载人航天器内超声的应用.docx
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1、载人航天器内超声的应用(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互相作用又会产生内应力,使得旋涡各自体积元上遭到大小相等、方向相反的起伏力的作用,进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,因而需要进行气体泄漏超声的频谱分析。
2、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,假如采用归一化修正处理。根据前文所述的泄漏原理可知,超声波构成在流场中。对于光滑的圆形漏孔来讲,声功率与漏孔的直径和通过漏孔的流速都有关系,因而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-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。根据引起
3、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。声学理论证实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详细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能够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
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