步，如果属于，在试验前的系统调试时，使用“正偏差”控制方法提高试验大纲规定声谱条件的标称值；第三步，降低上下允差而不改变控制的声压级范围；第四步，利用高频电器换能器提供供气压力，并不断修正正偏差数值，直到空室调试时，高频段的声压级高于控制下线2dB以上。在本实施例中，正偏差”控制方法为只提高可控频率段1000Hz的声压级标称值，而把控制允差范围相应降低，保证控制范围不变，如此，非直接控制段的2000Ηζ、4000Ηζ与8000Hz的声压级就随之提高。供气压力一定大于等于O. 2MPa。第四步必须保证不会过试验。本实施例在参试设备的选取中，一定要保证高频电气换能器，配套在截止频率高于IOOHz的喇叭上参与试验，并且在整个试验过程中保证其供气压力。综上所述，本实施例为平直声谱的噪声试验控制技术，在不需要对试验室进行改造的前提下，能完全满足试验大纲规定的条件完成试验，为卫星的按时圆满出场提供保障。本实施例原理为典型的声谱条件主要有3种，分别来自FY-2、遥感六号、遥感一号与FY-3，它们的运载分别采用CZ-3A、CZ-2C、CZ-4B,由于运载不同，遥测获取的火箭整流罩内的声谱自然也不同。卫星的地面模拟试验不能欠试验，否则便达不到地面充分暴露问题的可靠性要求；也不能过试验，这样可能会导致某些零部件受损，从而影响卫星的研制进度。由于声谱控制的频率范围比较宽，中心频率31 8000Hz，根据前面的理论分析可以看出，一个音头，即一个控制频带，不可能覆盖这么宽的频带。从音头的共振频率以及配套的喇叭截止频率可以看出单控制频带的系统能完成某些低频频谱，但是无法实现许多典型测试频谱所要求的全频域内的控制，要将声谱进行全面控制以达到通用频谱水平就需要至少两个控制频带。从表I和图2可以看出，不同型号的声谱对低、中、高频段的考核侧重点各不相同。这就决定了声场控制系统的参数设置会有所不同，参试的音头及配套喇叭也不完全一样。表I三种不同声谱的验收级试验条件
遥感一号、FY-3、实播咸女县 9
倍频程带宽践七号等FY
中心频率 ------
(Hz)声压级允差声压缀声压缀
(dB) _ (dB)允差(_ (dB)允差 _)
31· 5 IlH 2 +5118 -2 +4124 +4
===63 — 124-2 +4 131__-1 130 =: ~^2—+4=
125 132-2 +7I134, 5 -1 +3I~2 +4
250 136—2 +-1135 —I +3136—2 +4
500__138-2 如I13i 5 H +3135-2—4
1000__135-2 +.1__!￡7__-卜+3KU-2
2000 127 2 +4122 —卜 十3I 'ΛI-2 +.I
4000__IZl-Fl· +S 118__-6 +,t127-fi +4
8000 I IB-5 +5114 -6 +-I120_5 十5
总声压f 142 T -I +2140 ~验收级噪声试验中，相同的总声压级142dB条件下，在电气换能器的共振频率附近，即倍频程带宽中心频率250Hz、500Hz与1000Hz，FY_2要求的声压级比其它型号低，而低于250Hz以及高于1000Hz的电气换能器的可控范围外的频段，要求的声压级反而高，取名为“平直谱”，这种声谱条件最难控制。因为从控制声谱角度看，无论采用何种换能器，直接控制段只是扬声器的工作频带，高频部分是由换能器的高声强非线形畸变产生的，非直接控制段，而这需要一定的能量差，FY-2控制谱的2000Hz与扬声器的可控频率上限1000Hz的声压级只差2dB。因此，这种声谱条件的控制是噪声试验技术的难点。由于该卫星在电气换能器的共振频率附近的声压级比其它型号低，而低于250Hz以及高于2000Hz的电气换能器的可控范围外的频段，低频段可以通过2个低频喇叭来耦合，而高于扬声器工作频带的高频段则只能由换能器的高声强的非线形畸变产生，不能直接控制，用试验要求声谱条件来设置的标准控制方法不能满足高频段的控制偏差要求。为此我们只能提高可控频率段IOOOHz的声压级标称值，而把控制允差范围相应降低，保证控制范围不变，如此以来，非直接控制段的2000Ηζ、4000Ηζ与8000Hz的声压级就能水涨船高的有所提高。这就是所谓的“正偏差”控制，而力学试验中往往只会使用负偏差控制，比如正弦振动试验，为了防止共振频率附近会出现比较高的峰值。提高多少合适，提高以后会对其它频段有什么样的影响，会不会由于高频段的负担加重而引起功放保护停机等。经过几次空室调试验证，摸索出最佳的优化控制系统参数设置。国产电气换能器在高频段不能产生较高声压级的声场，特别是500Hz以上频段发声性能急剧下降，气流调制器产生的声谱往往很难达到预定值，不能满足大型混响室高频段试验要求。因为调制器直到某一截止频率，它们都可以进行线性控制，但是在此频率以上，功率会非控制的呈指数形式递减。美国LING公司产品EPT-200，共振频率700Hz，最大可调制到1250Hz，所配的喇叭截止频率为160Hz。其高频发声性能比国内产品好很多，所以，EPT-200 —定要参与试验。其次，整个试验过程中，EPT-200的供气压力一定不能低于O.2MPa。
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形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
权利要求
1.一种混响室平直声谱的正偏差控制方法，其特征在于，包括以下步骤 第一步，分析试验大纲规定的声谱控制条件，判断是否属于平直谱一类； 第二步，如果属于，在试验前的系统调试时，使用“正偏差”控制方法提高试验大纲规定声谱条件的标称值； 第三步，降低上下允差而不改变控制的声压级范围； 第四步，利用高频电器换能器提供供气压力，并不断修正正偏差数值，直到空室调试时，高频段的声压级高于控制下线2dB以上。
2.根据权利要求I所述的混响室平直声谱的正偏差控制方法，其特征在于，所述“正偏差”控制方法为只提高可控频率段IOOOHz的声压级标称值，而把控制允差范围相应降低，保证控制范围不变，如此，非直接控制段的2000Hz、4000Hz与8000Hz的声压级就随之提高。
3.根据权利要求I所述的混响室平直声谱的正偏差控制方法，其特征在于，所述供气压力大于等于O. 2MPa。
4.根据权利要求I所述的混响室平直声谱的正偏差控制方法，其特征在于，所述第四步必须保证不会过试验。
全文摘要
本发明公开了一种响室平直声谱的正偏差控制方法，包括以下步骤第一步，分析试验大纲规定的声谱控制条件，判断是否属于平直谱一类；第二步，如果属于，在试验前的系统调试时，使用“正偏差”控制方法提高试验大纲规定声谱条件的标称值；第三步，降低上下允差而不改变控制的声压级范围；第四步，利用高频电器换能器提供供气压力，并不断修正正偏差数值，直到空室调试时，高频段的声压级高于控制下线2dB以上。本发明在不改变试验室电气换能器、喇叭、控制系统等硬件的现有配置的情况下，以较小的花费，取得令人满意的试验效果，避免了因地面考核不充分而导致试验无效或补做其它试验补充考核卫星高频段的适应性，保证了卫星的正常出场。
文档编号H04R29/00GK102821347SQ201210285540
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月10日 优先权日2012年8月10日
发明者张利, 徐俊, 高英, 朱国君 申请人:上海卫星工程研究所