載人航天器內超聲的應用范文

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《航天器環境工程雜志》2014年第三期

1泄漏超聲波理論分析

1.1泄漏超聲波的產生原理在軌航天器密封艙會因泄漏而產生氣動聲源。根據氣動聲學的研究理論[6]，氣體在壓力差的作用下穿過微小孔徑時，因流速較高會產生湍流，而湍流中大量旋渦間的相互作用又會產生內應力，使得旋渦各自體積元上受到大小相等、方向相反的起伏力的作用，從而在氣體中產生四極子性質的聲源。航天器密封艙內大氣通過小漏孔的泄漏流動模型如圖1所示，其中V1、P1為大氣壓端的氣體流速和壓力，V0、P0為真空端的氣體流速和壓力。對泄漏產生的超聲波探測關鍵是選擇與超聲波的頻率范圍相適應的換能器，因此需要進行氣體泄漏超聲的頻譜分析。根據目前國內外的研究情況，泄漏超聲的聲功率譜LW是斯特勞哈爾數S=fD/V的函數，其中f是超聲頻率，D是漏孔直徑，V是出流速度。通過大量的試驗研究表明，如果采用歸一化修正處理。根據前文所述的泄漏原理可知，超聲波形成在流場中。對于光滑的圓形漏孔來說，聲功率與漏孔的直徑和通過漏孔的流速都有關系，因此可通過流場仿真獲得相關參數進而計算聲場量值。設置仿真邊界條件：入口壓力為1個大氣壓，出口壓力為10Pa，漏孔的直徑為1mm。仿真采用k-ε湍流模型，得到的流場速度云圖如圖3所示。

1.2聲衰減原理檢測航天器艙內的泄漏超聲在不同位置會有不同的測量值，隨著與漏孔距離的增加而衰減，隨著方位的不同也有變化。按照引起聲強減弱的不同原因可把聲波衰減分為吸收衰減、散射衰減和擴散衰減。聲學理論證明吸收衰減和散射衰減均遵守指數衰減規律，而擴散衰減是因波陣面的面積擴大所導致的聲強減弱，球面波將隨波陣面的半徑的平方衰減。這3種衰減對于超聲波隨距離變化的綜合作用所具體呈現的聲強減弱趨勢還需進一步試驗驗證。由仿真得到的流場速度云圖可以直觀地看到聲衰減的趨勢，漏孔附近的區域稱為近場（又稱菲涅爾區），近場區域內湍流現象較為復雜，文章主要研究近場之外的可測量區域的聲衰減。首先需要計算近場距聲源的范圍，近場長度b的計算公式為式中：r為聲源半徑；f為聲源頻率；c為聲速。將上述仿真得到的結果r=0.5mm，f=40kHz以及聲波在空氣中的傳播速率c=331m/s代入到式(3)，可得到近場長度b=30mm。因此，選定試驗中漏孔與傳感器的最小距離為20mm，以包含近場到遠場的過渡區域來研究超聲波隨距離的衰減趨勢。

2試驗過程及結果分析

2.1試驗過程本試驗采用一臺直徑為400mm的真空容器，將試驗室環境類比于密封艙內的大氣環境，從而模擬載人航天器在軌運行時的艙內外壓力邊界條件。試驗室內的大氣將通過安裝在真空容器上的通道型漏孔向容器內泄漏。在大氣端用包含聲傳感器、電信號處理電路以及上位機的檢漏系統探測泄漏超聲信號，試驗系統框圖如圖4所示。泄漏產生的超聲波通過聲傳感器采集并轉換成電信號，通過放大器和A/D采樣卡輸入到計算機中進行數據處理。通過移動聲傳感器，控制傳感器與漏孔之間的距離，從20mm逐漸增加到500mm，測量直徑分別為0.3mm、0.8mm、1.5mm和2.0mm的4種孔所對應的聲壓值L′隨距離的變化。具體操作為：打開真空泵將真空容器抽到平衡狀態；換上所需漏孔后擰開插板閥，調節傳感器到合適的位置；在每個位置連續測量30次，截取中心頻率的最高幅值，再取平均值之后得到如表1所示的試驗數據。

2.2試驗結果分析在同樣的邊界條件下，同一漏孔檢測到的泄漏聲壓在方位固定的情況下僅是距離的函數，聲壓隨距離的增加而衰減。將表1中的數據繪制于二維圖中，觀察到數據呈現指數衰減趨勢。因此對表1的數據進行一階指數衰減擬合，得到4種漏孔的聲壓隨距離變化曲線，如圖5所示。由表2可知，由于擬合曲線的相關系數較大，說明擬合效果較好。圖5證明了漏孔泄漏的聲壓隨距離基本呈一階指數函數衰減；直徑分別為0.8mm、1.5mm與2.0mm的3種漏孔的泄漏超聲聲壓隨直徑的增大而增大，而直徑為0.3mm的漏孔并不遵循此規律，這將在下一節進一步討論。

2.3擬合結果的試驗驗證及分析對擬合得到的曲線進行驗證，相同邊界條件下再進行不同距離的試驗，將得到的試驗驗證數據標注在擬合曲線圖中，得到的結果如圖6所示。由圖6可知直徑分別為0.8mm、1.5mm和2.0mm的3種漏孔的試驗結果與擬合曲線接近；而0.3mm直徑漏孔的試驗結果與擬合曲線有較大偏差，這可能與該漏孔采用電火花加工的制造方式有關（其他3種漏孔采用機械切削加工），漏孔內表面有毛刺、不光滑。由圖5可知，0.3mm漏孔并沒有遵循孔越小聲壓越低的規律，因為不光滑的漏孔更易導致高頻的超聲波，使得傳感器在測量頻率范圍內檢測到的聲壓更強。

3結束語

本文由理論分析計算出航天器泄漏產生超聲波的中心頻率并對該頻段的超聲波進行探測試驗，模擬航天器在軌運行的邊界條件，測量泄漏超聲波的聲壓隨距離的增加而衰減的規律，得到4種不同直徑漏孔的一階指數衰減擬合方程；針對擬合方程，開展了驗證試驗，驗證結果表明擬合效果好。本試驗完成了4種漏孔在同一方向上隨距離變化的泄漏檢測。而載人航天器艙內的漏孔更復雜，不一定是規整的孔狀。超聲聲壓隨測量方位變化的規律尤其是復雜漏孔的超聲檢測將作為下一步重點研究內容，以指導載人航天器泄漏超聲在軌檢測。

作者：李唯丹閆榮鑫孫偉綦磊單位：北京衛星環境工程研究所可靠性與環境工程技術重點實驗室