杨 斓，康昌玺，李 亮，杨 祺

（1.空军研究院系统工程研究所，北京 100076；2.兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

0 引言

高超声速指物体的飞行速度超过5倍声速。超高声速飞行器主要包括三类：超高声速飞机、超高声速巡航导弹及航天飞机。超高声速飞行器被视为下一代飞行技术，其特点是飞行马赫数高、低空巡航、航程长、温度高、飞行过程中将受到严酷的热、声、振动等复合环境的影响。由于在稠密大气层内高速飞行，驻点温度可达千度以上。长时间的飞行会造成结构和附面层气流温度很高，一方面影响结构强度；另一方面增强气动噪声作用效应。

严酷的噪声环境能导致飞行器结构疲劳破坏，这种破坏通常先出现累积损伤，然后出现裂纹，继而裂纹扩大直至最后断裂。另外由于噪声在固体中传播衰减很少，因此还能够导致飞行器内部微电子器件的引线故障、印刷电路板破裂、电触点断续工作、波导管与速调管失灵或损坏、光学元件失调和过量的电噪声等[1]。

1 噪声源

噪声源通常指两个方面，在GJB150.17A[2]中所定义，噪声环境是指大幅度的空气压力脉动，称为气动噪声。通常压力脉动在5～87 kPa的范围内和0.01～10 kHz的宽频带内，具有随机性，但也可能存在很高幅值的离散频率压力脉动。

气动噪声来源于两个方面：边界层气体流动及空腔流动。

边界层气动噪声的大小与自由来流的动压成正比，同时也与导弹外形、飞行马赫数和攻角等密切相关，其声压总级在130～170 dB范围内。而当高速气流经过开式空腔时，会发生自持振荡现象，产生剧烈的密度、压力脉动，诱发强烈的气动噪声，声压级通常高达170 dB。

噪声环境的另一个噪声源是来于设备本身的噪声，如冲压发动机作为强噪声源，所产生的声场强度可达到180 dB以上，甚至更高。燃烧产生的噪声以平面波的方式在进气道内向前传播，对产品亦会造成严重影响[3]，如图1所示。

图1 环境噪声的来源图Fig.1 The source of environment noise

噪声环境作用于飞行器外壳并通过与外壳相连接的结构引起飞行器内部设备的振动响应，是影响飞行器寿命[4]的主要环境因素之一。

2 噪声环境对设备的影响

GJB150.17A[2]给出了当设备暴露于噪声环境时可能出现的问题：（1）导线磨损；（2）部件的声疲劳和振动疲劳；（3）部件连接导线断裂；（4）印刷线路板开裂；（5）波导部件失效；（6）电触点断续工作；（7）小型仪表板和结构零件的破裂；（8）光学失调；（9）小颗粒脱落，可引起回路和机构卡死；（10）引起以空气为介质的电容器电容的变化，导致设备性能超差或失效；（11）使某些化学电池的电压发生变化，即影响化学过程。因为机械传递过程往往有衰减，特别是对带有减振装置的设备衰减量更大。噪声可以通过空气介质直接作用于声敏感结构，从而产生很大的响应。

国内外学者对于噪声环境对设备带来的影响进行了研究，童军等[5]研究了某机箱在160 dB量级噪声试验时出现引脚断裂问题，应用噪声激励下激光测振技术、声传递试验方法、有限元分析动态响应分析技术，给出了元器件管脚动态应力分布，并根据材料的应力-寿命（S-N）曲线对结构的寿命进行评估分析。尹立中等[6]利用再入飞行器气动噪声的试验结果和MSC/NASTRAN软件首次完成了再入飞行器复杂结构气动噪声的响应分析与试验验证。

吴振强等[7]对国外研究机构热噪声试验方法的发展历程、热噪声试验设备等进行了较为全面的阐述，概括了不同时期、不同应用背景下，热/噪声复合载荷环境的影响下，各类材料对热噪声环境的结构响应及失效特征。

冯强等[8]利用中国航空工业空气动力研究院的FL-1风洞，试验研究了武器舱内气动特性，包括气流强烈脉动产生的高强度气动噪声，研究了武器舱舱弹干扰特性，分了舱内腹撑对舱内流动影响以及弹体法向不同发射位置H/D对舱内流动的影响。

3 噪声试验的应用

GJB150.17A[2]中规定：必须在严酷的环境中工作/生存的设备、综合使用噪声激励与机械振动激励或者优先选取噪声激励模拟气动紊流的设备需进行噪声试验。

不需要进行噪声试验的产品需要满足的条件[9]：（1）规定起作用的声压级等于或者低于130 dB，或者承受的每赫兹带宽声压级小于100 dB；（2）产品不含内腔（例如用混合料浇筑的变压器、节流阀、组件或微型组件；固定电阻器，固定电容的电容器等）；（3）产品的工作能力破坏与共振作用无关，产品结构最低共振频率超过噪声作用试验频率范围的最高频率；（4）根据产品结构和工作原理，其参数不受技术条件中规定的噪声作用影响；（5）如果在产品标准和技术条件中规定了振动作用试验，则不进行低于100 Hz频率范围内的噪声作用试验。此时，产品结构能保证其耐低于上述频率的噪声作用的稳定性。上述产品的结构均能保证耐噪声作用的稳定性。

张卫红等[3]列举了高超声速巡航飞行器特有的声载荷环境下需进行的几项典型噪声试验及应用实例，概述了相关试验技术在高超声速巡航飞行器研制中的应用前景。

郭强岭等[10]在讨论噪声环境试验方法的基础上，给出了内埋武器可行的噪声环境试验方法，尝试确定了内埋武器空腔共鸣试验条件的计算方法和试验程序。

李春杰等[11]采用GJB150对振动传感器进行了噪声试验，试验结果表明振动传感器在噪声场中性能正常，可以感受到机械振动并有信号输出，且振动传感器的安装方式可以将强噪声引起的机械振动弱化甚至完全消除，使得其可以在大型飞行器的振动监测工作时间中完成监测工作。

4 噪声试验方法

4.1 实验室方法

以混响室试验为例，首先根据标准参考谱产生初始的激励信号，经过功放送到扬声器；噪声计接收声压、测试声压，然后将声场内传声器的响应反馈到控制系统，计算响应信号的功率谱密度，并与标准的功率谱比较，如有不同则自动修正；此过程反复进行，直到满足试验条件，完成试验均衡过程，如图2所示。

（1）噪声试验的类型

GJB150.17A[2]中规定，按照脉动压力产生和传递到装备的原理，实验室内噪声试验的类型分为三类，如表1所列。

（2）试验设备

GJB150.17A介绍了两种声场的试验设备：混响室和行波管，如表2所列。

图2 噪声试验系统的基本原理图Fig.2 Basic schematic diagram of a noise test system

表1 噪声试验类型Table 1 Type of noise test

表2 噪声试验的试验设备Table 2 Experimental equipment for noise test

4.2 仿真模拟方法

除了实验方法，也可采用从数值模拟的方法对噪声的影响进行了相应的分析。

王婉秋等[12]从建立试验件及混响室的SEA（统计能量法）模型及建立闭环虚拟噪声试验控制系统两方面出发建立了某卫星与混响室的SEA模型，在matlab平台下，建立了该模型的闭环控制系统，提出了一种虚拟噪声试验系统的方案设计及各分系统的虚拟仿真方法。

宁玮等[13]在实验的基础上，基于统计能量分析方法，对飞行器的混响室噪声试验进行建模和数值仿真，利用商业软件AutoSEA2建立了飞行器的统计能量分析模型。结果表明，对于高频随机激励下的飞行器环境预示，统计能量分析方法是可行且有效的。

5 结论

从噪声源、噪声对设备的影响、噪声试验的应用以及噪声试验的方法四个方面对噪声的影响进行了介绍。噪声对于高速飞行器可靠性的影响是一个不可忽视的因素，通过模拟飞行器相关产品特性声载荷环境对产品的噪声适应性进行考核，发现故障模式、排出隐患，提高产品的可靠性，对于高速飞行器相关产品的成功研制具有重要的意义。

参考文献：

[1]郭强岭.GJB 150.17噪声试验标准探讨[J].航空标准化与质量，2010（2）：40-41.

[2]李宪珊，夏益霖，刘斌，等.GJB150.17A-2009.军用装备实验室环境试验方法第17部分：噪声试验[S].北京：中国人民解放军总装备部，2009：18.

[3]张卫红，冯秉初，呙道军.噪声试验技术在高超声速巡航飞行器研制中的应用前景[J].强度与环境，2011，38（1）：31-35.

[4]秦晓刚，郑晓泉，王立.航天介质材料寿命的电性能评估技术[J].真空与低温，2007，13（4）：198-201.

[5]童军，侯传涛，荣克林，等.噪声振动环境中的仪器设备损伤研究[J].强度与环境，2014，41（5）：51-55.

[6]尹立中，徐孝诚.再入飞行器的气动噪声响应分析和试验验证[J].导弹与航天运载技术，2002（3）：9-11.

[7]吴振强，任方，张伟，等.飞行器结构热噪声试验的研究进展[J].导弹与航天运载技术，2010（2）：24-30..

[8]冯强，崔晓春，陈雪原.武器舱空腔舱弹干扰特性初步研究[C]//近代实验空气动力学会议，2009.

[9]游亚飞，徐路，孙明阳，等.GJB150.17A噪声试验方法介绍与分析[J].装备环境工程，2010，7（6）：32-35.

[10]郭强岭，郭迅.内埋武器噪声环境试验方法探讨[J].装备环境工程，2014，11（1）：93-96.

[11]李春杰，郭涛，闫明明.振动传感器在强噪声环境下的工作性能分析[J].中国新通信，2014，9（9）：94-96.

[12]王婉秋，刘闯.航天器虚拟噪声试验系统方案设计[J].航天器环境工程，2009，26（2）：140-142.

[13]宁玮，张景绘，王珺.飞行器仪器舱混响室声环境实验研究和数值模拟[J].西安交通大学学报，2009，43（6）：99-102.