GJB 150.17噪声试验标准探讨

40Apr.2010    航空标准化与质量 总第236期飞行器在挂载飞行和自主飞行过程中承受由于气动力“压力脉动”引起的噪声环境，通常这些压力脉动在5kPa~87kPa的幅值范围内和10Hz~10kHz的宽频带内是随机性的，但也可能存在很高幅值的离散频率压力脉动。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130dB~170dB范围内。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，是飞行器寿命期内的主要环境因素之一。严酷的噪声环境能导致飞行器结构疲劳破坏，这种破坏通常是先出现累积损伤，然后出现裂纹，继而裂纹扩大，最后断裂。另外由于噪声在固体中传播衰减很少，因此它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，应在飞行器研制阶段开展噪声环境研制试验，以确定结构设计、选用的器件和工艺对噪声环境的适应性。我国颁布的GJB150.17–1986《军用设备环境试验方法　噪声试验》规定了各类飞行器的噪声试验条件和试验方法，本文简要介绍了GJB150.17–1986噪声试验标准提供的试验方法，重点针对空腔共鸣试验条件进行分析并给出相应标准修订建议。1GJB150.17–1986噪声试验标准简介国外20世纪70年代对武器系统喷气噪声进行了深入研究，并将其作为武器系统环境试验的一个重要组成部分写入了MIL–STD–810。我国也几乎在同期开始了射流声学的研究工作，GJB150.17–1986等效采用了1983年颁布的MIL–STD–810D推荐的噪声试验方法，并与1989年颁布的MIL–STD–810E完全一致，是目前现行有效的噪声环境试验标准，并给出了试验条件的确定方法，具有较好的可操作性。GJB150.17–1986给出的噪声环境试验分混响场噪声、掠入射噪声和空腔共鸣噪声3类，混响场噪声方法要求一个均匀强度的噪声谱型，冲击所有暴露的装备表面。通常在一个混响室中产生混响场，提供宽带随机激励并形成谱。对机载外挂推荐采用混响室试验方法进行试验，但混响室只能产生160dB以内的均匀声场，对于高量级噪声输入应考虑使用掠入射噪声进行试验。掠入射噪声方法要求一个高强度、具有某一谱型的快速脉动的噪声，以一个特定的方向冲击试验件表面。掠入射噪声在行波管管道内产生，最高声压级可达165dB以上，主要适用于系统级产品，试验配置较容易，并可根据产品体积大小加工相应的行波管。试验件在行波管内应保证该面与管道的内表面齐平，以防止引入空腔或局部紊流效应。空腔共鸣噪声的噪声谱声谱的强度和频率分量在很大程度上受空腔的几何形状与腔内装备之间关系的支配，空腔共鸣噪声可以在混响室或行波管内完成，但应使试验件空腔部分暴露于声能的直接作用，同时保护所有其他表面。GJB150.17–1986规定：“若设备的宽带随机噪声环境的总声压级不超过130dB或每赫带声压级低于100dB，则不必进行噪声试验”，由于缺少相应的实测数据，国内很少有航空产品按标准要求开展噪声环境试验。但随着新一代战机研制，内埋武器舱成为隐身性能较好的配置方案，而武器舱开门时气穴掠入气流形成的空腔共鸣环境对舱体结构GJB150.17噪声试验标准探讨郭强岭（中国空空导弹研究院，河南洛阳471009）[摘要]简要介绍了GJB150.17噪声试验标准，重点分析了相关试验规范空腔共鸣试验条件，并给出标准修订建议。[关键词]空腔共鸣；噪声；环境试验标准；试验条件[中图分类号]V216.5+4[文献标识码]C[文章编号]1003–6660（2010）02–0040–03[收修订稿日期]2009-12-04《航空标准化与质量》2010年第2期•环境与可靠性41Apr.2010AeronauticStandardization&QualityNo.236和舱内外挂物影响很大，成为新研武器系统必须考虑的环境因素之一，应及时开展空腔共鸣噪声试验以验证环境适应性，但试验条件设计时发现GJB150.17–1986给出的空腔共鸣噪声环境试验条件存在一些问题，影响试验的实施。2空腔共鸣试验条件分析2.1GJB150.17—1986空腔共鸣试验条件空腔共鸣声压级与自由来流动压有关，而共鸣频率取决于空腔尺寸和空气动力流动条件，试验条件计算方法主要基于Heller、SmithD等人1975年的研究报告给出，见公式（1）和公式（2）。5.76lg200qB(1)式中：B0——试验声压级，dB；q——空腔敞开时的飞行动压，Pa。(())5.057.024.225.013.6LC2MNfN()5.024.22M(2)式中：fN——第N阶模态共鸣频率，Hz；N——模态数(N=1,2,3,…)；M——马赫数；L——暴露于气流中的开口长度/半径，m；C——飞行高度上的声速，m/s。空腔共鸣频率fN的上限为500Hz，在f1500Hz的情况下，仅使用这阶模态。假定某载机内埋武器舱长度为4m，分别在在9km高度、0.85M飞行速度和12km高度、1.5M飞行速度等两种典型状态下开武器舱门进行武器发射，将各参数代入公式（1）和公式（2）计算空腔共鸣试验条件，计算结果见表1。由计算结果可见，对于此大型武器舱依据标准推荐的计算公式空腔共鸣试验声压级达160dB以上，第1586阶模态共鸣频率才达到20Hz，一般混响室只能达到155dB左右，此试验只能在行波管内进行试验，但各阶空腔共鸣频率均为次声频率，在现有的行波管内无法完成空腔共鸣噪声试验。2.2MIL–STD–810F空腔共鸣试验条件2000年颁布的MIL–STD–810F中空腔共鸣声压级的计算公式没有变化，但对空腔共鸣频率的计算公式进行了修改，见公式（3）。不难看出在舱体尺寸不变的情况下按公式（3）计算的空腔共鸣频率将更低，无法据此开展空腔共鸣试验。制定MIL–STD–810F的参考文献之一就是NATOAECTP400，通过查阅2006年颁布的AECTP400第3版，其中给出了与公式（2）相同的共鸣频率计算公式，由此可见MIL–STD–810F出版过程中可能存在公式编排错误。目前正在报批的GJB150A.17相应等效采用了MIL–STD–810F的空腔共鸣计算公式，也存在此问题。fN0.50.25))((6.13N5.024.22M0.57LC)(5.024.22M(3)2.3MIL–STD–810G空腔共鸣试验条件2008年正式颁布的MIL–STD–810G空腔共鸣声压级的计算公式没有变化，但对空腔共鸣频率的计算方法进行了重大修改，对于长深比大于2、飞行马赫数在0.4~1.5内的空腔，给出的共鸣频率计算方法见公式（4）。((())))57.02125.05.0N2MMNLUf1(4)式中：U——自由来流速度，m/s；L——暴露于气流中的空腔长度，m；M——自由来流马赫数；N——声模态阶数；g——空气的比热比，恒定常数1.4。经查阅资料，美国《军用飞机声疲劳设计指南》中提供了与MIL–STD–810G类似的空腔共鸣频率计算公式，见公式（5）。75.1(((())))2125.05.0N2MMNLUf1(5)由于MIL–STD–810G和美国《军用飞机声疲劳设计指南》中并未给出计算公式来源，我们也没有表1GJB150.17–1986空腔共鸣试验条件状态1状态2B0160166f10.0090.007f20.0220.018f30.0350.028f40.0470.038f50.0600.048………f15862016（下转第48页）环境与可靠性•《航空标准化与质量》2010年第2期48Apr.2010    航空标准化与质量 总第236期4国内外标准应用分析●国外情况根据搜集到的国外设计资料可知：这是结构尺寸庞大且多采用焊接形式进行组合的产品，对焊缝的质量要求相对较高。从设计资料中可以看出，设计人员对焊接控制严格，焊缝的标注不仅选定设计标准，还对坡口的形式、坡口尺寸规格、焊缝等级、检验类别等均进行一一明确表示，从而最终控制焊接质量满足大尺寸的焊接连接强度需求。●国内情况在国内焊接标准应用中，设计人员因对焊接工艺了解较少，对焊接检验知道也不多，因此设计图样焊缝标注通常仅按GB/T324给定基本焊接符号，必要时给定辅助符号、对坡口尺寸有特定要求时才给定坡口尺寸，即给焊接工艺人员提供基本坡口形式及特定要求，其它焊接工艺要求均由焊接工艺人员自行确定；另外，通过分析GB/T985、GB/T986k（编辑：雨晴）标准可知，给定的坡口尺寸远没有国外标准划分得细密，标准内容较粗犷。焊连接形式不是非常广泛的组合形式，产品研制中一般未应用在特大尺寸连接中。5分析结果及解决方法在深入研究国外焊接资料基础上，最终研究认为：国外焊接控制体系标准比国内更健全，焊接工艺控制较国内更具可操作性；可考虑适当时机引进国外焊接相关要求，如坡口尺寸、焊接检验等以弥补国内不足。因此在后续产品研制过程中，我们将国外焊接资料引入并转换为多项企业标准。这些标准在某产品研制中直接在焊接工艺中得到贯彻执行，未发现问题。产品的焊联接强度是否满足使用需求还需在产品的试验、试车过程中逐步得到验证。（上接第41页）内埋武器舱噪声环境测试数据，无从判断公式的孰对孰错。将典型发射参数分别用公式（4）和公式（5）进行空腔共鸣频率验算，计算结果见表2，参数相同时公式（4）的计算频率明显比公式（5）的计算频率高1.5倍以上，且在10阶以内声模态频率就能达到500Hz，试验的可操作性更强。B0状态1（Hz）状态2（Hz）公式（4）公式（5）公式（4）公式（5）f135.51945.727.7f282.844.4106.664.5f313069.8167.5101.4f4177.595.2228.4138.3f5224.8120.6289.3175.1f6272146350.2212f7319.5171.3411.1248.9f8366.8196.7472285.7f9414.1220.1322.6f10461.4247.5359.5f11508.8298.2396.3（编辑：劳边）k依据现行的GJB150.17–1986计算的空腔共鸣试验条件在现有试验设备中无法实施。通过分析MIL–STD–810F、NATOAECTP400、MIL–STD–810G和美国军用飞机声疲劳设计指南等相关规范中提供的空腔共鸣试验条件，MIL–STD–810F的计算公式可能存在编排错误，MIL–STD–810G的计算公式较为可信，而我国正在报批的GJB150A.17等效采用了MIL–STD–810F的空腔共鸣计算公式，建议尽快依据MIL–STD–810G进行修改，同时开展空　腔噪声环境实测工作，对共鸣频率计算公式进行必要的校核。表2　公式（4）和公式（5）空腔共鸣频率验算结果3结论空腔共鸣噪声环境试验是新一代战机内埋武器舱结构和内埋武器系统必须进行环境研制试验，《航空标准化与质量》2010年第2期•应用广角[参考文献][1]现代武器装备持续采办与全寿命支持：CALS编委会.现代武器装备持续采办与全寿命支持：CALS.[M].北京：航空工业出版社，2007.8.[2]张兴全.装备保障信息化.[M].北京解放军出版社，2003.8.[3]张子丘，王建平.装备技术保障概论[M].军事科学出版社，2002.（上接第14页）k（编辑：小墨）