CN106053106B - 一种利用电扬声器实现高声压级的声疲劳试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一利用电扬声器实现高声压级的声疲劳试验装置，所述试验装置包括声源、号筒、圆转方过渡段、试验段、消声段、控制器和光学应变测量仪，所述声源、号筒、圆转方过渡段、试验段和消声段依次连接，本发明能够以120~8000Hz无失真播放用户自定义的任意频率谱的噪声载荷，一次持续发声时间不低于30min；发出的声信号经特定尺寸的圆转方过渡段后传播到试验段，在试验段声场稳定区域达到最高声压级为140dB的均匀声场环境；通过四点均值反馈控制，使得试验段声压级稳定精度达到GJB150.17A‑2009噪声测试要求；可灵活改变试件夹持方式，实现壁挂、悬挂及声静联合加载试验；提高了应变测量精度，且不受温度环境限制；试验装置总长度不大于2.5m，半径2m处辐射噪声小于65dB(A)。

Description

一种利用电扬声器实现高声压级的声疲劳试验装置

技术领域

本发明属于航空结构强度试验领域或航天器动力学试验领域，尤其涉及一种利用电扬声器实现高声压级的声疲劳试验装置。

背景技术

近年来，新型空天飞行器的研究逐渐兴起，由于其具有机动性高、作战距离远和攻击时间短等显著优势而备受关注，其研制、生产和列装，将极大提升国家的军事国防实力。新型飞行器由于飞行速度高，所面临的工作环境极为苛刻，在极端恶劣的服役环境下，飞行器的材料结构容易产生疲劳失效，最常见一种失效形式是声疲劳。因为飞行器在高速飞行中会与流体相互作用，在其表面附近形成湍流边界层，从而在飞行器外表层产生强大的气动噪声场，声压级普遍高于140dB，最高可达180dB。这是一种在空间上非均匀分布的、在时间上随机分布的、具有宽带频率分量的高声强声场。该声场极易诱发飞行器材料结构发生疲劳失效，大大降低系统的可靠性，严重影响飞行器结构的安全性。因此，需要对飞行器的构件进行声疲劳测试与分析，以提高服役安全性能。

目前飞行器结构及机载设备的声疲劳试验主要在行波管内进行。行波管采用气流扬声器发声，声源1及控制器6复杂，占地面积大，所需费用高，维护困难。实验过程中，由于实验设备尺寸较大，设计加工好的行波管装置为保证密封性及试验精度，试件夹持方式难以更改，不利于多工况下疲劳试验的开展。此外，在行波管内开展声疲劳试验，都是采用应变片测量试件在高强热噪声下的应变响应，测量精度较低，长时测量受到温漂和零漂的影响更大，难以获得准确可靠的测试数据。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种利用电扬声器实现高声压级的声疲劳试验装置，所述试验装置包括声源、号筒、圆转方过渡段、试验段、消声段、控制器和光学应变测量仪，所述声源、号筒、圆转方过渡段、试验段和消声段依次连接，所述控制器外接在所述试验段周侧，所述光学应变测量仪位于所述试验段一侧；

进一步地，所述控制器包括四个B&K自由场传声器，所述四个B&K自由场传声器沿轴向分布于并连接在试验段顶部；

进一步地，所述试验段为方形截面，试验段顶端设有螺纹孔，底端设有与所述螺纹孔相对应的通孔，所述试验段侧面设有窗口，所述窗口以99.99%纯度的石英玻璃覆盖，所述窗口作为光学应变测量的密封视窗；

进一步地，所述光学应变测量仪为数字散斑相关原理测量仪，所述光学应变测量仪包括激光器和相机镜头，所述激光器发射方向和相机镜头所对位置均与所述窗口位置相同；

进一步地，所述圆转方过渡段为圆型转方型的连接方式；

进一步地，所述消声段为扩口结构，所述消声段内壁设有吸声尖劈，所述消声段相反于试验段的另一侧为封闭式结构；

进一步地，所述试验段长500mm，宽300mm，高550 mm；

进一步地，所述试验装置还包括多个支撑架，所述多个支撑架分别连接在声源、号筒、圆转方过渡段、试验段和消声段下方；

进一步地，一种利用电扬声器实现高声压级的声疲劳试验装置的应变测量方法，所述方法通过数字散相关方法，用工业CCD相机采集试件变形前后的散斑图，对采集到的散斑图进行相应的处理，得到试件在随机噪声激励下的应变的实时数据。

本发明的有益效果如下：

1）通过高、低频扬声器单元合理配置，实现120~8000Hz无失真播放用户自定义的任意频率谱的噪声载荷，一次持续发声时间不低于30min；

2）试验段为方形截面，且截面积越小，所能达到的声压级就越高，因此，过渡段采用圆型转方型的连接方式，在不增加截面面积的情况下，实现扬声器单元与试验段的连接，同时经圆转方过渡段后声压级衰减较小，能够保证试验段声场稳定区域最高声压级达到140dB；

3）采用四点均值反馈控制方式，4个B&K自由场传声器沿轴向分布于试验段顶部，使得试验段声场稳定精度达到GJB150.17A-2009噪声测试标准要求；当控制传声器有损坏而少于4个时，可进行单点控制；

4）可灵活改变试件夹持方式，实现壁挂、悬挂及声静联合加载试验；

5）采用光学非接触方式测量试件在随机噪声下的应变，获得试件长时应变的实时数据，提高了应变测量精度，且不受温度环境限制；

6）试验装置总长度不大于2.5m，且经消声段处理后，半径2m处辐射噪声小于65dB(A)。

附图说明

图1为本发明利用电扬声器实现高声压级的声疲劳试验装置结构示意图；

图2为本发明壁挂式试件安装示意图；

图3为本发明声静联合加载试验试件安装示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面为本发明的举出最佳实施例：

如图1-图3所示，本发明所述试验装置包括声源1、号筒2、圆转方过渡段3、试验段4、消声段5、控制器6、光学应变测量仪7以及支架8,所述声源1、号筒2、圆转方过渡段3、试验段4和消声段5依次连接，所述控制器6外接在所述试验段4周侧，所述光学应变测量仪7位于所述试验段4一侧，所述控制6器包括四个B&K自由场传声器，所述四个B&K自由场传声器沿轴向分布于并连接在试验段4顶部，所述试验段4为方形截面，试验段顶端4设有螺纹孔，底端设有与所述螺纹孔相对应的通孔，所述试验段4侧面设有窗口，所述窗口以99.99%纯度的石英玻璃覆盖，所述窗口作为光学应变测量的密封视窗，所述光学应变测量仪7为数字散斑相关原理测量仪，所述光学应变测量仪7包括激光器和相机镜头，所述激光器发射方向和相机镜头所对位置均与所述窗口位置相同，所述圆转方过渡段3为圆型转方型的连接方式，所述消声段5为扩口结构，所述消声段5内壁设有吸声尖劈，所述消声段5相反于试验段的另一侧为封闭式结构，所述支撑架8分别连接在声源1、号筒2、圆转方过渡段3、试验段4和消声段5下方，一种利用电扬声器实现高声压级的声疲劳试验的应变测量方法，所述方法通过数字散相关方法，用工业CCD相机采集试件变形前后的散斑图，对采集到的散斑图进行相应的处理，得到试件在随机噪声激励下的应变的实时数据。所述试验装置通过高、低频扬声器单元合理配置，实现120~8000Hz无失真播放用户自定义的任意频率谱的噪声载荷，一次持续发声时间不低于30min；各扬声器单元发出的声信号经特定尺寸的圆转方过渡段3后传播到试验段4，在试验段4声场稳定区域达到最高声压级为140dB的均匀声场环境；通过四点均值反馈控制，使得试验段4声压级稳定精度达到GJB150.17A-2009噪声测试要求；可灵活改变试件夹持方式，实现壁挂、悬挂及声静联合加载试验；采用光学非接触方式测量试件在随机噪声下的应变，获得试件长时应变的实时数据，提高了应变测量精度，且不受温度环境限制；试验装置总长度不大于2.5m，且经消声段5处理后，半径2m处辐射噪声小于65dB(A)，通过对电扬声器单元发声功率、频率范围及最大连续声压级的选取，合理配置电扬声器单元，使得扬声器所发声信号经叠加后，在试验段4声场稳定区域最高声压级能够达到140dB；通过不同频率扬声器单元相互作用，使得声源1能够无失真播放用户自行编制的120~8000Hz范围内任意频谱类型的噪声载荷，且一次持续发声时间不低于30min，试验段4为方形截面，且截面积越小，所能达到的声压级就越高，因此，过渡段采用圆型转方型的连接方式，在不增加截面面积的情况下，实现扬声器单元与试验段4的连接；同时经圆转方过渡段3后声压级衰减较小，能够保证试验段4声场稳定区域最高声压级达到140dB，试验段4长500mm，宽300mm，高550 mm；能够开展壁挂式、悬挂式以及声静联合加载等疲劳试验，壁挂式以铆接的方式将壁板试件与支撑框连接，使得试件内壁与试验段4内壁平齐，以实现掠入射加载；悬挂及声静联合加载通过夹具将试件悬于试验段4中心位置，静载荷可通过砝码增重形式加载；各种夹持方式便于拆卸，试件支撑系统不引入附加噪声。在壁挂式试件对侧的舱壁上，预留长150mm，高250mm的光学应变测量窗口，以纯度为99.99%的石英玻璃对窗口密封，采用四点均值反馈控制方式，4个B&K自由场传声器沿轴向分布于试验段4顶部，使得试验段4声场稳定精度达到GJB150.17A-2009噪声测试标准要求；当控制传声器有损坏而少于4个时，可进行单点控制，通过数字散斑相关方法，利用工业CCD相机采集试件变形前后的散斑图，对采集到的散斑图进行相应的处理，即可得到试件在随机噪声激励下的应变；与传统应变片测量方式相比，光学非接触测量方法可提高测量精度，不受高温环境限制，可获得试件长时应变的实时数据，消声段5设计为扩口结构，在消声段5内壁安装吸声尖劈，消声段5右侧采取封闭式结构，声音无法传出；系统在最高声压级状态下工作时，半径2m处的辐射噪声小于65dB。

如图1所示，所述试验装置主要包括依次连接的声源1、号筒2、圆转方过渡段3、试验段4以及消声段5，整体长度小于2.5m，宽度小于1.5m，高小于1.55m。各部件之间以螺栓连接，便于拆卸。通过多个高声压级的电扬声器单元组合成声源1，使得叠加后的声压级达到140dB以上，同时合理配置高低频扬声器单元，使得组合后的声源1能够无失真地播放出用户自行编制的120-8000Hz间任意频谱类型的声载荷。用户根据实际工况编制声载荷谱，通过个人计算机连接声源1播放所编制的声载荷谱，声信号经过号筒2后，在管内沿固定方向传播，使得管内声压级增强。圆转方过渡段3使得由号筒2的圆形截面过渡到试验段4的方形截面，直接的圆转方过渡方式，不增加装置的复杂度，降低声信号的衰减度，以保证试验段4内声场稳定区域声压级能够达到140dB。试验段4两侧开窗，一侧用于安装壁挂式试件，一侧用于光学应变测量。试验段4顶部安装有控制器6的四个控制传声器，用以检测试验段4内各位置声压级，实现多点平均值反馈控制。试验段4后面连接采用扩口设计的消声段5，在内部安装吸声系数较高的多孔吸声材料或吸声尖劈等，以消除反射声信号，使得试验段4内声场不受影响。同时，消声段5的右侧采取封闭式结构，声信号无法传出管外，以达到降低试验装置的辐射噪声的效果。

控制器6通过试验段4顶端沿轴向安置的四个传声器，检测管内声场，通过多点平均值查看管内声场声压级稳定情况，从而调节声源1所发声信号的声压级，保证试验段4内声压级稳定。控制器6选用德国M+P的VibRunner 8输入通道，8输出通道控制器，具有较高的采样精度及采样速度。同时，配合M+P具有自动分析功能的Acoustic Control控制软件，能够达到较好的控制效果，降低工作量。光学应变测量仪7采用数字散斑相关原理测量试件应变响应。将激光器及相机镜头等调节到与所需测量部位同一水平高度，激光器发射激光照射于试件表面，通过CCD相机采集声载荷作用前后试件表面所形成的散斑图，利用DIC方法测量得到变形后散斑图的全场位移，进而利用局部最小二乘法计算试件的全场应变。由试件表面所产生的应变，根据试件材料性质，可计算试件在声载荷作用下的应力，继而获得试件声疲劳寿命曲线。

如图2所示，对于壁挂式声疲劳试验，壁挂式试件11的表面须作为试验段4壁面的一部分，使试件与管道内表面平齐，以防止引入空腔共鸣或局部紊流效应。为了能够更换不同尺寸的壁挂式试件11，实现不同尺寸试件的声疲劳试验，同时对试验段4不造成影响，壁挂式试件11与试验段4之间通过试件支撑框9和试件垫块10连接。试件和垫块之间，以及垫块与支撑框之间均通过铆接的方式连接，支撑框与试验段4壁面通过螺栓连接。在试件与支撑框之间增加垫块，能够减少管壁振动对试件造成的影响。若更换壁挂式试件11的尺寸，则只需更换相应的试件支撑框9和试件垫块10，不会对试验段4管壁造成影响，成本较低。

如图3所示，对于声静联合加载声疲劳试验，联合加载试件15须置于管内试验段4的中间部位，使得声载荷激励施加在试件的整个外表面上。联合加载试件15可采用标准拉伸试件尺寸比例，同时需保证试件平滑完整无缺口，以防止缺口造成应力集中影响试验效果。试件上下两端通过上下的两个试件夹具14和16夹紧，试件上夹具14通过上部的螺杆13与试验段4壁面上的螺纹孔连接，在试验段4壁面外的螺杆上套装螺母，实现试件的安装固定。试件下夹具16通过下部的螺杆17与砝码盘19连接。通过增减砝码盘19上的砝码18的多少，来改变施加静载荷的大小。施加固定静载荷后，通过播放编制好的声载荷谱，实现针对试验件的声静联合加载。

当开展悬挂式声疲劳试验时，对于图3则须将标准的拉伸试件更换为外挂模型试件，将试件置于管道截面中心位置，使得声激励施加在试件整个外表面上。试件无需两端夹持，只需要通过上端夹具将试件固定后，连接于试验段4的顶端即可。当开展掠入射噪声激励试验时，须采用密封件堵上试验段4的螺纹孔，以保证装置的密封性；当开展悬挂式或声静联合加载试验时，壁挂式试件安装窗口须采用与之尺寸相对应的密封板密封，以保证装置的密封性，维持管内声场稳定。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种利用电扬声器实现高声压级的声疲劳试验装置，其特征在于，所述试验装置包括声源、号筒、圆转方过渡段、试验段、消声段、控制器和光学应变测量仪，所述声源、号筒、圆转方过渡段、试验段和消声段依次连接，所述控制器外接在所述试验段周侧，所述光学应变测量仪位于所述试验段一侧，所述控制器包括四个B&K自由场传声器，所述四个B&K自由场传声器沿轴向分布于并连接在试验段顶部，所述试验段为方形截面，试验段顶端设有螺纹孔，底端设有与所述螺纹孔相对应的通孔，所述试验段侧面设有窗口，所述窗口以99.99％纯度的石英玻璃覆盖，所述窗口作为光学应变测量的密封视窗。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述光学应变测量仪为数字散斑相关原理测量仪，所述光学应变测量仪包括激光器和相机镜头，所述激光器发射方向和相机镜头所对位置均与所述窗口位置相同。

3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述圆转方过渡段为圆型转方型的连接方式。

4.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述消声段为扩口结构，所述消声段内壁设有吸声尖劈，所述消声段相反于试验段的另一侧为封闭式结构。

5.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述试验段长500mm，宽300mm，高550mm。

6.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述试验装置还包括多个支撑架，所述多个支撑架分别连接在声源、号筒、圆转方过渡段、试验段和消声段下方。

7.一种利用电扬声器实现高声压级的声疲劳试验装置的应变测量方法，基于上述权利要求1-6之一所述试验装置，其特征在于，所述方法通过数字散相关方法，用工业CCD相机采集试件变形前后的散斑图，对采集到的散斑图进行相应的处理，得到试件在随机噪声激励下的应变的实时数据。