载人航天器内超声的应用范文

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《航天器环境工程杂志》2014年第三期

1泄漏超声波理论分析

1.1泄漏超声波的产生原理在轨航天器密封舱会因泄漏而产生气动声源。根据气动声学的研究理论[6]，气体在压力差的作用下穿过微小孔径时，因流速较高会产生湍流，而湍流中大量旋涡间的相互作用又会产生内应力，使得旋涡各自体积元上受到大小相等、方向相反的起伏力的作用，从而在气体中产生四极子性质的声源。航天器密封舱内大气通过小漏孔的泄漏流动模型如图1所示，其中V1、P1为大气压端的气体流速和压力，V0、P0为真空端的气体流速和压力。对泄漏产生的超声波探测关键是选择与超声波的频率范围相适应的换能器，因此需要进行气体泄漏超声的频谱分析。根据目前国内外的研究情况，泄漏超声的声功率谱LW是斯特劳哈尔数S=fD/V的函数，其中f是超声频率，D是漏孔直径，V是出流速度。通过大量的试验研究表明，如果采用归一化修正处理。根据前文所述的泄漏原理可知，超声波形成在流场中。对于光滑的圆形漏孔来说，声功率与漏孔的直径和通过漏孔的流速都有关系，因此可通过流场仿真获得相关参数进而计算声场量值。设置仿真边界条件：入口压力为1个大气压，出口压力为10Pa，漏孔的直径为1mm。仿真采用k-ε湍流模型，得到的流场速度云图如图3所示。

1.2声衰减原理检测航天器舱内的泄漏超声在不同位置会有不同的测量值，随着与漏孔距离的增加而衰减，随着方位的不同也有变化。按照引起声强减弱的不同原因可把声波衰减分为吸收衰减、散射衰减和扩散衰减。声学理论证明吸收衰减和散射衰减均遵守指数衰减规律，而扩散衰减是因波阵面的面积扩大所导致的声强减弱，球面波将随波阵面的半径的平方衰减。这3种衰减对于超声波随距离变化的综合作用所具体呈现的声强减弱趋势还需进一步试验验证。由仿真得到的流场速度云图可以直观地看到声衰减的趋势，漏孔附近的区域称为近场（又称菲涅尔区），近场区域内湍流现象较为复杂，文章主要研究近场之外的可测量区域的声衰减。首先需要计算近场距声源的范围，近场长度b的计算公式为式中：r为声源半径；f为声源频率；c为声速。将上述仿真得到的结果r=0.5mm，f=40kHz以及声波在空气中的传播速率c=331m/s代入到式(3)，可得到近场长度b=30mm。因此，选定试验中漏孔与传感器的最小距离为20mm，以包含近场到远场的过渡区域来研究超声波随距离的衰减趋势。

2试验过程及结果分析

2.1试验过程本试验采用一台直径为400mm的真空容器，将试验室环境类比于密封舱内的大气环境，从而模拟载人航天器在轨运行时的舱内外压力边界条件。试验室内的大气将通过安装在真空容器上的通道型漏孔向容器内泄漏。在大气端用包含声传感器、电信号处理电路以及上位机的检漏系统探测泄漏超声信号，试验系统框图如图4所示。泄漏产生的超声波通过声传感器采集并转换成电信号，通过放大器和A/D采样卡输入到计算机中进行数据处理。通过移动声传感器，控制传感器与漏孔之间的距离，从20mm逐渐增加到500mm，测量直径分别为0.3mm、0.8mm、1.5mm和2.0mm的4种孔所对应的声压值L′随距离的变化。具体操作为：打开真空泵将真空容器抽到平衡状态；换上所需漏孔后拧开插板阀，调节传感器到合适的位置；在每个位置连续测量30次，截取中心频率的最高幅值，再取平均值之后得到如表1所示的试验数据。

2.2试验结果分析在同样的边界条件下，同一漏孔检测到的泄漏声压在方位固定的情况下仅是距离的函数，声压随距离的增加而衰减。将表1中的数据绘制于二维图中，观察到数据呈现指数衰减趋势。因此对表1的数据进行一阶指数衰减拟合，得到4种漏孔的声压随距离变化曲线，如图5所示。由表2可知，由于拟合曲线的相关系数较大，说明拟合效果较好。图5证明了漏孔泄漏的声压随距离基本呈一阶指数函数衰减；直径分别为0.8mm、1.5mm与2.0mm的3种漏孔的泄漏超声声压随直径的增大而增大，而直径为0.3mm的漏孔并不遵循此规律，这将在下一节进一步讨论。

2.3拟合结果的试验验证及分析对拟合得到的曲线进行验证，相同边界条件下再进行不同距离的试验，将得到的试验验证数据标注在拟合曲线图中，得到的结果如图6所示。由图6可知直径分别为0.8mm、1.5mm和2.0mm的3种漏孔的试验结果与拟合曲线接近；而0.3mm直径漏孔的试验结果与拟合曲线有较大偏差，这可能与该漏孔采用电火花加工的制造方式有关（其他3种漏孔采用机械切削加工），漏孔内表面有毛刺、不光滑。由图5可知，0.3mm漏孔并没有遵循孔越小声压越低的规律，因为不光滑的漏孔更易导致高频的超声波，使得传感器在测量频率范围内检测到的声压更强。

3结束语

本文由理论分析计算出航天器泄漏产生超声波的中心频率并对该频段的超声波进行探测试验，模拟航天器在轨运行的边界条件，测量泄漏超声波的声压随距离的增加而衰减的规律，得到4种不同直径漏孔的一阶指数衰减拟合方程；针对拟合方程，开展了验证试验，验证结果表明拟合效果好。本试验完成了4种漏孔在同一方向上随距离变化的泄漏检测。而载人航天器舱内的漏孔更复杂，不一定是规整的孔状。超声声压随测量方位变化的规律尤其是复杂漏孔的超声检测将作为下一步重点研究内容，以指导载人航天器泄漏超声在轨检测。

作者：李唯丹闫荣鑫孙伟綦磊单位：北京卫星环境工程研究所可靠性与环境工程技术重点实验室