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挑战极限 | 音响还能这么玩——航天器声学环境模拟

2022-01-14 编辑: Real-music

 

 

航天器发射时发出的声音有多少分贝 (dB)?

 

根据 NASA 的说法,答案是高达 220 dB。

 

正常对话为 60 dB

真空吸尘器是 75 dB

一场摇滚音乐会是 129 dB

人耳在接近约 120 dB 时会受到不可逆转的损伤。在 150 dB 时,人的耳膜会爆裂;超过 180 dB 可能是致命的。

 

因此,航天器级别的噪音会在发射过程中产生危险且不稳定的环境。这不仅对于有效载荷本身,而且对于它可能携带的敏感设备,例如漫游车、卫星等会产生巨大的影响。

 

 

火箭内的典型有效载荷 | 图片由ESA(欧空局)提供

 

大多数发射到太空的有效载荷都会放置在火箭的顶部。在这里,它们会配备保护整流罩,但这对于在发射时产生的恶劣条件下的精密结构和电子元件来说通常是不够的。工程师需要在发射前进行广泛的测试,以了解有效载荷是否能够承受噪音和振动的摧残,否则历尽艰辛发射出的卫星在发射过程中被损坏,发射了,又好像没发射;数年心血白忙活。

 

如果要测试发射过程中载荷所处的环境,每次测试都要发射一次火箭那成本无疑是巨大的。直接场声学噪声测试 (Direct Field Acoustic Noise,简称DFAN) 则是一种物理测试方法,可复制航天器和单个组件在发射时将经历的振动声学条件。DFAN 是通过用扬声器环绕火箭并将其直接置于与发射时相同的噪音水平来执行的。

 

这比传统的声学测试方法更具成本效益,传统的声学测试方法需要带有混响室的专用设施。它们的建造成本非常高。而且测试时必须将航天器移动到指定舱室,这会增加物流成本,并增加航天器的损坏几率。

 

因此,DFAN 听起来是个不错的选择,对吧?

 

 

DFAN 是传统测试方法的一种高度准确、成本更低的替代方案,但与任何技术一样,它也面临一些挑战。例如,典型的问题包括:

 

需要多少个扬声器?

扬声器应该如何配置?

需要多少个控制麦克风?

如果在测试开始前没有考虑这些问题,工程师可能会发现由于扬声器太少而导致声能不足。或者,他们可能会发现他们在过多的扬声器投入了时间和预算。

 

同样,主要挑战是什么?

最受关注的要求实际上是使用商用扬声器达到高达 146 dB 的整体声压级来模拟发射器顶部保护整流罩内的高强度声学测试环境。这几乎是在 30 米距离处测量的喷气式飞机起飞的噪音。

 

另一个重要挑战是确保声场的均匀性。一个众所周知的现象是由于声波的相长干涉和相消干涉会存在于直接声场中。

 

他们是如何解决的?

 

最近在商用扬声器技术方面取得的重要进展的Adamson线阵列已接近高达 147 dB 整体声压级的认证水平(此处指的是AOSPL,而非MaxSPL)。必须产生的噪音水平和测试样本所需的音量大小决定了扬声器的数量。而Adamson自带的声场模拟软件Blueprint AV可以很准确地预测所需数量。

 

 

 



测试雷达的发射环境模拟

 

声场均匀性是通过使用多输入多输出 (MIMO) 窄带控制算法、正确选择控制麦克风位置和优化扬声器配置来实现的。上图的设置由 96 只Adamson旗舰的E15线阵列扬声器堆叠成 12组并以圆形配置充分定位,以及 96 台工厂标准功率放大器提供产生 147dB 声场所需的功率。该设置使用配备了 MIMO 控制器和 Simcenter Testlab 的 Simcenter SCADAS。测试样本周围的 16 个麦克风用于测量声场并生成校正的驱动值以创建均匀的声学环境。

 

另一组带有航天器模型的 DFAN 测试装置(AdamsonE15+E219)

 

航天机构和运载火箭制造商目前很难为行业制定必要的指导方针,以正确进行 DFAN 测试。ESA、欧洲航天机构和西门子等技术公司正在为航天硬件编写 ESA DFAN 手册。截至今天,NASA-HDBK-7010 是唯一提供一些指导的文件。

 

毫无疑问,DFAN这项创新的测试技术正在获得越来越多的关注。一方面是技术进步和令人信服的结果,另一方面是经济和灵活的效益,引起了航天工业的关注。在美国等某些地区,这种替代方法已用于验证和鉴定军事和航空航天工业中的组件和系统。目前,欧洲和亚洲现在正在迎头赶上,开始尝试创建完整的 DFAN 测试系统。

 

Adamson扩声系统正在凭借无可匹敌的超大能量输出以及极其耐用且精准还原的Kevlar防弹材料以绝对的优势成为了DFAN测试系统的不二之选。

 

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