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聲振試驗(yàn)目的、影響機(jī)理、失效模式
聲振試驗(yàn)又稱噪聲試驗(yàn)、音頻噪聲試驗(yàn)、誘發(fā)噪聲試驗(yàn)等。它是60年代末隨著航空航天技術(shù)的飛躍發(fā)展而發(fā)展起來的一個(gè)新型的尚未完全成熟和完善的環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目。
人類能聽到的聲音的頻率范圍在20Hz~20000 Hz，聲振試驗(yàn)的頻率范圍通常在63 Hz~8000Hz（或10000 Hz，隨規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中的不同要求而不同），頻率超過這個(gè)范圍的壓力震蕩稱為超聲波或超聲。這些頻率是人所聽不到的，但是在高的聲壓級(jí)下他們能產(chǎn)生某些生物影響。
聲振試驗(yàn)的目的是確定在強(qiáng)聲場(chǎng)內(nèi)工作、運(yùn)輸和儲(chǔ)存的產(chǎn)品對(duì)強(qiáng)聲場(chǎng)的適應(yīng)性能力。
強(qiáng)聲場(chǎng)主要出現(xiàn)在各種航空航天飛行器上，例如噴氣噪聲、旋轉(zhuǎn)噪聲（螺旋槳或旋葉）、附面層壓脈動(dòng)噪聲等。另外，車輛及動(dòng)力裝置和其它聲源也可能產(chǎn)生強(qiáng)聲揚(yáng)，例如泵和發(fā)電機(jī)組等大型機(jī)械內(nèi)部或附近。
在聲場(chǎng)內(nèi)，聲壓的起伏直接作用在產(chǎn)品上。噪聲所激起的振動(dòng)類似于機(jī)械傳遞所產(chǎn)生的振動(dòng)，不同的是機(jī)械傳遞的振動(dòng)可以被減震器有效的隔離，但噪聲不能被隔離。因此機(jī)械傳遞振動(dòng)的影響可以忽略，而噪聲對(duì)產(chǎn)品的影響應(yīng)予充分考慮。
噪聲對(duì)產(chǎn)品的破壞主要是對(duì)結(jié)構(gòu)和工作性能的破壞。對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞主要是使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞損傷，最后導(dǎo)致破壞。這種破壞通常是首先使產(chǎn)品出現(xiàn)累積損傷，然后出現(xiàn)裂紋，繼而裂紋擴(kuò)大，最后斷裂。對(duì)工作性能的破壞主要性能失調(diào)、工作失靈，產(chǎn)生故障等。噪聲對(duì)產(chǎn)品的具體影響有：微電子器件的引線故障、導(dǎo)線磨損、印刷電路板破裂、波道管與速調(diào)管失調(diào)、失靈或損壞、光電元件產(chǎn)生振動(dòng)、壓電元件產(chǎn)生異常壓電效應(yīng)等。
對(duì)振動(dòng)敏感的產(chǎn)品通常對(duì)噪聲也是敏感的,然而正弦或隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)不能代替聲振試驗(yàn)試驗(yàn),因?yàn)檎一螂S機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)受振動(dòng)臺(tái)頻率限制、受試驗(yàn)設(shè)備和夾具的振動(dòng)衰減、受減振器的影響等。很可能會(huì)漏了一些高頻元器件的高頻諧振和響應(yīng)。
通常在寬帶隨機(jī)噪聲環(huán)境的總聲壓級(jí)達(dá)130dB，即≥130dB時(shí)，或每赫帶聲壓級(jí)≥100dB噪聲場(chǎng)合工作的產(chǎn)品才要求進(jìn)行聲振試驗(yàn)。因?yàn)楫a(chǎn)品的表面或內(nèi)部所承受到的聲壓≥130dB時(shí)，經(jīng)過一段時(shí)間后會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞?？梢?，從某種意義上講，聲振試驗(yàn)可以看作是對(duì)振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)的補(bǔ)充。因?yàn)檎駝?dòng)受到高頻（一般最高為2000Hz，而聲振要到11200Hz）的限制和受夾具、減震器、結(jié)構(gòu)傳遞的影響。
聲振試驗(yàn)條件及其選擇
與其它振動(dòng)試驗(yàn)一樣，如果有產(chǎn)品安裝平臺(tái)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，就應(yīng)用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如果沒有或貨架產(chǎn)品就用規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)。
2.1 試驗(yàn)條件
聲振試驗(yàn)的試驗(yàn)條件主要是指總聲壓級(jí)、聲壓譜（頻率范圍）、持續(xù)時(shí)間三個(gè)參數(shù)。聲壓級(jí)是指聲音在任何給定點(diǎn)上的振幅,通常用SPL表示,其物理單位為dB。在一定頻率范圍內(nèi)的聲壓級(jí)稱總聲壓級(jí)，總聲壓級(jí)是以2×10-5N/m2的基礎(chǔ)聲壓為基準(zhǔn)壓力來計(jì)算的。當(dāng)描述聲音時(shí)，僅測(cè)量總聲壓級(jí)是不夠的。還必須對(duì)聲音加以分析，以確定聲音的能量在頻率范圍內(nèi)的分布，即聲壓譜。
（1）國(guó)標(biāo)和IEC標(biāo)準(zhǔn)中的要求
聲振試驗(yàn)的總聲壓級(jí)在130dB~165dB范圍內(nèi)，其中：
130dB——通常用來試驗(yàn)不靠近發(fā)動(dòng)機(jī)噴口的運(yùn)輸機(jī)內(nèi)部設(shè)備艙內(nèi)的產(chǎn)品。
140dB——通常用來試驗(yàn)靠近發(fā)動(dòng)機(jī)噴口的運(yùn)輸機(jī)內(nèi)部設(shè)備艙內(nèi)的產(chǎn)品，以及高性能軍用飛機(jī)離噴口很遠(yuǎn)的內(nèi)部設(shè)備艙內(nèi)的產(chǎn)品。
150dB——通常用來試驗(yàn)靠近跑道工作的產(chǎn)品或發(fā)動(dòng)機(jī)車臺(tái)內(nèi)工作的產(chǎn)品，以及軍用飛機(jī)靠噴口的內(nèi)部設(shè)備艙內(nèi)的產(chǎn)品。
160dB——通常用來試驗(yàn)靠近飛機(jī)噪聲源附近的產(chǎn)品，以及靠近炮口附近的產(chǎn)品。
165dB——通常用來試驗(yàn)在火箭的地面發(fā)射區(qū)中工作的產(chǎn)品，以及火箭助推器和發(fā)動(dòng)機(jī)隔艙中工作的產(chǎn)品。
聲振試驗(yàn)的時(shí)間一般是根據(jù)產(chǎn)品的工作場(chǎng)所和試驗(yàn)的目的來確定的。對(duì)工作在火箭、導(dǎo)彈上的產(chǎn)品，一般為8~15分鐘（最長(zhǎng)不超過15分鐘）。通常是根據(jù)火箭和導(dǎo)彈的飛行時(shí)間再乘以一個(gè)安全系數(shù)來確定具體試驗(yàn)時(shí)間。
對(duì)于機(jī)載產(chǎn)品，在其工作壽命期間，將受到來自各種聲源的不同噪聲環(huán)境的作用。最嚴(yán)重的噪聲發(fā)生的時(shí)間很短（例如起飛、加力飛行、特技飛行等），占產(chǎn)品壽命的一小部分，大部分時(shí)間是處在較低幅值的聲壓作用下。而試驗(yàn)室所采用的試驗(yàn)條件（嚴(yán)酷等級(jí)）都是模擬最嚴(yán)重的情況，所以試驗(yàn)時(shí)間都取得比較短，通常對(duì)機(jī)載產(chǎn)品的功能試驗(yàn)一般為30分鐘（最長(zhǎng)不超過40分鐘）。對(duì)機(jī)載設(shè)備的聲耐久試驗(yàn)，一般為5~10小時(shí)。為了縮短試驗(yàn)時(shí)間，對(duì)聲耐久試驗(yàn)允許用加速方法進(jìn)行。
（2）軍標(biāo)中的要求
（略）
3 聲振試驗(yàn)設(shè)備
模擬現(xiàn)場(chǎng)噪聲及其影響的設(shè)備有多種，且各有其特點(diǎn)，無論何種設(shè)備均由聲場(chǎng)（試驗(yàn)室）、產(chǎn)生聲場(chǎng)（聲源）的設(shè)備、檢測(cè)聲場(chǎng)的儀器三大部分組成。下面以用得較多的混響室為例來說明對(duì)聲振試驗(yàn)設(shè)備的要求。
3.1 聲場(chǎng)（試驗(yàn)室）
（1）混響室
試驗(yàn)室的形狀和結(jié)構(gòu)應(yīng)能形成密封的傳聲場(chǎng)。為了能產(chǎn)生均勻的混響聲場(chǎng)，試驗(yàn)室的壁面應(yīng)盡量避免互相平行，最好采用圖17-2的示的不規(guī)則五角形。
為了提高混響室的效果，試驗(yàn)室的容積至少應(yīng)為樣品體積的10倍。壁面材料應(yīng)具有最小的吸音系數(shù)，以節(jié)省聲源的功率。試驗(yàn)室還應(yīng)設(shè)計(jì)成能保護(hù)工作人員免受噪聲的影響。
（2）行波試驗(yàn)管
它是一個(gè)管狀的試驗(yàn)裝置，在管的一端加聲載（理想的聲載是平面波）。聲波在管內(nèi)以平面的形式向前傳播。聲波像水波在水面上傳播那樣掃過試驗(yàn)樣品表面，另一端是出口。平面波的傳播有時(shí)也會(huì)受試驗(yàn)樣品的影響引起聲場(chǎng)的變化。由于聲源局限在管內(nèi)，因此可以得到高的聲壓級(jí)。行波管試驗(yàn)技術(shù)用來局部強(qiáng)聲源。它還適用于直接受到火箭或噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)局部聲源作用的各種類型飛行器的外部設(shè)備。
（3）自由聲場(chǎng)或半自由聲場(chǎng)
自由聲場(chǎng)或半自由聲場(chǎng)是一個(gè)沒有聲能反射或反射不大的聲場(chǎng)。通常利用一塊空曠的場(chǎng)地作為試驗(yàn)場(chǎng)地。它模擬的是聲壓級(jí)較低的行波聲場(chǎng)，并往往需要用隔板來產(chǎn)生所需要的聲壓分布。由于它簡(jiǎn)單、場(chǎng)地大，往往用來做試驗(yàn)聲壓級(jí)不高、譜形要求不嚴(yán)的大尺寸的樣品。
（4）其它
對(duì)聲場(chǎng)，除上面所介紹的混響室、行波管和自由聲場(chǎng)或半自由聲場(chǎng)外，在無設(shè)備的情況下，根據(jù)樣品實(shí)際所要求的噪聲環(huán)境和試驗(yàn)?zāi)康模€可用火箭或噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車時(shí)后面產(chǎn)生的噪聲場(chǎng)（類似于半自由聲場(chǎng)）來進(jìn)行聲振試驗(yàn)。其條件是只要它能達(dá)到聲振試驗(yàn)條件所需要的均勻度、聲譜和總聲壓級(jí)。由于該試驗(yàn)環(huán)境難以控制，因此它的使用又以定的局限性。
3.2 產(chǎn)生聲場(chǎng)（聲源）的設(shè)備
產(chǎn)生聲場(chǎng)的設(shè)備可采用氣笛、空氣噴管或電動(dòng)揚(yáng)聲器，而以電動(dòng)場(chǎng)聲器最適用。無論采用何種聲源，它對(duì)樣品所施加的噪聲應(yīng)具有接近正態(tài)分布的隨機(jī)能量。聲源所產(chǎn)生的總聲壓級(jí)的均勻應(yīng)在-2～＋4dB范圍內(nèi)。聲源的功率應(yīng)能保證在所規(guī)定的頻率范圍內(nèi)同時(shí)對(duì)樣品產(chǎn)生激勵(lì)。另外，聲源的通道相對(duì)于混響室壁的總面積要盡量小。
3.3 檢測(cè)聲場(chǎng)的儀器
在聲振試驗(yàn)中，必須對(duì)聲壓級(jí)、聲壓不均勻度、聲譜形狀等進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)，采用裝有微音器的測(cè)量?jī)x表和指示儀表進(jìn)行。檢測(cè)儀表至少應(yīng)具有比所規(guī)定的聲壓級(jí)高10dB的檢測(cè)能力。當(dāng)檢測(cè)隨機(jī)噪聲時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)能給出聲壓的方均根值。測(cè)量聲壓譜時(shí)，聲壓級(jí)量值的測(cè)量大多數(shù)環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定用倍頻程帶中心頻率和頻帶寬度來進(jìn)行。測(cè)量使用的的微音器應(yīng)在隨機(jī)影響范圍內(nèi)校準(zhǔn)。測(cè)量系統(tǒng)的精度應(yīng)符合精密聲級(jí)計(jì)以及精密倍頻程帶寬濾波器的精度等級(jí)。這樣得到的指示值就可直接和所規(guī)定的量值及其容差進(jìn)行比較，而不需要進(jìn)一步修正儀表誤差。
4 樣品的安裝
聲振試驗(yàn)的成敗與樣品的安裝很有關(guān)系。樣品在聲場(chǎng)中的安裝要求是：整個(gè)外表面都應(yīng)暴露在聲場(chǎng)中，樣品的主要表面不應(yīng)和試驗(yàn)箱的任何表面平行（在某些情況下允許非主要表面和試驗(yàn)室壁面平行，其中包括天花板與地板），因?yàn)楸诿婧蜆悠返闹饕砻嫦嗥叫袝r(shí)，勢(shì)必在壁面和樣品的主要表面之間產(chǎn)生平行反射波，從而影響聲場(chǎng)的混響效應(yīng)和均勻度。如果樣品的長(zhǎng)短軸線相差很大，并且是使用單聲源時(shí)，則樣品的長(zhǎng)軸線不應(yīng)和聲源的激勵(lì)方向一致。應(yīng)盡可能將樣品安裝在試驗(yàn)室中心，且靠近聲源，以使聲場(chǎng)對(duì)樣品直接激勵(lì)。樣品在試驗(yàn)中應(yīng)該用彈簧或軟線（例如橡膠繩）懸掛起來。如果軟懸掛與樣品之間，或?yàn)榱斯潭☉覓?，需要一安裝結(jié)構(gòu)，則要小心使用，應(yīng)保證不產(chǎn)生偽聲和偽振動(dòng)輸入。整個(gè)懸掛系統(tǒng)加上樣品后的共振頻率應(yīng)低于25Hz，這樣可防止試驗(yàn)時(shí)由于懸掛系統(tǒng)共振而造成的附加振動(dòng)。如果樣品有專用的安裝點(diǎn)，懸掛系統(tǒng)應(yīng)和這些專用安裝點(diǎn)相連；如果樣品沒有專用安裝點(diǎn)，懸掛系統(tǒng)和樣品的連接應(yīng)以不妨礙樣品的自由運(yùn)動(dòng)和獨(dú)立運(yùn)動(dòng)為原則。功能試驗(yàn)時(shí)所需的電纜、導(dǎo)管等的連接和安排，以及附加的約束和質(zhì)量，應(yīng)盡量模擬實(shí)際使用時(shí)的安裝。
5 試驗(yàn)程序
與其它試驗(yàn)一樣，聲振試驗(yàn)的試驗(yàn)程序由預(yù)處理、初始檢測(cè)、預(yù)調(diào)、試驗(yàn)、恢復(fù)、最后檢測(cè)幾步組成。下列各步有別于其它試驗(yàn)，應(yīng)掌握好：
（1）預(yù)調(diào)
預(yù)調(diào)的目的主要是用來檢查聲壓級(jí)和聲譜容差。預(yù)調(diào)是在無樣品（包括樣品的懸掛結(jié)構(gòu)）的情況下進(jìn)行的。預(yù)調(diào)時(shí)檢測(cè)傳感器要安裝在樣品試驗(yàn)時(shí)將要占據(jù)的空間位置上。通常使用一個(gè)微音器來進(jìn)行預(yù)調(diào)。如果有特殊要求，也可使用多個(gè)微音器來進(jìn)行。
預(yù)調(diào)時(shí)，試驗(yàn)室應(yīng)能產(chǎn)生所規(guī)定的總聲壓級(jí)值，并且與所要求的聲譜形狀一致（如圖17-2所示）。測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)具有比1倍頻程更好的分辯率，但可適當(dāng)降低如圖17-2所示的倍頻程帶寬聲壓級(jí)，以達(dá)到所需的總聲壓級(jí)值。
（2）試驗(yàn)
預(yù)調(diào)結(jié)束后，將樣品按本章17.4的安裝要求安裝在試驗(yàn)場(chǎng)中，然后開始重新建立總聲壓級(jí)值。通常至少用三個(gè)微音器（最多不超過六個(gè)）來檢測(cè)。微音器的位置根據(jù)試驗(yàn)的要求放置。多數(shù)環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)采用的方法是將微音器放置在接近樣品的每個(gè)不同的主要表面，并且離樣品約0.5米處，或放置在樣品主要表面和試驗(yàn)室壁面距離二分之一處，并且在二者中取小尺寸者。當(dāng)試驗(yàn)室只有一個(gè)噪聲注入點(diǎn)時(shí)，應(yīng)有一個(gè)微音器放置在樣品和噪聲注入點(diǎn)最遠(yuǎn)的室壁之間。
在樣品和檢測(cè)微音器安裝好后，就開始重新調(diào)整聲壓級(jí)，應(yīng)使每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)上的壓級(jí)的平均值在所規(guī)定的-2dB—＋4dB范圍內(nèi)，并且總聲壓級(jí)也在-2dB—＋4dB內(nèi)。對(duì)大型樣品，要達(dá)到總聲壓級(jí)的容差要求可能是困難的，此時(shí)容差允許放寬，例如為±6dB.
達(dá)到所規(guī)定的總聲壓級(jí)和容差要求后，將樣品按功能試驗(yàn)和耐久試驗(yàn)的要求試驗(yàn)到規(guī)定的時(shí)間。
（3）最后檢測(cè)
對(duì)樣品的外觀、結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，例如檢查樣品有無松弛、裂紋，導(dǎo)線有無擦傷等。對(duì)樣品施加電應(yīng)力檢查其功能是否正常，測(cè)量電性能是否符合要求。若樣品的功能和電性能參數(shù)均在規(guī)定的范圍內(nèi)，則認(rèn)為滿足功能試驗(yàn)要求。耐久試驗(yàn)結(jié)束后，在規(guī)定的功能條件下，樣品工作正常，電性能參數(shù)在極限范圍內(nèi)，而且無機(jī)械損傷等，則被認(rèn)為滿足了耐久試驗(yàn)條件。
6 試驗(yàn)分類
在有些標(biāo)準(zhǔn)（例如軍標(biāo)）根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康牡牟煌?，將聲振試?yàn)分為：
（1）設(shè)計(jì)研究試驗(yàn)
設(shè)計(jì)研究試驗(yàn)是在設(shè)備研制過程中的試驗(yàn)，用來找出樣品或飛行試驗(yàn)樣品中動(dòng)態(tài)特性和缺陷，為設(shè)計(jì)師提供信息，消除工藝方案中的錯(cuò)誤和不足。該試驗(yàn)要模擬使用和飛行中最惡劣的環(huán)境，所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)條件是最嚴(yán)酷的聲環(huán)境的聲壓級(jí)。
（2）鑒定試驗(yàn)
鑒定試驗(yàn)是用來試驗(yàn)樣品是否滿足合同規(guī)定要求的試驗(yàn)。應(yīng)采用產(chǎn)品可能經(jīng)受到的最惡劣的環(huán)境作為試驗(yàn)的基礎(chǔ)。鑒定試驗(yàn)包含性能試驗(yàn)和耐久試驗(yàn)。性能試驗(yàn)是有效使用期內(nèi)最嚴(yán)酷的環(huán)境試驗(yàn)；耐久試驗(yàn)是一種加速試驗(yàn)，它必須模擬產(chǎn)品累積效應(yīng)時(shí)間。如一個(gè)樣品既要進(jìn)行性能試驗(yàn)有要進(jìn)行耐久試驗(yàn)，應(yīng)先做一半時(shí)間的性能試驗(yàn)，再做耐久試驗(yàn)，最后完成余下一半時(shí)間的性能試驗(yàn)。
（3）飛行剖面試驗(yàn)
飛行剖面試驗(yàn)是模擬飛行狀態(tài)的試驗(yàn)，要求在某聲壓級(jí)的試驗(yàn)時(shí)間與使用中相同聲壓級(jí)的作用時(shí)間一樣，并按飛行時(shí)間歷程來模擬。因此試驗(yàn)期間的聲壓級(jí)是隨時(shí)間變化的。它不是一種加速試驗(yàn)，但也不是精確的真實(shí)的飛行時(shí)間歷程再現(xiàn)。
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