热声疲劳试验系统中的声学窄带谱声学闭环控制

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热声疲劳试验系统中的闭环控制
Stephen A. Rizzi, NASA Langley Research Center，Hampton, Virginia
Guido Bossaert,  m+p international Inc，Verona, New Jersey


本文阐述了热声疲劳试验系统（TAFA）中的声学控制系统的最新进展，该系统是NASA位于弗吉尼亚州汉普顿兰利研究中心的行波管试验系统。首先简单介绍了原系统的声学性能，将其同使用多输入、闭环和窄带的控制仪的新性能数据进行了比较。本文列出了多种工况下的试验区的PSD和相干函数，包括平直谱、有限带宽随机谱、不可回收火箭运载舱环境等。

NASA兰利中心的行波管设备也被称作热声疲劳系统(TAFA)，该系统用来测试组合的、高密度的热声环境下结构的动态响应和热声疲劳。1994年之前，该系统主要用于宇宙飞船、航天飞机以及多用途高超音速飞行器的研发。在1994到1995年期间，对该系统进行了重要升级，其性能大大提升。图1显示的是升级后的系统图片。升级后的系统用在高速民用飞机的边条机翼零部件的声疲劳试验。本文主要介绍了声学控制系统的性能提升，并描述了控制系统和部分试验数据。更多试验数据和新热学控制系统的信息请参阅参考文献4。

1995年之前的系统性能
Clevenson和Daniels对1995系统改进之前的性能作过介绍。该系统由两个Wyle WAS2000气流调制器驱动，可提供125-165dB的总声压级范围和50-200Hz的有效频率范围。通过调节白噪声信号发生器的输出和驱动气流调制器的增益来进行手动控制，一般没有尝试在试验区调整声谱。一组360kW的
石英灯可提供峰值强度为54 W/cm2的热辐射。这组石英灯包括10个36kW的石英灯单元，每单元拥有6盏6kW的石英灯和一个2.54cm厚的石英灯罩。
图2是一个总体声压级为160dB的典型试验的声压功率谱密度（PSD）。在本图和后续的图中还绘出了窄带谱、±1.5 dB和±6 dB的谱形。图3列出了两个试验区麦克风的相干函数，有助于解释前面提到的有效频率范围。

1995年之后的系统性能
为了满足未来的试验需求，对声学控制系统和行波管都做了升级。但热学系统没有做太大的改动。原系统使用两个WAS3000气流调制器，现在改为8个，理论上，在此基础上设计的系统可以将总体声压级升6dB。通过重新设计试验区，配合使用可拆卸的、横截面从1.9x0.33m降至0.66x0.33m的水冷管路，可以将分贝值继续提升将近5dB。一个更长的拥有更低截止频率的喇叭（15Hz，旧系统是27Hz）和制冷管路的使用，使频率范围大大增加，有效频率提高到500Hz。侧

壁部分固有频率达到1000Hz。试验区声压场的一致性可以通过多次平均得到加强。一款新型的平滑指数式喇叭的设计弥补了先前设计中的阻抗不匹配问题。为了使不相关的宽带噪音的影响（宽带噪音系发声系统副产物）降到最小，采用了一种独特设计：使用两个、四个或八个调制器。例如在低量级激励阶段，不再用使用四个或八个调制器，两个调制器的配置就可以实现低背景量级。此外，还能够扩大动态范围。最后，悬垂曲面设计的应用可以使试验区顺利地过度到终端区。所有这些配置都是为了验证新的声学控制器的性能。
该声学控制系统最大的改变是在白噪声
信号发生器和气流调制器的功放之间增加了四个1/3倍频程均衡器。量级控制依旧是靠调节信号发生器输出和功放增益来实现。调整试验谱型的过程既耗时又容易出错。在一个均衡器或多个均衡器的相同带宽下，调整一个1/3倍频程的就要影响相邻1/3倍频程。这样就需要迭代程序来实现平直谱。调节均衡器所需的时间可能是10到15分钟，这对于疲劳寿命可能较短的高量级试验来讲过长。因此需要使用虚拟面板来设置相关参数，但依旧需要每天更改参数。用这种方法无法实现窄带控制。最后，因为谱形基于试验段的单点（一般在上游麦克风处），所以要控制试件范围内的谱形是不可能的。尽管有诸多条件的限制，平直的、相干很好的谱形还是可以实现的。
Rizzi和Turner对升级前的系统有详细的介绍。相比较原系统性能，升级后的系统总体声压级的最高值上升了6dB，由于配置简化，频谱范围也升到40-480Hz。本文给出了部分试验结果来评价新的声控系统的性能。图4为试验区8个调制器简化配置的平均功率谱密度（PSD），总体声压级为170dB。此平均PSD取自空载工况下的上游和下游麦克风。单个麦克风的PSD请参见参考文献6。在本例中，使用上游声压作为控制，可得到高至400Hz相对平直的谱形。上游和下游位置的相干如图5所示，一致性几乎保持到460Hz。

窄带声学控制
在2000年，为了提升TAFA的功能，满足未来试验的要求，安装和试验了一套全新的声学控制系统。快速高效地自动生成各种参考谱形显得尤为重要。在本套系统中，选择和定制了一套商用控制系统。这套系统就是m+p国际公司的VibControl振动控制系统。该系统具体特征如下：
•窄带闭环噪声控制
•多通道控制，控制策略可选平均值、最大值、最小值
•试验参考谱允许设置高达99个拐点，西格玛削波系数（1.42-8)，可为每个频率范围设置高低报警和中断限制
•自动测量和量级计划
•可在微软Windows操作系统的主机上运行
•限幅道数可以在对总体（容差模式下）或窄带（限幅/容差模式下）限制驱动信号
对保证行波管试验中设备和试件的安全性而言，限幅功能有着重要意义。在容差模式下，根据Wyle WAS3000气流调制器的要求，可将功放输出限制在12安培RMS以下。也用于限制试件的动态响应。
在获得控制仪的反馈后，控制软件会将定义的量级同实际的量级进行比较，从而调整输出信号使误差达到最小。控制信号的计算方法对控制的响应性方面有一定的影响，简要概述如下。对于每一个回路i和控制通道，平均PSD值可使用瞬时PSD值，通过如下公式计算。




此处，K是每个控制循环中的平均次数。例如，如果K=5，两个连续循环的公式如下：



注意计算平均PSD值的时候没有重叠。控制信号的PSD值通过计算平均PSD的加权平均值得：


N是平均加权因子。从如上公式可以得出，需要两个循环以使控制仪运作。但由于自检过程中的平均信息也已被考虑在内，所以从第一个回路开始，系统就已开始进行控制。例如：




如果使用多通道控制，根据控制策略，总控制信号的PSD可以是整个频率范围的平均值，或控制信号PSD谱线中最大或最小值。在多点控制系统中，某些控制通道更加关键，加权平均值可以通过调整控制通道的灵敏度来实现。读者可以参阅参考文献7了解更多信息。
应NASA的要求，在原控制软件的基础上，系统做了多处定制，以完善其在PWT试验中的应用。这些定制包括：
•修改了开环控制算法，在试验开始阶段允许出现低信噪比。
•试验谱拐点单位使用Pa2/Hz，均方根量级使用dB。
•“前次驱动”功能能够使用已存驱动信号，快速启动和优化下一次相同试验。该功能可以模拟爆炸或发射。
•一贯支持HP3565S和VXI总线硬件。
所有的定制功能都嵌入在标准的软件包里，这样新的功能可在后续软件版本中实现。
升级后的TAFA拥有使用Windows NT4.0并配备双核CPU的PC，HP3565S硬件前端，含32输入通道和最多8限幅通道。控制通道一般由试验区内位于试件上游和下游的两通道声压值组成。注意这种平均值控制策略最适用于行波管试验，因为它能很好的保证整个试件的谱形。不过该方式不能保持单个通道的谱形。同样的驱动信号最多可供给八个
气流调制器作为输入，需要控制的是整个试验区声学环境而不是各气流调制器产生的噪声。
接下来的试验中，使用两个MIC-190-HT的声压传感器进行控制，控制策略为平均值控制，频率范围为40-500Hz。传感器被嵌入到刚性面板里，置于实验区垂直中心线的上游0.3048m和下游0.3048m处，垂直于水平中心线。在控制软件里，参数设置如下：
•频率分辨率为1Hz。
•削波系数设置为3
•每段频率范围高低警报限制设为±1.5dB
•每段频率范围高低中断限制设为±6dB。每一个试验过程，高低中断限制都没有超标。
•控制回路平均值K和平均加权因子分别设为5。
在控制数据的采集的同时，时域数据也通过另外一台计算机进行采集和分析。

平直谱的结果
在响应鉴定试验中，实现平直输入谱是必要的，这样结构响应谱才是结构本身的动态特性决定的，而不是输入信号的传递。在非线性结构试验中尤其适用。对两个、四个或八个调制器简化配置的平直输入谱，总体


声压级从140dB到最大6dB的增量。两个和四个调制器简化配置的参数参见参考文献4。八个调制器简化配置情况如下所述。
总体声压级为171dB的控制谱如图6。单个声压传感器的PSD参见参考文献4。只有少数点处控制谱超出±1.5dB警报限制。此时的谱形相比原试验（见图4）有明显改观，原谱中在超过400Hz后发生了衰减。尽管没有单独控制每个通道，上游和下游的控制点（未显示）的谱形均非常理想。实际上如上所示，现在的控制效果远好于以前使用1/3倍频程均衡器的手

工控制，尤其在高频段。使用单个声压传感器控制的预试验结果甚至比图6中的结果更加理想。因为这不是系统的常规操
作模式，本文对这些试验结果不再详述。如图7所示，在整个频率范围内，两点相干函数的一致性非常好。在1997年完成的试验（如图5所示），其结果有了较大提升，直到460Hz其相干函数依然很好，系统频率范围提升到40-500Hz。驱动信号的PSD（如图8所示），为了达到设置的参考谱需进行平均以均衡能量分布。在以前，如何使用1/3倍频程均衡器方法来生成此类的信号曾是一个难点。最后，需要指出的是新控制仪在使用平直谱时提升了最大总体量级。控制器的状态也可能导致总体声压级最大值的上升，而该声压级完全可以通过平直谱来获得。对1997年的试验，试验区的最大量级达到了172.4dB，增大了0.7dB。
有限带宽随机谱
为了在激励出共振情形的同时节省能量输出，使用了已经在振动台上应用过的一种方法，选用跨越共振峰的有限带宽的随机噪声信号。在高量级试验时此方法尤其有效，相对平直谱，它能在带宽范围内增加总能量。
总体声压级为155dB，在100-150和300-350Hz范围内量级增大了6dB的有限带宽随机结果如图9-11所示。注意，在±6dB的阶跃点处并没有发生过冲。如图11所示，驱动信号在阶跃点出发生了下降，使用1/3倍频程均衡器是无法实现这样的结果的。该试验使用了两个调制器的简化配置。可在参考文献4中了解对此条件下的两组振动，一组是增加了一段带有斜率变化的部分，另一组是增加了一段陡峭变化的部分。
不可回收的火箭运载舱
为了展示控制系统的能力,对发射过程中的火箭运载舱内部声学环境进行了模拟。控制仪将参考谱转换为窄带信号。如图12所示，控制器的非常有效地完成了控制任务。请注意,即使在阶跃点处也没有发生过冲。有效频率范围内的相干也很好,可参照参考文献4。
总结
通过新增的一个闭环声学控制系统，TAFA行波管系统的性能得到了巨大的提升。声学控制质量有了提高，表现在在控制精度、试验区的相干、多控制通道增加和稳定控制所需时间等方面。这些多种参考谱的设置成为可能，包括使用“前次驱动”功能的爆炸和瞬试验。此外，系统的频率范围从之前的40-480Hz扩到到40-500Hz，总体声压级增大了近1dB。对气流调制器输出功率的限制和限幅功能可用来限制对试件的作用能量，限制气流调制器输出功率的监控功能加强了系统
安全性，限幅功能可以用来限制作用在试件的能量。

参考文献
1. Rizzi, S. A., “Recent Sonic Fatigue Activities at NASA Langley Research Center,” Workshop on Dynamics of Composite Aerospace Structures in Severe Environments, Southampton, England, July, 1991.
2. Rizzi, S. A., “Experimental Research Activities in Dynamic Response and Sonic Fatigue Analysis of Hypersonic Vehicle Structures at NASA Langley Research Center,” Proceedings of the AIAA 31st Aerospace Sciences Meeting, AIAA-93-0383, Reno, NV, 1993.
3. Rizzi, S. A., Clevenson, S. A., and Daniels, E. F., “Acoustic Fatigue Characterization of Carbon/Carbon Panels,” Proceedings of the VII International Congress on Experimental Mechanics, Vol. 2, pp. 1348-1355, Las Vegas, NV, 1992.
4. Rizzi, S. A., “Improvements To Progressive Wave Tube Performance Through Closed-Loop Control,” NASA TM-2000-210623, October 2000.
5. Clevenson, S. A. and Daniels, E. F., “Capabilities of the Thermal Acoustic Fatigue Apparatus”, NASA TM 104106, February, 1992.
6. Rizzi, S. A. and Turner, T. L., “Enhanced Capabilities of the NASA Langley Thermal Acoustic Fatigue Apparatus,” Structural Dynamics: Recent Advances, Proceedings of the 6th International Conference, Vol. 2, pp. 919-933, Southampton, England, 1997.
7. “VibControl/NT, Revision 2.4.0 Manual,” M+P International, Inc., 1999.

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好贴，某些段落似乎不通顺，如果有原文就好了