CN103438990B - 一种高温环境下声场测量与分析装置及其分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种高温环境下的声场测量与分析装置及其分析方法。该装置由声导管阵列、柔性半无限管、声音传感器、数据采集器和计算机组成。声导管与半无限管的结合设计，可抑制导管末端反射，提高测量准确度。该装置可进行声场数据采集和处理，实现声场时域、频域和重构分析。在数据处理过程中，利用基于1/3倍频程谱的声导管声压幅值修正方法，对声导管末端的数据进行修正，提高测量精度；通过峭度加权计算实现了常规波束形成声场重构方法优化，获得准确的声压分布及强度信息。优点是能够在常规传声器无法直接测量的恶劣环境下进行声场测量，可准确重构出高温环境下的声场分布和强度信息，为材料/构件在热声耦合环境下的疲劳失效分析提供数据支撑。

Description

一种高温环境下声场测量与分析装置及其分析方法

技术领域

本发明涉及一种高温环境下的声场测量与分析方法。特别是高温环境下基于声导管阵列的声音测量方法和优化的声场重构分析方法。

背景技术

随着航天技术的快速发展，飞行器具有了更高的机动性和更快的飞行速度。近空间飞行器已成为国际航空航天领域最为活跃的研究内容之一。近空间飞行器在大气层内一般以超过5马赫的速度飞行，其飞行服役环境极端复杂苛刻。其极端表面高温(>1500℃)、大温度梯度(100℃/mm)、高噪声脉动压力(>170dB)以及长时间(>20min)巡航是高超声速飞行器飞行环境的显著特点，对飞行器结构的材料性能、动力学特性、自动控制等都产生了严重影响。而高声强噪声会随机激励飞行器的壁面，在快速的交变应力作用下，结构的薄弱部位会造成声疲劳裂纹的萌发、扩展直至失效，轻者铆钉松动，重者将使飞行器蒙皮出现裂纹，承力件断裂等严重事故。

为确保飞行器结构在极端恶劣环境下的服役安全，往往需要在地面开展大量的热/声疲劳试验。通过对结构表面的声场进行重构，就可明确知道作用在结构表面声载荷的大小及分布规律，为结构在高温、高声强恶劣环境下的失效评价提供数据支撑。

在以往的声场测量研究中，高温测量试验大多是单点测量，较少涉及基于阵列数据的二维声场重构；而利用阵列数据进行声源定位或重构的研究中，大多是在常温环境下进行的，缺乏高温环境下的声场重构研究。若能够通过声导管技术将声音信号从高温环境“引出”到传声器能够正常工作的常温环境中，并利用波束形成算法来处理阵列信号，就可以重构出高温环境下结构表面的声载荷分布及其强度大小。本发明正是为了实现这一目的而产生的。

2007-05-16公开的专利：CN2901009Y，题目：《隔热传声膜式声导管》，发明人：徐元哲。该发明是一种用于锅炉炉内承压管水汽泄漏在线监测装置的隔热传声膜式声导管，其特点是，在声导管内置有与声导管后端连接的隔热传声体，隔热传声体的结构设有套管，在套管内设有隔热传声膜，隔热传声膜为耐高温隔热聚四氟乙烯膜或锡箔纸。该发明的隔热传声膜式声导管，由于在声导管内置有与声导管后端连接的具有隔热传声膜的隔热传声体，能够阻断锅炉在正压情况下炉内火焰和热气直接与传感器接触而损坏传感器，使传感器的使用寿命延长。

2012-08-01公开的专利：CN202362450U，题目：《一种基于麦克风阵列的声源定位及可视化系统》，发明人：邹钺；王玮；黄海军；刘贇。该发明提供了一种基于传声器阵列的声源定位及可视化系统，该系统包括计算机系统，声音采集设备，至少三个传声器组成的传声器阵列。该发明克服了传统单个传声器声源定位系统的局限性，且该声源定位系统的传声器阵列具有空间选择性强、抑制噪声能力强以及无需人为移动的优点，从而实现对空间任意声源进行定位的功能。

本发明与现有发明专利的不同在于：在高温环境下，利用声导管阵列采集声场信号，并通过幅值修正和波束形成算法的优化实现声场的重构。具体来说，本发明从传统的“单点声音测量”拓展到“声场测量”，从“常温环境”拓展到“高温环境”中，即：利用声导管阵列将高温环境中的声音“引出”到常规传声器可以正常工作的常温环境中进行测量，实现了间接的高温声场阵列测量；通过基于1/3倍频程谱的声导管内声波幅值修正方法，提高了声导管测量精度；通过峭度加权实现了波束形成算法的优化。本发明可以实现高温环境下的声场测量与分析，提高声场重构的精度。

发明内容

本发明的目的是设计一种能够在高温环境下进行准确声场重构的测量与分析方法。该方法可有效避免普通传声器阵列因高温而导致的工作失效，此外，该方法可获得高温声场的声压分布及其强度信息，为近空间飞行器的结构在热/声耦合环境下的疲劳失效分析提供数据支撑。为达到上述目的，在本发明中，通过开发一种基于声导管技术的测量与分析装置，实现高温环境下的导出式声音测量，并以优化的声场重构分析方法实现准确的高温声场重构。

本发明的技术方案是：一种高温环境下声场测量与分析装置，该装置由声导管阵列、柔性半无限管、声音传感器、数据采集器和计算机构成。

其中，所述声导管阵列由多个声导管组成，所述声音传感器安装在垂直于每个所述声导管轴线的方向上，使用两个内径不同的抱箍进行限位，在声导管壁面开孔，所述声音传感器从孔中伸入，伸入的深度为膜片恰好完全进入孔内即可，并利用橡胶垫配合蜡封来密封接口处，所述声音传感器通过所述数据采集器与所述计算机连接，每个所述声导管末端均安装所述柔性半无限管（2）。

进一步，所述声导管为直径φ25mm的304不锈钢圆管。

本发明的另一目的是提供上述装置的声场数据分析方法，具体包括以下步骤：

步骤1，将由若干声导管组成的声导管阵列的一端置于待测高温环境中，高温环境中的声波进入声导管阵列，以沿导管轴线方向的稳定单一平面波形式被传声器接收，再通过数据采集器实现多路通道声音信号的同步采集，声音信号存入计算机，

步骤2，计算机首先通过的基于1/3倍频程谱的声导管内声压幅值修正方法建立声导管进口、出口端的声压幅值修正模型，由该模型对采集到的原始多通道同步声音信号数据进行幅值修正，获得修正后的多通道同步声音信号数据；

然后对修正后的多通道同步声音信号数据进行时域、频域分析，获得时域、幅频谱、功率谱等图象；与此同时，使用波束形成方法获得平面声场的声压重构数据矩阵，并对该矩阵进行峭度加权优化计算，实现基于峭度加权的波束形成算法优化，获得优化的平面声场声压重构云图，有效消除空间混叠效应，提高空间分辨率，对处于高温环境下的声源具有较高的重构精度，可准确重构出声源的位置和声压分布强度。

进一步，所述步骤1中的基于1/3倍频程谱的声导管内声压幅值修正方法，具体包括以下步骤：首先，通过标定试验获得声导管出口声压幅值的标准修正量，即以1/3倍频程各频带中心频率的纯音信号作为声源，测量声导管进口和出口处的声压级差值，以各频带中心频率纯音的幅值差作为各频带的标准修正量；其次，对由放置在各通道声导管出口端传声器采集到的原始声音信号进行1/3倍频程谱分析，将各通道各频带的声压级与各频带的标准修正量相加，获得修正后的1/3倍频程谱上各频带的声压级；最后，将各通道修正后的1/3倍频程谱上各频带的声压级通过式（1）的计算，得到该通道修正后全频段上声压级的总和L：

（1）

式（1）中，分别为修正后各频带内的声压级，单位为dB。L为修正后全频段上声压级的总和，单位为dB。通过基于1/3倍频程谱的声导管声压幅值修正方法，获得修正后的多通道同步声场数据，确保在声导管阵列末端所接收到的声音信号的准确性。

进一步，所述步骤2中所述的基于峭度加权的波束形成算法优化，具体包括以下步骤：首先，利用常规波束形成方法获得重建面的声压级矩阵：

（2）

式（2）中，为一个阶方阵，表示重建面上重建点的总行数和总列数，表示矩阵上第行第列的重建点声压级，单位为dB。其次，对重建面声压级矩阵按行进行峭度计算，获得每一行的峭度值，表示矩阵第m行的峭度值。然后，对每一行峭度值进行归一化处理，并进行峭度值的矩阵扩展。设归一化行峭度值为：

（3）

将归一化后的行峭度值序列扩展为一个阶对角矩阵：

（4）

最后，将作为加权因子矩阵，左乘原重构矩阵，得到处理后的重构结果：

（5）

式(6)的结果得到了水平方向峭度加权后的输出矩阵。为了突出竖直方向的声载荷分布，需对按照列继续进行一次上述过程的处理，即可得到最后的重构云图。具体步骤为，首先求矩阵第n列的峭度值，在此基础上，对每一列峭度值进行归一化处理，设归一化的列峭度值为：

（6）

并将归一化后的列峭度值序列扩展为一个阶对角矩阵：

（7）

将作为加权因子矩阵，右乘矩阵，得到最终优化后的声压重构矩阵：

（8）

上述发明的优点在于：（1）克服常规传感器不能耐受高温的难点，通过声导管阵列的测量方式实现高温声场的间接阵列测量；（2）通过柔性半无限管对声导管末端的反射进行抑制，防止驻波的形成，提高测量准确度；（3）利用1/3倍频程谱的声导管声压幅值修正方法提高声导管测量数据精度；（4）通过峭度加权方法优化常规波束形成算法，有效地突出声载荷位置信息和强度信息，消除空间混叠效应，提高声场重构精度。

附图说明

图1是声导管测量与分析装置搭建示意图。

图2是传声器安装示意图。

图3是声场测量与分析方法流程图。

图4是基于1/3倍频程谱的声导管声压幅值修正方法流程图。

图5是声导管各频率声压幅值衰减量。

图6是基于峭度加权运算的波束形成声场重构优化方法流程图。

图7（a）、（b）分别为集束射流声场测量环境下未经优化、经过优化的声场重构声压等高线图。

图8（a）、（b）分别为辐射加热声场测量环境下未经优化、经过优化的声场重构声压等高线图。

具体实施方式

为了验证本发明的可行性和正确性，分别利用本发明进行了辐射加热和集束射流两种高温环境下的声场测量与分析实验。

在辐射加热声场测量环境中，以石英灯辐射加热装置作为热辐射源，辐射加热温度可达600℃。以号筒扬声器作为声源，放置于加热装置右侧。通过计算机控制声源发出频率段为4000至4500Hz的高斯白噪声，声压级大于110dB，对尺寸为310mm×235mm×2mm的钢板进行声激励，通过2×2的声导管阵列测量得到钢板表面的声载荷分布。

在集束射流声场测量环境中，由集束射流装置喷出超音速气流，其速度可达1.7马赫数，气流温度可达1200℃,此环境可模拟飞行器真实的服役环境。将一310mm×235mm×2mm铝合金试件放置于气流的侧面，气流与试件相作用，发出高强气动噪声，声压可达120dB以上，搭建3×3声导管阵列进行声场测试，可以获得试件在高温/高流速/高声强环境下的表面声载荷分布。

以下详述利用本发明对集束射流环境下声场测量与分析的实现过程，在辐射加热环境中声场测量的实现过程与之相同。

首先，进行声音测量与分析装置的搭建，并采集声场数据。声导管阵列的形式为3×3网格型阵列。按照图2和图3所示方式将声导管阵列1、传感器3、柔性半无限管2、声音采集器4和计算机5进行安装或连接，完成装置的硬件搭建。

为保证声导管阵列测量的准确度，声导管需要满足两个特性，即：单一轴向传播平面波特性和无反射无驻波特性。根据声波导管理论，在一定频率范围内，声音在声导管内以沿管轴线方向的稳定单一平面波形式被传声器所接收；为实现声导管内无反射无驻波特性，在声导管末端需安装柔性半无限管，利用柔性半无限管的壁面进行吸声，可有效消除声导管的末端声音信号反射，抑制声导管内驻波的形成，减小测量误差。

声导管阵列的作用是将声音从高温环境中“引出”至常温环境中，使高温环境下声音阵列测量及声场重构得以实现。因此，声导管阵列的材料需具有耐热性好、导热性差的热力学性能；而声导管的长度则要满足“声导管末端温度为传感器适宜工作的温度”这一要求。此外，由声导管内声音的传播规律可知，在声导管各阶声模态中，只有（0,0）阶模态的平面波沿声导管轴向传播；而声导管直径越小，能够激起高于（0,0）阶声模态的平面波的截止频率就越大。因此，为了使单一沿声导管轴向传播的平面波频率范围更广，应选择直径较小的声导管进行测量。综上所述，本发明选择长1.5m、直径φ25mm的304不锈钢圆管作为声导管材料。

本发明在声导管阵列末端安装了柔性半无限管，利用柔性半无限管的壁面声阻抗来吸收声波，消除声导管末端的反射波，防止声导管内驻波的形成。柔性半无限管的设计不仅要达到消除反射波的目的，同时还需考虑节省实验空间。因此，本发明选择橡胶材质的柔性导管作为半无限管，直径与声导管的直径相匹配，长度则根据阻性消声原理计算得到，为18m。此种类型的半无限管在良好消声的同时还具有成本低廉，节省空间的优点。

图3是传感器安装示意图。其中1-1为声导管，2为柔性半无限管，3为声音传感器。在安装传感器时，需要考虑传感器的指向性，在尽量不影响声导管内声场分布特性的前提下进行测量。因此，选择垂直于声导管轴线的方向上安装传感器，使用两个内径不同的抱箍进行限位，在声导管壁面开孔，将传感器从孔中伸入，伸入的深度为膜片恰好完全进入孔内即可，并利用橡胶垫配合蜡封来密封接口处，防止声音的“泄漏”。该方案设计结构简单，拆装方便，同时螺纹连接可靠牢固，能够很好的保持传声器和声导管之间的相对位置。

在声音测量过程中，待测声源发出声波从声导管入口A端进入声导管后，声波将沿导管轴线方向以单一的平面波形式传播至安装有传感器的B端，传感器将获得的声音信号再传至数据采集器，最后通过计算机进行后续声场数据处理和分析。

之后，利用基于1/3倍频程谱的声导管内声压幅值修正方法，对采集到的原始声场数据进行幅值修正。以其中一个通道的数据进行修正，具体步骤分为：第一步，在实验之前通过标定试验获得声导管出口声压幅值的1/3倍频程各频带的标准修正量，如图5所示；第二步，对采集到的各通道原始声音信号进行1/3倍频程谱分析，将各频带的声压级与各频带的标准修正量相加，获得修正后的1/3倍频程谱上各频带的声压级，修正后各频带声压级分别为：86.71dB、88.65dB、83.65dB、93.63dB、89.50dB、85.61dB、94.69dB、90.58dB、87.16dB、88.85dB、84.19dB、87.54dB、98.87dB、94.34dB、94.19dB、81.42dB、86.07dB、82.32dB、80.98dB、82.03dB、80.94dB、77.45dB、81.06dB、78.02dB、77.54dB、70.49dB、61.67dB；第三步，将修正后的1/3倍频程谱上各频带的声压级通过式（1）的计算：

(1)

求得各通道修正后的声压级：，即修正后各通道数据的有效值，获得修正后的多通道同步声压信号数据，确保在声导管阵列末端所接收到的声音信号的准确性。

最后，利用修正后的多通道同步声压信号数据，进行时域、频域分析，做出时域、频谱、功率谱图。与此同时，将通过波束形成运算获得的频率范围为3900至4000Hz的重构声压矩阵进行峭度加权计算加以优化。具体步骤分为：首先，利用常规波束形成方法获得重建面的声压级矩阵：

（2）

式（2）中，为一阶方阵，表示重建面上重建点的总行数和总列数，表示矩阵上第行第列的重建点声压级，单位为dB。图7（a）为通过矩阵获得的重构声压等高线图。之后，对重建面声压级矩阵按行进行峭度计算，获得每一行的峭度值。设矩阵第m行的峭度值为：

（3）

然后，对每一行峭度值进行归一化处理，并进行峭度值的矩阵扩展。设归一化行峭度值为：

（4）

并将归一化后的行峭度值序列扩展为一个阶对角矩阵：

（5）

最后，将作为加权因子矩阵，左乘原重构矩阵，得到处理后的重构结果：

（6）

式(6)的结果得到了水平方向加权后的输出矩阵，为了突出竖直方向的声载荷分布，需对按照列继续进行一次上述处理，即可得到最后的重构云图。具体步骤为，首先求矩阵第n列的峭度值：

（7）

其中，为矩阵第行第列的元素；在此基础上，对每一列峭度值进行归一化处理，设归一化的列峭度值为：

（8）

并将归一化后的列峭度值序列扩展为一个阶对角矩阵：

（9）

将作为加权因子矩阵，右乘矩阵，得到最终优化后的声压重构矩阵：

（10）

图7（b）为通过矩阵获得的声场重构等高线图。如图7（a）所示，未经优化的声场重构声压等高线图，空域混叠现象极为严重，无法辨别声源真实方位；如图7（b）所示，通过优化的声场重构分析方法获得的声场重构声压等高线图，声源真实方位清晰可见。

通过搭建2×2网格型声导管阵列，利用相同的步骤，对辐射加热声场测量环境中的声场进行测量和分析。图8（a）是未经优化的声场重构声压等高线图，空域混叠现象明显，难以辨别真实声源位置；图8（b）是通过优化的声场重构分析方法获得的声场重构声压等高线图，空域混叠现象被抑制，声源定位准确度显著优于图8（a）。

综上所述，本发明在辐射加热和集束射流两种高温环境的声场测量中均获得了准确的声场重构结果，可获得准确的声压分布及其强度信息。其作为一种可行的高温环境下声场测量与分析装置，可以为飞行器结构的地面模拟实验提供一种新的测量手段和分析方法，为飞行器材料/结构在热声耦合环境下的疲劳失效分析提供有效的声载荷数据支撑。

Claims (3)

1.一种高温环境下声场测量与分析装置的声场数据分析方法，所述声场测量与分析装置由声导管阵列（1）、柔性半无限管（2）、声音传感器（3）、数据采集器（4）和计算机（5）构成，

其中，所述声导管阵列（1）由多个声导管（1-1）组成，所述声音传感器（3）安装在垂直于每个所述声导管（1-1）轴线的方向上，使用两个内径不同的抱箍（6）进行限位，在声导管（1-1）壁面开孔，所述声音传感器（3）从孔中伸入，伸入的深度为膜片恰好完全进入孔内即可，并利用橡胶垫配合蜡封来密封接口处，所述声音传感器（3）通过所述数据采集器（4）与所述计算机（5）连接，每个所述声导管（1-1）末端均安装所述柔性半无限管（2），所述声导管（1-1）为长1.5m、直径φ25mm的304不锈钢圆管，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤1，将由若干声导管（1-1）组成的声导管阵列（1）的一端置于待测高温环境中，高温环境中的声波进入声导管阵列（1），以沿导管轴线方向的稳定单一平面波形式被声音传感器接收，再通过数据采集器实现多路通道声音信号的同步采集，声音信号存入计算机（5），

步骤2，计算机（5）首先通过的基于1/3倍频程谱的声导管内声压幅值修正方法建立声导管进口、出口端的声压幅值修正模型，由该模型对采集到的原始多通道同步声音信号数据进行幅值修正，获得修正后的多通道同步声音信号数据；

然后对修正后的多通道同步声音信号数据进行时域、频域分析，获得时域、幅频谱、功率谱的图象；与此同时，使用波束形成方法获得平面声场的声压重构数据矩阵，并对该矩阵进行峭度加权优化计算，实现基于峭度加权的波束形成算法优化，获得优化的平面声场声压重构云图，有效消除空间混叠效应，提高空间分辨率，对处于高温环境下的声源具有较高的重构精度，可准确重构出声源的位置和声压分布强度。

2.一种如权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述步骤2中的基于1/3倍频程谱的声导管内声压幅值修正方法，具体包括以下步骤：首先，通过标定试验获得声导管出口声压幅值的标准修正量，即以1/3倍频程各频带中心频率的纯音信号作为声源，测量声导管进口和出口处的声压级差值，以各频带中心频率纯音的幅值差作为各频带的标准修正量；其次，对由放置在各通道声导管出口端传声器采集到的原始声音信号进行1/3倍频程谱分析，将各通道各频带的声压级与各频带的标准修正量相加，获得修正后的1/3倍频程谱上各频带的声压级；最后，将各通道修正后的1/3倍频程谱上各频带的声压级通过式（1）的计算，得到该通道修正后全频段上声压级的总和L：

（1）

式（1）中，分别为修正后各频带内的声压级，单位为dB；

L为修正后全频段上声压级的总和，单位为dB；

通过基于1/3倍频程谱的声导管声压幅值修正方法，获得修正后的多通道同步声场数据，确保在声导管阵列末端所接收到的声音信号的准确性。

3.一种如权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述步骤2中所述的基于峭度加权的波束形成算法优化，具体包括以下步骤：首先，利用常规波束形成方法获得重建面的声压级矩阵：

（2）

式（2）中，为一个阶方阵，表示重建面上重建点的总行数和总列数，表示矩阵上第行第列的重建点声压级，单位为dB；

其次，对重建面声压级矩阵按行进行峭度计算，获得每一行的峭度值，表示矩阵第m行的峭度值；然后，对每一行峭度值进行归一化处理，并进行峭度值的矩阵扩展；

设归一化行峭度值为：

（3）

将归一化后的行峭度值序列扩展为一个阶对角矩阵：

（4）

最后，将作为加权因子矩阵，左乘原重构矩阵，得到处理后的重构结果：

（5）

式(6)的结果得到了水平方向峭度加权后的输出矩阵；为了突出竖直方向的声载荷分布，需对按照列继续进行一次上述过程的处理，即可得到最后的重构云图；

具体步骤为，首先求矩阵第n列的峭度值，在此基础上，对每一列峭度值进行归一化处理，设归一化的列峭度值为：

（6）

并将归一化后的列峭度值序列扩展为一个阶对角矩阵：

（7）

将作为加权因子矩阵，右乘矩阵，得到最终优化后的声压重构矩阵：

（8）

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