CN105074452B - 半混响外壳中的直接场声学测试 - Google Patents

半混响外壳中的直接场声学测试 Download PDF

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Abstract

一种声学测试系统，其包括至少四个控制麦克风；至少四个声学换能器；具有预先确定的混响特性的声学外壳，该声学外壳包括该至少四个控制麦克风以及该至少四个声学换能器；控制系统，其被配置为产生如由该至少一个控制麦克风测量的预先确定的声学场。被测单元也被布置在声学外壳内。使用具有预先确定的混响特性的声学外壳导致靠近被测单元的区域中反射声的比例增加，从而使得与纯直接场声学测试相比，获得给定的声学测试水平需要更少的功率。

Description

半混响外壳中的直接场声学测试
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C§119(e)需求享有2012年10月15日提交的美国临时专利申请号61/713,648的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明大致涉及物体的振动测试领域，物体例如可以使用高强度振动测试计算其在操作中的可靠性的卫星、仪器或任何其他物体。具体地，本发明涉及为针对半混响(semi-reverberant)外壳中预先确定的技术参数的振动性能测试开发的直接场声学测试系统的技术的应用。
背景技术
2011年5月27日提交的名称为“直接场声学测试系统和方法”的同未审结的第13/117,870号美国申请(下文中简称“’870申请”)的说明书通过引用并入本文。如’870申请中所述，在直接场声学测试(DFAT)领域中，通常期望在被测单元(UUT)周围整个空间中获得具有均匀谱含量和低相干性的声学场。如’870申请中所证实，通过使用包含了多组独立可控声学换能器的多输入多输出(MIMO)设置而在控制麦克风位置处获得良好的谱均匀性和低相干性。如同未审结的第61/552,081号美国临时申请和国际申请PCT/US12/62255(两者名称均为“用于直接场声学测试的驱动信号分配”)中所述(其每一个的全文通过引用并入本文)，通过对多组独立可控声学换能器分配驱动信号的组合而在非控制麦克风位置处获得改善的谱均匀性。然而，为了获得很多飞行器测试所需的高声学水平，需要大规模声学换能器矩阵以及递送大量电输入功率的相关联的放大。需要巨大成本和努力去运输、配置和拆卸所述装备，并且高水平的输入功率增大了失败的风险。此外，难以缩减测试小物体(例如，组件)所需的装备的数量，这就导致了这种更小物品的直接场声学测试相对高的成本。已经在以前试图使用单输入单输出(SISO)控制架构来开发测试更小物体的有效方法，例如，Saggini等于2011年3月在第26次航空航天测试研讨会发表的“小直接场声学噪声测试设施”中所描述的。这种方法利用大量控制麦克风和安装在外壳的内壁上的大量声学源。来自麦克风的输入被平均化并且在倍频带宽上计算均衡系数，以获得期望的声学谱。在测试期间利用SISO控制架构作出实时调节。基于完全倍频带宽，这种方法在获得均匀声学谱中相当成功。然而，如本领域技术人员所熟知的，外壳共振、驻波以及波干扰模式中的窄带现象是对于外壳中场均匀性而言最大的问题。在Saggini文章中并没有给出窄带谱数据，也没有给出相干性数据。然而，如’870申请中所描述的，SISO方法无法产生良好的窄带均匀性并且没有控制相干性的能力。因此，期望提供一种设备和方法，用于利用更少的装备、更少的电输入功率以及通过能够成本有效地适应更小物体的声学测试的方式获得所需的声学水平和声学场特性。
发明内容
本文中实施例包括一种直接场声学测试系统，其具有被包含在声学外壳内的至少四组声学换能器，声学外壳提供与周围环境的声学隔离以及预先确定的混响特性，以提供符合预先确定的技术参数的声学场。
本文中实施例还包括一种直接场声学测试系统，其被包含在声学外壳内，声学外壳提供与周围环境的声学隔离和预先确定的混响特性，其具有至少四个麦克风、至少两组声学换能器和信号调整器，它们分别或组合用于调整、组合和引导控制器输出信号至每一组声学传感器，从而提供符合预先确定的技术参数的声学场，其中至少四个麦克风被布置在合适位置，以提供至少四个声学输入信号，这些声学输入信号被用于确定至少四个控制器输出信号。
本文中实施例还包括一种直接场声学测试系统，其被包含在声学外壳中，声学外壳提供与周围环境的声学隔离和预先确定的混响特性，其具有至少四个麦克风、以及至少四组声学换能器，其中至少四个麦克风被布置在合适位置，以提供至少四个声学输入信号，这些声学输入信号被用于确定至少四个控制器输出信号，其中所述声学外壳是便携的。
本文中实施例还包括一种直接场声学测试系统，其被包含在声学外壳中，声学外壳提供与周围环境的声学隔离和预先确定的混响特性，其具有至少四个麦克风以及至少四组声学换能器，其中至少四个麦克风被布置在合适位置，以提供至少四个声学输入信号，这些声学输入信号被用于确定至少四个控制器输出信号，其中所述直接场声学测试系统被预先安装在所述声学外壳中，并且具有预先安装装备的所述声学外壳是便携的。
本文中实施例还包括一种直接场声学测试系统，其被包含在声学外壳中，声学外壳提供与周围环境的声学隔离和预先确定的混响特性，至少四个控制麦克风、具有至少四个输入和至少四个分别可控的控制器输出的多输入多输出(MIMO)振动控制系统、至少四组分别驱动的声学换能器以及信号调整器分别或组合用于调整和引导分别可控的控制器输出信号至至少四个分别的组的换能器中的每一组，以提供声学场符合预先确定的技术参数的声学场。
本文中实施例还包括一种直接场声学测试系统，其被包含在声学外壳中，声学外壳提供与周围环境的声学隔离和预先确定的混响特性，至少四个控制麦克风、具有至少四个输出和至少四个分别可控的控制器输出的多输入多输出(MIMO)振动控制系统、至少四组分别驱动的声学换能器以及信号调整器和组合器用于调整和引导控制器输出信号的组合至至少四组换能器中的每一组，其中至少两个分别可控的控制器输出信号均以这种方式被引导至至少两组声学换能器，以提供所述至少两个分别可控的控制器输出信号在测试环境内的近似平均分配，从而提供具有更高等级的空间均匀性的声学场。
附图简述
仅通过示例的方式，现在将参照其中对应附图标记表示对应部件的示意性附图而描述本发明的实施例。
图1示出了根据’870申请用于直接场声学测试的声学换能器组的示意图。
图2是根据’870申请的直接场声学测试系统的简化框图。
图3是用于图2的系统的振动-声学控制器的简化控制示意图。
图4是根据本文中一个实施例的直接场声学测试系统的简化示意图。
图5是根据本文中一个实施例的半混响声学测试系统的简化框图。
具体实施方式
现在参照附图描述本文中实施例，其中类似的附图标记/数字表示相同的或者功能相似的元件。尽管讨论了具体配置结构和设置，应该理解的是这仅为了示意说明目的。本领域技术人员将认识到可以不脱离本发明的精神和范围使用其他配置结构和设置。
参照图1，示出了根据2011年5月27日提交的同未审结的第13/117,870号美国申请(“’870申请”)的DFAT系统的实施例。包括了换能器阵列，其由覆盖了多个频率范围、以如图所示大致圆形设置而围绕被测单元(UUT)3排列的电动(electro-dynamic)声源或换能器T1-T12构成。在所示的实施例中的换能器阵列由T1-T12十二组每组八个换能器构成，其中T1-T9九组是大致覆盖了100Hz之上频率范围的三路电动扬声器系统，而T10－T12三组是大致覆盖了从20Hz至200Hz的频率范围的电动超低音(subwoofer)扬声器。控制麦克风C1－C12布置在围绕UUT3的各个位置处，以用于向控制系统(如下所述)提供关于声学场信息的目的。也可以提供监控麦克风M9－M16，用于在操作期间监控感兴趣具体点处的声学场，但是对于本文中该实施例或任何其他实施例的操作而言并非是必需的。监控麦克风可以位于声学测试空间中任何位置处，并且无需对应于控制麦克风的位置。
参照图2，示出了根据’870申请的、图1的DFAT系统的简化框图。每一个控制麦克风C1－Cn产生代表了在每一个麦克风处的声学场的电信号。根据振动-声学控制器12的输入需要，在输入信号调节器20中调节每一个所述电信号。通过示例而非限制的方式，调节器20可以包括抗混叠滤波器或其他滤波器、参照适当标准的麦克风校准数据的应用以及对信号的缩放以表现合适的单位。模数变换器21将已调节的电信号转换成数字格式，并且通过应用快速傅立叶变换(FFT)而将已数字化的信号转换成固定带宽的窄带功率谱密度，如图2中方框22所示。这些得到的数据流的每一个连接至振动-声学控制器12的一个输入13。本领域普通技术人员将认识到，输入信号调节器20、A/D变换器21和FFT 22可以是控制器12的一部分。来自控制器12的每一个输出14通过反向FFT从窄带功率谱密度转换为数字化的时间序列，如方框32中所示。随后，该数字化的时间序列可依赖于正在进行的测试的类型而进行时域随机化35，并且随后在数模变换器33中转换为模拟信号。接着根据放大和声学换能器T1－Tm的输入需求，在输出信号调节器34中调节每一个模拟信号。通过示例而非限制的方式，调节可以包括额外的滤波、增益、衰减或功率放大。每一个已调节的信号随后施加至各自的声学换能器组T1－Tm。预定的声学参考谱10从标准的第1/n倍频格式转换为固定带宽的窄带功率谱密度格式，其与来自控制麦克风C1-Cn的信号格式一致并且施加至振动-声学控制器输入13。本领域普通技术人员将认识到，反向FFT 32、时域随机化、数模转换33、以及输出信号调节器可以是控制器12的一部分。
多输入多输出(MIMO)控制逻辑的原理对于本领域技术人员而言是熟悉的，并且可以在该实施例和其他实施例的实施方式中在本发明的范围内以许多不同的方式应用。参照图3，示出了根据’870申请的、大致描述了MIMO振动-声学控制器12的一个可能实施例的功能的简化框图。在设置过程中，信号51施加至每一个声学换能器组T1－Tm。每一个换能器组的声学输出53由每一个控制麦克风C1－Cn分别监控。控制麦克风C1－Cn响应于每一个换能器组的电输出表示了换能器组与控制麦克风的每一个组合的传递函数，传递函数记录在n×m矩阵55中，其中每一个元素是一个这种传递函数。这些传递函数与声学参考谱数据10做比较。计算误差函数的矩阵56，其用于为每一个换能器组T1-Tm计算已校正驱动信号57。在实际测试的开始58处，之前存储的从1至m的已校正驱动信号57施加至各自的转换器组T1-Tm(59)。所导致的声学场由控制麦克风C1-Cn监控，并且将它们的输出与声学参考谱数据10做比较，由此计算出误差函数60。这些误差函数60用于提供驱动信号的实时更新61，其通过控制回路62施加至各自的换能器组T1-Tm。该实施例可以在如图3所示的闭环控制模式下工作，或者在开环控制模式下工作。在开放回路模式下，在初始施加59在设置过程中计算得到的已存储校正的驱动信号57之后，不对驱动信号做出实时调节。因此，省略了在方框60中对误差函数的计算、对驱动信号的结果更新61、以及反馈回路62。控制麦克风C1-Cn将由此仅执行监控功能。
振动-声学控制器12可以是能够执行上述控制器功能的任何控制器。如本领域普通技术人员所认识到的，控制器12通常包括处理器和图形用户界面(未示出)。在一个实施例中，控制器12可以是现有的机械振动控制器，通过示例而非限制的方式，例如SpectralDynamics Jaguar系统。
在参照图1至图3所示和所述的实施例中，有n＝12个控制麦克风C1-C12，以及m＝12个换能器组T1-T12。然而，本领域普通技术人员将认识到，可以利用更多或者更少的控制麦克风和换能器组。例如，而非通过限制的方式，控制麦克风的数量可以在一至十六的范围内，并且分别被驱动的换能器组的数量可以在四至十六的范围内。然而，本领域普通技术人员将认识到，可以依赖于被测单元和控制器12的限制而利用额外的控制麦克风和分别驱动的换能器组。用于表示声学输入信号和声学参考谱数据的功率谱密度数据的单个频带的带宽优选地等于或小于12.5Hz，并且可以是由可获得的FFT函数的特性而确定的任何合适的窄带宽，例如且通过示例的方式为6.25Hz、3.125Hz、2.5Hz、1.25Hz或0.625Hz。已经显示，这种固定带宽窄带频率在控制本身通常本质上为窄带的外壳异常现象中很重要。
参照图4，示出了根据本文中一个实施例的半混响声学测试系统的简化示意图。除了每个声学换能器T21-T24覆盖测试技术参数所需求的整个频率范围以外，声学换能器T21-T24执行与图1的声学换能器T1-T12类似的功能。控制麦克风C1-C4和监控麦克风M1-M4也执行与图1的麦克风C1-C8和M9-M15类似的功能，并且被设置在声学换能器和UUT3之间的声学空间中。此外，声学换能器、麦克风和UUT被包含在外壳1内，外壳1完全包围声学测试空间、提供与周围环境的声学隔离并且在其内壁上具有额外的声学处理装置2，以控制外壳1的混响特性。由于在邻近UUT的区域中反射声比例增加，与纯直接场声学测试相比，获得给定的声学测试水平需要更少的功率。然而，为了在控制麦克风位置C1-C4和监控麦克风位置M1-M4处获得一致且良好控制的声学场，外壳的混响行为和其他声学特性必须通过尺寸选择、壁构造和壁的声学处理装置2来合适地预先确定。此外，声学换能器M21-M24的放置必须被选择，以获得在围绕UUT的声学空间中直达声(direct sound)与反射声的期望的比率。
根据本文中一个实施例，仅仅需要四组声学换能器。然而，对于本领域技术人员而言，显然任何数量的声学换能器可以被应用，该数量仅仅受到外壳的物理尺寸的限制。此外，需要最少四个控制麦克风，但任何数量可以被也采用，其数量受控制器输入和其他相关联的装备的限制。
根据本文中另一实施例，最少四组声学换能器在多输入多输出MIMO控制设置(例如在同未审结的’870申请中所描述的)中被独立控制。实验显示，大量的控制麦克风和换能器组可以帮助克服外壳1中过量混响能量问题或者外壳1的构造中的其他缺陷。本领域普通技术人员将认识到，与附图中所显示的相比，更多或更少的控制麦克风、监控麦克风和换能器组可以被利用，其数量仅仅受到控制器12的限制和声学外壳1的物理限制。
参照图5，示出了根据本文中一个实施例的简化框图。除了在图5中，图2的输出信号调节装置34已经被输出信号调整、组合、引导和调节装置34c替换并且还如图4中所显示的声学换能器T21-24、控制麦克风C1-4以及监控麦克风M1-4被包含在声学外壳1中以外，特征如图2中所描述的并且以相同的参考编号标记。在通过数模变换器33之后，输出信号调整、组合、引导和调节装置34c产生次级组输出信号16，每一组输出信号16为控制器输出信号15的一个或多个的组合。外壳1的声学特性的效果自动适应之前针对图3描述的设置过程。相关领域普通技术人员将认识到，与附图中所显示的相比，更多或更少的控制麦克风、监控麦克风和换能器组可以被利用，其数量仅仅受到控制器12的限制和声学外壳1的物理限制。
输出信号调整、组合、引导和调节装置34c产生次级组输出信号16，每一组输出信号16为分别可控的控制器输出信号15的一个或多个的组合。输出信号调整、组合、引导和调节装置还可以包括输出信号调节器，以根据放大和声学换能器T21-T24的输入需求调整每一输出信号。通过示例而非限制的方式，调节可以包括额外的滤波、增益、衰减或功率放大。已调节的信号中的每一个之后被施加到相应的声学换能器组T21-T24。通过示例而非限制的方式，输出信号调整、组合、引导和调节装置34c可以通过衰减、放大、滤波、延迟、加、减、关联或分别可控的控制器输出信号15的任何其他操控产生所述次级输出信号16，以产生用于每一组换能器的合适的信号组合。例如但并非通过限制的方式，调整、组合、引导和调节装置34c可以是任何合适的矩阵开关或混合器或例如RANE RPM-88或雅马哈DME64N的数字信号处理器(DSP)单元。此外，如本领域技术人员所知，调整、组合、引导和调节装置34c无需是分别的的单元，并且可以在信号路径中位于不同的位置。输出信号调整、组合、引导和调节装置34c可以是如同未审结的第61/552,081号美国临时申请和国际申请PCT/US12/62255(两者名称均为“用于直接场声学测试的驱动信号分配”)中所述的(其每一个的全文通过引用并入本文)。这种信号输出信号调整、组合、引导和调节装置34c提供测试环境内分别可控的控制器输出信号的近似平均分配，以提供具有更高等级的空间均匀性的声学场。如本文中所述，这种空间均匀性在声学外壳中发生的测试中尤其重要。
再次参照图4，通常期望测试在UUT的当前位置处执行，以避免UUT的运载风险和成本。因此，根据本文中一个实施例，声学外壳1具有便携的尺寸和构造，其将帮助运载或递送至测试位置。声学外壳可以以自包含运载容器的形式，或者被配置为容纳进入卡车或指定运输声学外壳的其他车辆。额外的装备(例如声学换能器T21-T24以及麦克风C1-C4和M1-M4)可以在运输期间安装或者不安装。在该实施例的具体实施方式中，标准40英尺运载容器被用作外壳，其外部尺寸大约为长度40英尺、宽度8英尺和高度8.5英尺(内部容积大约为2385立方英尺)。在本文中另一具体实施方式中，标准20英尺运载容器被用作外壳，其外部尺寸大约为长度20英尺、宽度8英尺和高度8.5英尺(内部容积大约为1169立方英尺)。本领域技术人员将认识到，在不背离本发明的精神或范围的前提下，这些尺寸的改变，例如使用“高立方”容器、不同尺寸的容器(例如分别具有大约3-40立方英尺和3857立方英尺的内部容积的45英尺高立方容器和53英尺高立方容器)、用于容纳标准欧洲尺寸货板的“货板宽”容器或者其他尺寸改变可以被使用。
如图5中所示，示出了本文中一个实施例的另一具体实施方式，其中包括外壳1，其外部尺寸大约为7英尺长、5英尺高和5英尺宽(内部容积大约为160立方英尺)；四个控制麦克风C1-C4；具有四个输入和四个分别可控的控制器输出的多输入多输出(MIMC)振动控制系统12；四组分别驱动的声学换能器T21-T24；以及信号调整器34c，它们分别或组合用于调整和引导分别可控的控制器输出信号至四个分别的组的换能器中的每一组，以提供符合预先确定的技术参数的声学场。

Claims (16)

1.一种声学测试系统，其包括：
至少四个控制麦克风；
至少四个声学换能器或换能器组；
便携的声学外壳，其具有预先确定的混响特性，所述便携的声学外壳容纳所述至少四个控制麦克风以及所述至少四个声学换能器或换能器组，其中，所述至少四个控制麦克风以及所述至少四个声学换能器或换能器组在所述便携的声学外壳运输前，预先安装在所述便携的声学外壳中；以及
控制系统，其被配置为产生如所述至少四个控制麦克风测量的预先确定的声学场，
其中所述至少四个声学换能器或换能器组被操作地耦接至所述控制系统，从而使得每一个换能器的输出能够由所述控制系统分别控制，从而使得所述至少四个声学换能器或换能器组中的每一个换能器从所述控制系统接收分别的输出信号，
其中所述控制系统被配置为将针对每个声学换能器或换能器组的所述至少四个控制麦克风中的每一个的输出信号与参考谱相比较，以产生误差函数的矩阵，其中所述参考谱表示为带宽小于或等于12.5Hz的固定带宽的窄带功率谱密度，
其中由每个声学换能器或换能器组接收的所述分别的输出信号是由所述误差函数的矩阵计算的已校正驱动信号。
2.根据权利要求1所述的声学测试系统，其中所述控制系统被操作地耦接至所述至少四个控制麦克风，从而使得所述控制系统从所述至少四个控制麦克风接收至少一个输入信号。
3.根据权利要求2所述的声学测试系统，其中所述输入信号是来自所述至少四个控制麦克风的平均信号。
4.根据权利要求2所述的声学测试系统，其中所述输入信号包括来自所述至少四个控制麦克风中的每一个的分别的输入信号。
5.根据权利要求1所述的声学测试系统，其中所述便携的声学外壳包括所述便携的声学外壳的壁上的声学处理装置。
6.根据权利要求1所述的声学测试系统，其中所述控制系统导致来自所述便携的声学外壳的反射声，从而使得与没有所述便携的声学外壳的所述预先确定的声学场相比，由所述至少四个控制麦克风测量的所述预先确定的声学场利用更少的功率获得。
7.根据权利要求1所述的声学测试系统，其中所述便携的声学外壳选自由20英尺运载容器、40英尺运载容器、45英尺高立方运载容器、53英尺高立方运载容器以及7英尺*5英尺*5英尺容器构成的组。
8.根据权利要求1所述的声学测试系统，其中所述便携的声学外壳具有小于4000立方英尺的内部容积。
9.根据权利要求1所述的声学测试系统，其中所述便携的声学外壳具有小于3000立方英尺的内部容积。
10.一种被测单元的直接场声学测试方法，其包括以下步骤：
将至少四个声学换能器和至少四个控制麦克风安装在具有预先确定的混响特性的便携的声学外壳中；
将具有预先安装的所述至少四个声学换能器和所述至少四个控制麦克风的所述便携的声学外壳运输到所述被测单元的位置；
将所述被测单元定位在所述便携的声学外壳内；
将设立信号施加到所述至少四个声学换能器中的每一个；
使用所述至少四个控制麦克风分别监控所述至少四个声学换能器中的每一个的声学输出；
将针对所述至少四个声学换能器中的每一个的所述至少四个控制麦克风中的每一个的输出信号与参考谱相比较，以产生误差函数的矩阵，其中所述参考谱表示为带宽小于或等于12.5Hz的固定带宽的窄带功率谱密度；
针对所述至少四个声学换能器中的每一个计算已校正驱动信号；以及
将每一个已校正驱动信号施加到相应的声学换能器。
11.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括以下步骤：
在将所述已校正驱动信号施加到所述至少四个声学换能器之后，使用所述至少四个控制麦克风监控所述至少四个声学换能器中的每一个的声学输出；
将针对所有声学换能器的至少四个控制麦克风的第二输出与所述参考谱相比较，以产生更新的误差函数的矩阵；
为每一个声学换能器计算更新的已校正驱动信号；以及
将每一个更新的已校正驱动信号施加到相应的声学换能器。
12.根据权利要求10所述的方法，其中至少一个控制麦克风的输出信号被转换成固定带宽的窄带频谱密度。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述固定带宽的窄带谱密度的带宽小于或等于12.5Hz。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述便携的声学外壳选自由20英尺运载容器、40英尺运载容器、45英尺高立方运载容器、53英尺高立方运载容器以及7英尺*5英尺*5英尺容器构成的组。
15.根据权利要求10所述的方法，其中所述便携的声学外壳具有小于4000立方英尺的内部容积。
16.根据权利要求10所述的方法，其中所述便携的声学外壳具有小于3000立方英尺的内部容积。
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