挑戰極限 | 音響還能這么玩——航天器聲學環境模擬
2022-01-14 編輯: Real-music
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航天器發射時發出的聲音有多少分貝 (dB)？
根據 NASA 的說法，答案是高達 220 dB。
正常對話為 60 dB
真空吸塵器是 75 dB
一場搖滾音樂會是 129 dB
人耳在接近約 120 dB 時會受到不可逆轉的損傷。在 150 dB 時，人的耳膜會爆裂；超過 180 dB 可能是致命的。
因此，航天器級別的噪音會在發射過程中產生危險且不穩定的環境。這不僅對于有效載荷本身，而且對于它可能攜帶的敏感設備，例如漫游車、衛星等會產生巨大的影響。
火箭內的典型有效載荷 | 圖片由ESA（歐空局）提供
大多數發射到太空的有效載荷都會放置在火箭的頂部。在這里，它們會配備保護整流罩，但這對于在發射時產生的惡劣條件下的精密結構和電子元件來說通常是不夠的。工程師需要在發射前進行廣泛的測試，以了解有效載荷是否能夠承受噪音和振動的摧殘，否則歷盡艱辛發射出的衛星在發射過程中被損壞，發射了，又好像沒發射；數年心血白忙活。
如果要測試發射過程中載荷所處的環境，每次測試都要發射一次火箭那成本無疑是巨大的。直接場聲學噪聲測試 (Direct Field Acoustic Noise，簡稱DFAN) 則是一種物理測試方法，可復制航天器和單個組件在發射時將經歷的振動聲學條件。DFAN 是通過用揚聲器環繞火箭并將其直接置于與發射時相同的噪音水平來執行的。
這比傳統的聲學測試方法更具成本效益，傳統的聲學測試方法需要帶有混響室的專用設施。它們的建造成本非常高。而且測試時必須將航天器移動到指定艙室，這會增加物流成本，并增加航天器的損壞幾率。
因此，DFAN 聽起來是個不錯的選擇，對吧？
DFAN 是傳統測試方法的一種高度準確、成本更低的替代方案，但與任何技術一樣，它也面臨一些挑戰。例如，典型的問題包括：
需要多少個揚聲器？
揚聲器應該如何配置？
需要多少個控制麥克風？
如果在測試開始前沒有考慮這些問題，工程師可能會發現由于揚聲器太少而導致聲能不足?；蛘?，他們可能會發現他們在過多的揚聲器投入了時間和預算。
同樣，主要挑戰是什么？
最受關注的要求實際上是使用商用揚聲器達到高達 146 dB 的整體聲壓級來模擬發射器頂部保護整流罩內的高強度聲學測試環境。這幾乎是在 30 米距離處測量的噴氣式飛機起飛的噪音。
另一個重要挑戰是確保聲場的均勻性。一個眾所周知的現象是由于聲波的相長干涉和相消干涉會存在于直接聲場中。
他們是如何解決的？
最近在商用揚聲器技術方面取得的重要進展的Adamson線陣列已接近高達 147 dB 整體聲壓級的認證水平（此處指的是AOSPL，而非MaxSPL）。必須產生的噪音水平和測試樣本所需的音量大小決定了揚聲器的數量。而Adamson自帶的聲場模擬軟件Blueprint AV可以很準確地預測所需數量。
測試雷達的發射環境模擬
聲場均勻性是通過使用多輸入多輸出 (MIMO) 窄帶控制算法、正確選擇控制麥克風位置和優化揚聲器配置來實現的。上圖的設置由 96 只Adamson旗艦的E15線陣列揚聲器堆疊成 12組并以圓形配置充分定位，以及 96 臺工廠標準功率放大器提供產生 147dB 聲場所需的功率。該設置使用配備了 MIMO 控制器和 Simcenter Testlab 的 Simcenter SCADAS。測試樣本周圍的 16 個麥克風用于測量聲場并生成校正的驅動值以創建均勻的聲學環境。
另一組帶有航天器模型的 DFAN 測試裝置（AdamsonE15+E219）
航天機構和運載火箭制造商目前很難為行業制定必要的指導方針，以正確進行 DFAN 測試。ESA、歐洲航天機構和西門子等技術公司正在為航天硬件編寫 ESA DFAN 手冊。截至今天，NASA-HDBK-7010 是唯一提供一些指導的文件。
毫無疑問，DFAN這項創新的測試技術正在獲得越來越多的關注。一方面是技術進步和令人信服的結果，另一方面是經濟和靈活的效益，引起了航天工業的關注。在美國等某些地區，這種替代方法已用于驗證和鑒定軍事和航空航天工業中的組件和系統。目前，歐洲和亞洲現在正在迎頭趕上，開始嘗試創建完整的 DFAN 測試系統。
Adamson擴聲系統正在憑借無可匹敵的超大能量輸出以及極其耐用且精準還原的Kevlar防彈材料以絕對的優勢成為了DFAN測試系統的不二之選。
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