飞行器声疲劳实验及其所需的声场条件

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　　声疲劳是研究噪声场内声频交变载荷反复作用下引起的金属结构或蒙皮的裂纹产生、扩展和断裂现象。它涉及噪声、振动和金属疲劳等技术领域。

　　疲劳问题很早就提出了，已经对声环境、声载荷和声疲劳进行了大量实验研究，求得了表征金属板材疲劳断裂的S-N曲线，表明疲劳寿命受载荷时间、结构响应、温度和材料特性参数影响。一些从理论上还没有解决的问题，实践中常用试验进行补充。由于疲劳断裂经常是突然发生的，事前役有明显的异常现象，因此对飞行器容易造成灾难性事故。

　　声疲劳试验工作大约可从七十年代为分界线。早期声疲劳理论工作和试件的实验结果，提供了目前工程上声疲劳特性的预测和计算方法。七十年代以来，由于断裂力学的形成，计算机和电子显微镜的发展，疲劳的理论和实验工作都有了较大的进展，目前声疲劳研究工作仍然以实验工作为主，但是要解决的问题仍然很多。

　　过去对疲劳的实验都是在低频振动条件下进行的。但是已经进行的实验表明振动疲劳与声疲劳是有差别的。对于飞行器、蒙皮和结构应力变化的主要来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弓I起的振动以及疲劳特性。

　　用噪声环境进行疲劳试验具有下述优点：声致振动用噪声环境模拟更为真实，单频或扫描频率激发的振动难以模拟实际环境，噪声环境试验没有明显方向性，即三个垂直方向的振动能同时激发，而振动激发常常是单方向的，无规振动激发较为困难，噪声场激发不需要结构连接，这样可以避免额外的约束。

　　声疲劳的实验研究以模拟喷气噪声为主。为了模拟近代飞行器的噪声场并进行加速试验大约需要150-170dB，频率范围为50-10000Hz的噪声场。在噪声环境试验中声源是关键，早期曾经使用旋笛，但其频谱不能调节，近年来都采用气流调制扬声器，并且可以控制实验噪声场的频谱。

　　声疲劳实验的声场条件，对于信号常采用正弦信号和无规信号两种，它们不但是实际中常遇到的，更主要的是理论上容易处理。采用的声场主要有掠入射的行波场和无规入射的混响场，也有使用垂直入射或掠入射的半自由声场。在行波管和消声室内的声场是自由行波，其入射方向可以选择，如正入射、斜入射和掠入射;混响室内的声场是漫射波。行波和漫入波的区别是它们的空间相关特性不同。行波沿着传播方向的相关系数是coskx，而漫射波的相关系数是sinkx/kx并和传播方向无关。其中k是波数，x是传播距离。只有试件尺寸甚小于波长时这两种声场的特性才相似，如果要完全模拟实际声场情况就必须用适当的入射角和正确的噪声谱进行试验。这样的模拟试验成本较大，因此一般根据实验目的以部分参数为主进行噪声试验，例如不论行波场或混响场在航行器蒙皮上激发的振动，直接响应部分总是比较小的，主要是激发频率范围内蒙皮振动的所有简正频率，因此不同声场的影响较小，只要频谱合适，行波和漫射波都可以进行试验。

　　使用行波时，选择入射角的情况也是这样。常遇的噪声疲劳环境实验有三类：

　　  · 例行环境试验，例如美国阿波罗飞船登月舱就曾在混响室内158dB噪声场中进行例行试验。

　　  · 金属壁板和复合材料壁板的声疲劳试验，通常是在行波管内进行，采用行波管是因为它简单，能得到较高的声压级，所需的试件较小。六十年代美国在144-164dB的行波声场中求得了一些金属壁板的S-N曲线，据此改进了抗疲劳结构的设计。中国科学院声学研究所也曾在155-165dB的行波声场中对不同厚度铝合金板和不锈钢板进行声疲劳试验，直接给出了Lp-t 曲线。


　　  · 结构声疲劳的加速试验，通常是在行波管或混响室内进行，例如法国对协和号飞机的模型部件在混响室内163dB噪声场中对飞机蒙皮结构的声疲劳进行加速试验;英国的核反应堆和宇航器结构是在165dB混响室内进行声疲劳加速实验。许多飞机部件的加速试验也在行波管内进行。其它尚有局部噪声试验法和行波套管法等，但它们不是通用方法。

　　进行声疲劳试验时，噪声环境的选择主要根据可能使用的声功率和所需的声压级和频谱，试件大小等。其大致关系是：在行波管内容易产生低频声场，频谱比较均匀，在混响室内则用较小的声功率可以在比较大的空间内产生相当高的声压级。但是在低频段声压级起伏较大，而在高频由于吸收量增大，要获得高声压级比较困难。目前的趋势由于试件尺寸增大，混响室的体积也相应增大，而实验声压级趋向低些，以减少声场非线性影响。应该指出，行波管和混响室的大小受要求声压级、试件尺寸、声源的声功率和实验信号频谱的影响。此外，行波场的上限频率受管径限制，在消声室内尖劈的吸声有下限截止频率，在混响室内则低频简正频率数呈现不足。

　　来源：摘编自《强度与环境》1990年 第2期 《声疲劳试验方法评述》，原文作者：沈㠙