1、西安航空职业学院毕业论文高量级噪声测量方案的仿真评估分析姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘要：液体火箭发动机产生的喷流噪声是一种大量级、宽频带的强噪声载荷。为了准确获取火箭起飞过程的发射平台噪声，需要进行高量级噪声的测量。针对新一代运载火箭发射平台高量级噪声的三种测量方案，使用有限元-统计能量混合模型以及边界元法进行力仿真分析和评估，从而为火箭发射平台高量级噪声测量提供力技术支持。关键词：火箭发射；喷流噪声；仿真评估；噪声测量。引言在液体运载火箭起飞过程中，火箭发动机工作产生的强噪声对火箭结构以及地面支持系统会产生较大影响。液体火箭发动机产生的喷流噪声是一种大量
2、级、宽频带的强噪声载荷。在火箭发射过程中，火箭发动机和地面发射支持系统中的关键结构和设备不仅要经受这种强噪声载荷的作用，而且还受到与其连接的结构或支架传递过来的宽频带随机振动载荷。在这种恶劣的强噪声与机械振动共同激励下，会对关键结构和设备本身产生较大的振动响应，从而导致结构易发生疲劳破坏 1,2。为了准确获取火箭起飞过程的发射平台噪声，需要进行高量级噪声的测量，由于防爆要求以及发射过程中产生的高温气流原因，目前已有的高量级传声器仍然需要做一定的防护和改进才能满足测量要求，否则就会发生传声器破坏或超量程等现象。为此，需要对新一代运载火箭发射平台高量级噪声的三种测量方案进行仿真分析和评估这三种方案
3、分别是：（1）防风头（图 1 所示）改密封头；（2）外加工装（工装上分布多个孔）保护，传声器置于保护头内，如图 2 所示；（3）防风头改为单孔头。膜片防风头图 1 传感器自带防风头实物照片图 2 工装保护方案1 方案 1 的仿真评估1.1 模型建立使用 VA One 对该问题进行建模，该问题研究对象可划分为如下 5 个子系统。分别是：子系统 1（外部空气） 、子系统 2（密封头顶盖） 、子系统 3（密封头圆柱壳） 、子系统 4（内部声腔） 、子系统 5（传声器膜片） 。密封头圆柱壳的内径为 5.8mm，外径 7mm。现有防风头的声腔（不封闭）高度为1mm，子系统 5 的厚度假设为 0.1mm。
4、子系统 1子系统 2子系统 3子系统 4子系统 5图 3 研究对象子系统示意图根据计算和分析，声腔子系统 4 的声模态、结构子系统 2+3、结构子系统 5 的一阶模态均在 30000Hz 外（0.1mm 厚的子系统 5 一阶模态 30359Hz，0.2mm 厚的子系统 2 和子系统 3的一阶模态 51841Hz） ，因此子系统 25 均采用有限元子系统，子系统 1 采用扩散声场子系统和半无限流体子系统进行模拟。建立如下模型如图 4 所示。分析频率范围 10100kHz。图 4 有限元-统计能量混合模型计算参数：声腔内损耗因子 0.1%，子系统 2、3、5 的材料假设为钢，密度 7800kg/m
5、3，弹性模量 2.1E11Pa，泊松比 0.3125。载荷每个频带上均为 160dB，10kHz 内总声压级175dB， 100kHz 内总声压级 176dB。扩散声场载荷谱如图 5 所示。1.2 计算结果及分析图 5 为有无密封头时与传声器膜片接触的声场载荷。图 6 为有无密封头时传声器膜片的振动速度谱。有密封头时，内声腔（子系统 4）的声压级减小非常厉害，10kHz 分析频率时内外总声压级差别 100dB 以上。加密封头后，膜片振动在对数坐标中，有两段不同的斜率。图 5 有无密封头时的内声场载荷 图 6 有无密封头时膜片的振动速度谱图 7 为不同厚度（0.6mm 和 0.2mm）的密封头时
6、的内声腔（子系统 4）声谱，图 8 为不同厚度（0.6mm 和 0.2mm）的密封头时的膜片振动速度谱。密封头越厚，内声腔（子系统4）总声压级越小，传声器膜片振动量级也越小。图 7 同厚度的密封头时的内声腔声谱 图 8 不同厚度密封头时膜片振动速度谱图 9 为不同长度（1mm 和 5mm）的密封头时的内声腔（子系统 4）声谱，图 10 为不同长度（1mm 和 5mm）的密封头时的膜片振动速度谱。密封头越长，内声腔体积越大，但对10kHz 范围内的内声腔声压级影响不大，但能够提高膜片低频段的振动速度。图 9 不同长度的密封头时的内声腔声谱 图 10 不同长度的密封头时膜片振动速度谱因此，可以看出
7、：1.内声腔和结构的一阶模态均在 10kHz 外，在 10kHz 内外声场通过密封头传递到内声场的机理均为受迫振动传递。金属密封头将会大大减小传声器膜片受到的声场。2.密封头越厚，内声腔（子系统 4）总声压级越小，传声器膜片振动量级也越小。3.密封头的长度越长，对膜片低频段振动量级有提高。4.目前金属密封头方案的主要问题：加了密封头后，膜片感受到的声场太小。2 方案 2 的仿真评估2.1 模型建立通过带孔的工装来保护传感器时，工装内为直径 19mm，高度 12mm 的圆柱体声腔，该声腔为内声腔，与外声场通过若干孔进行连接。图 11 所示为 8 孔（直径 4mm）工装的声场分析模型。其中载荷为平
8、面波载荷。平面声波载荷数据恢复面图 11 8 孔工装的声场分析模型2.2 计算结果及分析图 12、图 13 分别为多孔和单孔情况下的内外声场云图，通过对各个频段观察，发现无论是单孔还是多孔，工装内声场空间分布都是很均匀的。因此，为了加工方便及更好的防气流冲刷，实际工装只需要 1 至 2 个孔即可。图 12 八孔（直径 4mm）工装内外声场。左上图：中心频率 2000Hz 频带；右上图：中心频率 4000Hz 频带；左下图：中心频率 8000Hz 频带；右下图：中心频率 10000Hz 频带图 13 单孔 1mm 工装内外声场。左图：中心频率 2000Hz 频带；右图：中心频率 4000Hz 频
9、带图 14 所示为不同开孔的工装内外声场总声压级云图，无论单孔还是多孔，2mm 孔还是4mm 孔，内声场总声压级的空间分布都是比较均匀的。图 15 为不同开孔工装的内声场声谱。随着开孔面积的增大，内声场的声谱峰值越高。在每个频段上，内声场的声压级大于等于外声场。当开孔面积足够大时，内外声场一致。图 14 不同开孔情况下内外声场总声压级云图。左上图： 1 个直径 1mm 孔；右上图：1 个直径 6mm 孔；左下图：8 个直径 2mm 孔：右下图：8 个直径 4mm 孔图 15 为不同开孔工装的内声场声谱因此，对于使用工装保护传感器的方案二，通过计算得到以下结论：1.开单孔和开多个孔，内声场空间分
10、布都是均匀的。2.随着开孔面积增大，内声场的声谱峰值越高。3.每个频段上，内声场声压级大于等于外声场，当开孔面积足够大时，内外声场一致。3 方案 3 的仿真评估3.1 模型建立本方案是将图 1 中 8 所示的防风头改为侧边有单孔的单孔头直接安装在传感器上替代原来的防风头。因此建立与图 11 类似的模型进行计算。单孔头内声场的直径为 5.8mm。分别计算了侧边单孔直径 1mm 情况下的内声场高度分别为 2mm、3mm 、4mm 时的内外声场。3.2 计算结果及分析图 16、图 17、图 18 为侧边单孔直径 1mm 情况下的内声场高度分别为2mm、3mm、4mm 时的内外声场。图 19 为三种情
11、况下的内声场声谱。可以看出内声场空间分布均匀。在每个频段上，内声场的声压级大于等于外声场。并且随着防风头的高度增加，内声场声谱峰值对应频率越低，2mm 高侧边开直径 1mm 单孔的防风头能够保证 6000Hz 内的内外声场一致。图 16 高 2mm 且侧边开 1mm 单孔的内外声场图图 17 高 3mm 且侧边开 1mm 单孔的内外声场图图 18 高 4mm 且侧边开 1mm 单孔的内外声场图图 19 不同高度侧面开单孔的防风头的内声场声谱因此，对于侧边开 1mm 单孔的防风头的方案三，可以看出： 1.侧面单孔 1mm，高度不同时内声场的空间分布都是均匀的。2.随着防风头高度增加，内声场的声谱
12、峰值越低。3.每个频段上，内声场声压级大于等于外声场。4.2mm 高侧边开直径 1mm 单孔的防风头能够保证 6000Hz 内的内外声场一致。4 结论（1）密封可以形成很大的隔声量。而开孔的方案中，在低频段内外声场一致，高频有可能出现峰值。因此第二和第三个方案中，靠开孔的方法主要效果只是防止气流冲刷，而在隔声量方面没有效果，即内声场总是大于或等于外声场，而不会小于外声场，这是由声波的衍射所造成的。（2）开一个孔和开多个孔的效果是一样的，从加工方便以及防气流角度考虑，所有的开孔方案中只需要在侧边开一个孔即可。（3）声腔体积越小，开孔面积越大，则内声场形成共振声腔的能量峰值频率越高。（4）方案 1
13、（防风头改为密封头）不可行。方案 2 可考虑，方案 3 在加工方面存在困难（在 2mm 长的防风头侧边打一个直径 1mm 的孔，只能保证 6000Hz 内的准确性，要保证10000Hz 内的准确传递，防风头长度还需要再减小） 。（5）如果发射平台高量级噪声测量失败的主要原因是由于高温气流，则可以通过本方案 2 和方案 3 中减小孔数和孔径来达到防止高温气流冲刷传声器膜片的目的。参考文献1 黄怀德. 振动工程M. 宇航出版社， 1993. 2 姚德源, 王其政. 统计能量分析原理及其应用M. 北京理工大学出版社 , 1995.致 谢感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正!
