声疲劳试验|汉航NTS.LAB ACS闭环声学控制系统

一、什么是声疲劳？

航空航天产品设计中，为实现轻量化，大量使用薄壁板壳结构，例如超音速飞机的进气道和排气口以及涡喷发动机燃烧室和尾喷管的薄壁壳结构，空天飞机（高超音速运载工具）的蒙皮、隔热防护板、雷达罩等的薄壁板壳结构等。这些结构在发动机喷流噪声、超音速或高超音速飞行过程中产生的高声级噪声载荷（150dB-180dB以上）作用下，长时间暴露于高强度的噪声环境中，必将产生高频随机振动，进而引起结构的疲劳与失效。

声疲劳是声和附面层压力起伏引起飞行器结构部件共振（或者是噪声强迫飞行器结构部件发生激振）而产生的。声疲劳现象同其它由于随机载荷而产生的疲劳没有本质上的区别。疲劳破坏的过程有裂纹源形成、疲劳累积（微观裂纹扩展）、疲劳损伤（裂纹扩展）和疲劳断裂四个阶段。由于疲劳断裂往往是是突然发生的，事前没有明显的征兆，极易导致飞行器发生灾难性事故。因此，对在高强度噪声场（超过140dB）环境下工作的各种材料（例如在航空、航天工业中所用的金属材料），都要预先考虑其声疲劳性质。

开展声疲劳研究是实施飞机、发动机结构完整性计划所包含的一项重要工作，对提高结构可靠性和寿命、减少使用过程中维修成本有着十分重要的意义。

二、声疲劳试验系统的组成

以往的疲劳试验都是在低频振动条件下进行的。然而，已完成的大量实验表明振动疲劳与声疲劳是有较大差别的，并且声载荷的声压级越高，其对结构的损伤程度及疲劳寿命的影响越大。使飞行器、蒙皮结构产生应力变化的主要根源是喷气噪声和附面层噪声，因此声疲劳研究特别强调高频强噪声引起的振动以及疲劳特性。

声疲劳首先需要准确模拟试验产品在工况时所承受的声载荷，进而研究产品的应变分布及加速度响应等关键物理量。根据产品类型、噪声量级、试验目的不同，可以选择在混响室、行波管和消音室内完成。

在混响试验室内试验时，将受试产品弹性悬挂于空间内，避免各受试面与墙壁壁面平行，可对较大的试验产品进行声载荷试验，如模拟卫星发射时承受的声场环境，低声压级声载荷可采用电声喇叭作为激励源（小于140dB）；高声压级可采用气源喇叭加载声载荷。

混响室：闭环声载荷加载

若采用行波管装置试验时，被测件一般为材料元件或者小的结构部件，其工作段截面一般为矩形，受试产品安装于其中一个面，需保证产品受试面与行波管内壁表面平齐，以防止造成局部紊流效应或空腔共鸣，多用于对蒙皮结构等小的部件进行高声压级试验（部件级的验证试验），其声压级可高达150-180dB。

行波管：闭环声载荷加载

若结构较大，且不同位置的所承受的声载荷不同，可将产品放置在消音室内，重构结构在不同点的声场环境，准确复现不同位置的声载荷（每个控制点的声载荷谱不同），如可用于高速列车不同位置的声载荷加载。

消音室：多控制点闭环声载荷加载

汉航NTS.LAB ACS闭环声控制试验系统，向客户提供系统的声载荷加载解决方案，适用于不同工况及需求的声激励加载工况。声疲劳试验设备主要由混响室、行波管或者消音室、声源、声场闭环控制系统、控制麦克风等组成。而声疲劳试验中如何将声载荷谱进行闭环控制加载与测量是声疲劳试验技术中的关键环节。

汉航NTS.LAB ACS基于数字式闭环控制原理，实现声载荷幅值、频率精确控制，其工作原理如下图所示。

数字式闭环声学控制系统工作原理

试验时，将标准参考频谱（如GJB150规定的噪声试验谱）及相关试验参数输入到声学控制系统中，并转换为随机时域信号，以较低电平驱动声源系统发声。在试验段安装控制传声器，测量该位置处声压信号，并反馈到声学控制系统。将反馈的时域声压信号通过傅里叶变换转换为声压功率谱密度，并与标准参考频谱相比较，如有不同则修正驱动谱。该过程反复进行，直到满足试验加载频谱要求，从而实现声信号精准控制。

三、汉航NTS.LAB声学控制系统

3.1软件基本概功能

汉航NTS.LAB ACS控制带宽为20Hz-10kHz，并可在20Hz-10kHz范围内比例缩放(缩小或放大)整个试验谱；多个麦克风输入时控制方式有平均或外部其他控制方式，具有窄带谱声学控制和分析功能（PSD）、用户自定义的倍频程分析功能。

倍频程：参考谱、控制策略等参数设置

窄带谱实时控制

可存储和重复使用均衡后的驱动谱，更快到达试验量级；支持用户自定义试验计划、自检、均衡次数等参数。在发生某些倍频带超出限制时，可启动手动面板，将该倍频带设置为开环，然后手动将其量级进行调整，其它倍频带仍然由软件进行自动控制。

试验计划等参数设置

内置的麦克风传感器标定功能能够同时对一个或多个麦克风进行标定，手动测量、量级加或减、开环试验等功能均可定义为无效，增加实时控制的灵活性。

声学实时控制

另外，该系统具有通程时域数据采集功能，用户可自定义数据存储间隔时间，可自定义测量计划决定何时存储试验数据以及存储时间。

3.2 安全参数设置

为保障试验的安全运行，NTS.LAB ACS为用户提供全面的安全参数设置：对于多个麦克风控制通道，能够自动将故障麦克风剔除并排除参与控制的通道；每个倍频下的报警、终止声压值、OASPL（总声压级）的报警、终止值均可单独设定；可单独设定OASPL（总声压级）以及单个倍频声压值超限后的最长停止时间。

安全参数设置

3.3 强大的后处理功能

NTS.LAB ACS与NTS.LAB DSA共享数据处理平台，因此具有NVH测试具备的所有数据处理功能：如单图或多图显示；报告模板可以允许用户添加公司logo或其它需要的内容到试验报告中：光标指示、标注以及用户对试验的说明均可添加到试验报告中；数据导入、导出格式可支持多达20种，如hdt、rec、unv、uff、Matlab、wav、csv、txt、dat等；轻松拖拽浏览，2D和3D（瀑布图）显示；内置计算器功能完成各种数学计算（通道相加、相减、相乘、相除，FFT，逆FFT、自谱、互谱、自相关、互相关、PSD、积分、微分、1/n 倍频程处理等）。

NTS.LAB后处理平台