CN106170684A - 直接场声学测试中的驻波减小 - Google Patents

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Abstract

一种直接场声学测试系统包括至少两个声学换能器组和信号修改器，信号修改器用于对每个声学换能器组引入可单独控制的时间延迟或相位偏移以便提供符合预定规范的、由于声学换能器组之间的相长干涉或相消干涉而导致的偏差减小的声场。

Description

直接场声学测试中的驻波减小
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年11月15日提交的美国临时申请No.61/904,931的权益，该申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及其操作可靠性可使用高强度振动测试进行评价的对象(诸如卫星、仪表或任何其它对象)的振动测试的领域。具体地说，本发明涉及用于减小由于多个声学源之间的相长干涉或相消干涉、声学驻波或在直接场声学测试中遇到的其它模态声学行为导致的与指定的声学场的偏差的单元和方法。
背景技术
2011年5月27日提交的序列号为13/117,870、标题为“Direct FieldAcoustic Testing System and Method”的共同未决的美国申请(下称为“’870申请”)通过引用并入本文。如’870申请中所讨论的，在直接场声学测试(DFAT)的领域中，一般期望获得在围绕受测试单元(UUT)的整个空间中具有均匀频谱内容和低相干性的声场。如’870申请中所展示的，通过使用合并多组可独立控制的声学换能器的多输入多输出(MIMO)布置，在控制麦克风位置处获得优良的频谱均匀性和低相干性。如序列号为61/552,081的美国临时申请和要求该申请的优先权的对应的共同未决的国际申请No.PCT/US12/62255(两篇申请的标题都是“Drive Signal Distribution for DirectField Acoustic testing”(以下共称为“驱动信号发布申请”)，两篇申请的全部内容都通过引用并入本文)中所讨论的，非控制麦克风位置处的改进的频谱均匀性通过将驱动信号的组合分发给可独立控制的声学换能器组而获得。然而，在非控制麦克风位置处对UUT周围的声场的更详细的测量证实在某些特定频率上均匀性存在显著偏差。据信，这些偏差要么是由于多个声学源的输出的相长干涉或相消干涉造成的，要么是由与直接场声学测试设置的几何结构以及UUT的大小形状和定位相关的声学驻波造成的。这种与频谱均匀性的偏差可能导致UUT的部分的过激励或欠激励。因此，期望提供用于通过抑制作为引起所述偏差的原因的声学机制来减小这些偏差的方法。
发明内容
本发明的实施例包括一种具有至少两组声学换能器和信号修改器的直接场声学测试系统，该信号修改器用于对每组声学换能器引入可单独控制的时间延迟或相位偏移以便提供符合预定规范的、由于声学换能器组之间的相长干涉或相消干涉而导致的偏差减小的声场。
本发明的实施例还包括一种具有至少两个麦克风的直接场声学测试系统，所述至少两个麦克风提供被用来确定用于所述至少两组声学换能器的可单独控制的驱动信号的至少两个声学输入信号，其中所述麦克风按适当非对称的布置设置以便提供符合预定规范的、由于声学驻波或其它模态声学行为而导致的偏差减小的声场。
本发明的实施例包括一种具有至少两组声学换能器的直接场声学测试系统，所述至少两组声学换能器按相对于受测试单元(UUT)适当非对称的布置设置以便提供符合预定规范的、由于声学驻波或其它模态声学行为而导致的偏差减小的声场。
附图说明
现在将仅以举例的方式来参照附图描述本发明的实施例，在附图中，对应的标号指示对应的部分。
图1是根据驱动信号分发申请的信号图。
图2是根据驱动信号分发申请的驱动信号分配。
图3是根据驱动信号分发申请的示意性布局和驱动分配。
图4是控制麦克风位置和监视麦克风位置处的被测声学频谱，该声学频谱示出由于声波相互作用、模态条件和边界条件而导致的频谱异常。
图5是根据本申请的实施例的信号图。
图6是控制麦克风位置和监视麦克风位置处的被测声学频谱，该声学频谱示出根据本申请的实施例的由于声波相互作用而导致的频谱异常的减小。
图7是DFAT系统中的换能器的示意性布局。
图8是根据本申请的实施例的换能器的示意性布局。
图9是控制麦克风位置和监视麦克风位置处的被测声学频谱，该声学频谱示出根据本申请的实施例的由于声波相互作用、模态行为和边界条件而导致的频谱异常的减小。
图10是根据本申请的另一个实施例的换能器的示意性布局。
具体实施方式
现在参照附图来描述本发明的实施例，在附图中，相似的引用字符/数字指示相同的或功能上类似的元件。虽然讨论特定的配置和布置，但是应理解这仅仅是为了说明的目的而进行的。相关领域的技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可使用其它配置和布置。
参照现有技术图1，示出了与驱动信号分发申请对应的图。现有技术图2示出了根据驱动信号分发申请的驱动信号分配的图表，现有技术图3示出了根据驱动信号分发申请的换能器和驱动信号的示意性布置。参照图4，示出了用于根据驱动信号分发申请布置和操作的直接场声学测试系统的一组控制麦克风和监视麦克风的被测声学频谱。大约100Hz、390Hz和700Hz时的被标记为“驻波(波相互作用)”的频谱响应异常被认为是根据图2的驱动信号分配图生成相同的驱动信号的换能器之间的相长干涉的结果。被标记为“驻波(房间模式)”的异常被认为与换能器的物理布置所创建的边界条件有关。所有这些异常都被认为部分地与驱动信号分发申请的使相同的驱动信号被几个换能器组同时再现的驱动信号分配有关。参照现有技术图1，信号调节单元34b包括用于创建适合于每组换能器的电子信号的各种电子单元。仅举例来说，这些电子单元可以包括：功率放大、增益调整、跨接(cross-over)、时间延迟以及相位调整。本领域的普通技术人员将熟悉声学时间对准的概念，在该概念中，时间延迟被应用于驱动不同换能器组的信号，使得它们的声学输出信号同时到达空间中的预定点，从而补偿外部和内部声学路径长度或其它系统相关延迟(诸如与数字信号处理相关联的滤波器和延时)的差异。在直接场声学测试(DFAT)中，标准做法是使所有换能器都与测试布局的中心轴“时间对准”。例如，参照图3，标准做法是调整换能器组T1至T12的时间延迟，使得它们的声学输出将大致同时地到达受测试单元(UUT)M16的中心。“大致同时地”意指声学输出在彼此小于1毫秒内到达UUT的中心。举例来说，在图3中所示的现有技术的布局中，通过将大约18毫秒的电子延迟应用于换能器组T1至T9以补偿离M16的距离更大的换能器组T10至T12的位置、T10至T12的内部声学路径长度以及由应用于施加于T10至T12的信号的低通滤波引入的延迟来实现“时间对准”。据信，这个所谓的“时间对准”是图4中所示的被标记为“驻波(波相互作用)”的频谱异常的部分原因。
因此，在本申请的实施例中，参照图5，示出了信号流程图，其中，可单独调整的时间延迟单元34c被引入到用于至少每个可单独控制的换能器组的信号路径中。根据该实施例，可单独调整的时间延迟单元34c被调整为使得覆盖图4的频谱异常的频率范围的换能器组中的至少两个的声学输出被定时在足够不同的时间到达测试布局的中心(图3的M16)以便减小所述频谱异常。举例来说，而非限制，在该实施例的特定实施方式中，图3的换能器组T1至T9的频率范围被配置为从大约100Hz到200Hz与换能器组T10至T12的频率范围交叠。通过利用电子时间延迟单元和声学路径长度差异的组合，换能器组T1至T9的声学输出被定时比换能器组T10至T12的声学输出早大约10毫秒到达位置M16。参照图6，示出了用于根据该实施例布置和操作的直接场声学测试系统的一组控制麦克风和监视麦克风的被测声学频谱，该声学频谱展示了大约100Hz和150Hz时的大的频谱异常的减小。已经发现，位置M16处的小至关注的最低频谱异常的时间段的四分之一的声学信号到达时间差是有效的。例如，参照图4和图6中所呈现的数据，关注的最低频谱异常约为100Hz，这将要求在该频率范围内操作的换能器组之间的大约2.75毫秒的最小到达时间差是有效的。
本领域技术人员将立即认识到，实施本发明的这个实施例所需的时间延迟可以以许多不同的方式实现。举例来说，而非限制，这样的时间延迟可通过市售的数字电子单元和/或通过选择换能器组相对于彼此和UUT的物理位置来实施。仅举例来说，在电子时间延迟的情况下，这些延迟可被置于信号路径中的任何地方，只要它们在图5的输出信号修改和组合单元34a之后发生即可。另外，换能器的物理放置可被操纵为实现它们的声学输出的所需相对到达时间或者补充电子时间延迟的使用。
在本发明的另一个实施例中，图5的可单独调整的时间延迟34c被调整为使得换能器组T1至T12中的每个的声学输出将全都在不同的时间到达位置M16。该方法已经被显示为提供甚至更大的频谱均匀性，但是是以更大的功耗为代价的。另外，来自再现基本上相同的频率范围的换能器组的声学信号的到达时间可被单个地操纵较小的量以通过使用图5的可单独调整的时间延迟34c来抑制更高频率的频谱异常。参照图4和图6中所呈现的数据，390Hz和700Hz时的频谱异常已经通过将来自再现基本上相同的频率范围的换能器组T1至T9的信号的到达操纵为在大约3毫秒的窗口上展开而被减小。该技术对于任何到达时间分布是有效的，其中换能器组中的至少一个的输出的到达时间与其它输出的到达时间相差关注的最低频谱异常的下至最小1毫秒的时间段的至少四分之一。然而，当全都再现基本上相同的频率范围的更多换能器组的声学输出的到达时间在大致等于关注的最低频谱异常的下至最小1毫秒的时间段的到达时间窗口上展开时，该技术更有效。
参照图7，示出了典型的DFAT换能器布局，该布局从上方看是大致对称的并且是圆形的。虽然适当时间延迟的使用已经被示为对减小频谱异常一般是有效的，但是某些频谱异常(诸如图4中所示的被标记为“驻波(房间模式)”的大约230Hz时的异常)与诸如图7中所示的圆形或其它对称布置所创建的对称边界条件有关，并且使用本申请的前面的实施例中所述的时间延迟技术是不足以控制的。
根据本申请的另一个实施例，可通过按非对称布置围绕UUT布置再现基本上相同的频率范围的换能器组来禁止这样的驻波的形成。为了本申请的目的，“换能器组再现的频率范围”是不大于低于驱动信号的平均水平的6db的驱动信号中存在的低于1kHz的所有频率。此外，如果换能器组再现的低于1kHz的频率范围(以八倍频程为单位测量)的80％被另一个换能器组再现，或者如果两个换能器组再现的频率范围彼此交叠至少两个八倍频程，则换能器组被认为是“再现基本上相同的频率范围”。例如，图7的换能器组T1-T9被配置为再现基本上相同的频率范围。通过以非对称布置围绕UUT布置这些换能器组，由于从每个相应的换能器组到位置M16的距离变化，换能器组T1-T9的物理位置所创建的边界条件将不支持特定频率上的驻波的形成。在图8中所示的特定的非限制性示例中，示出了大体卵形的换能器布置，该布置已经被示为减小由具体来说边界条件引起的频谱异常，并且对于减小其它类型的频谱异常也是有帮助的。然而，其它非对称形状也可被使用。例如，而非限制，其中从再现基本上相同的频率范围的换能器组到位置M16的距离是不均匀的椭圆形、矩形、正方形或其它形状可被使用。据信，通过创建与UUT的中心不等距的声学边界，强驻波的形成被禁止。虽然再现基本上相同的频率范围的换能器组的非对称布置已经被示为独自对于禁止驻波的形成是有效的，但是该技术已经被示出为当与本申请的前面的实施例中所述的适当电子时间延迟组合使用时对减小所有类型的频谱异常要有效得多。参照图9，示出了根据本申请的前面的实施例的、另外根据图8布置的DFAT系统的一组控制麦克风和监视麦克风的被测声学频谱，图8示出了图4的被标记为“驻波(房间模式)”的频谱异常大幅衰减。参照图8，在这个实施例的特定实施方式中，尺寸D1约为20英尺，尺寸D2约为24英尺。实验表明如下的换能器布置对于减小驻波的形成是有效的，在这些换能器布置中，从再现基本上相同的频率范围的换能器组到UUT的中心的最大距离和最小距离之间的差值为至少1英尺，并且导致至少大约1毫秒的到达时间差。
如本领域技术人员将显而易见的，存在许多可能的布置用于DFAT系统的再现基本上相同的频率范围的换能器以便避免将引起强驻波的声学边界条件的方式，这些全都落在本发明的范围内。举例来说，而非限制，根据本申请的另一个实施例，参照图10，示出了已经被证实减小驻波异常的另一个布置。在图10中，图8的换能器T1至T9再现基本上相同的频率范围，并且已经被相对于从相应的换能器组的中心到UUT的中心绘制的线随机地旋转了大约10度至30度之间。换能器的中心仍大致位于圆R1上，这允许有具有随机化的声学边界的紧凑布置，该声学边界已经被显示为减小驻波行为。

Claims (17)

1.一种直接场声学测试系统包括：
控制麦克风；
控制器，其可操作地耦合到所述控制麦克风，使得所述控制器从所述控制麦克风接收至少一个输入信号；
至少四个声学换能器组，每个换能器组包括至少一个换能器，其中所述至少四个声学换能器组与所述控制麦克风布置成测试布局，并且可操作地耦合到所述控制器，使得每个换能器的输出可被所述控制器单独控制以使得每个换能器从所述控制器接收单独的输出信号；以及
可单独调整的信号修改器，其设置在所述控制器和所述至少四个声学换能器之间的信号路径中，其中所述信号修改器被配置为引入时间延迟，所述时间延迟被配置为被调整为使得所述至少四个声学换能器中的至少两个的输出被定时为在足够不同的时间到达所述测试布局的中心以便减小频谱异常。
2.根据权利要求1所述的直接场声学测试系统，其中所述控制麦克风和声学换能器组被设置为与将在模拟混响场中被测试的单元邻近。
3.根据权利要求2所述的直接场声学测试系统，其中所述至少四个声学换能器组包括十二个声学换能器组，并且其中所述时间延迟被配置为使得所述十二个换能器的第一组的输出被定时为在所述十二个声学换能器组的第二组的输出之前的某一时间到达所述测试布局的中心。
4.根据权利要求3所述的直接场声学测试系统，其中所述声学换能器组的所述第一组包括更多的声学换能器组和所述声学换能器组的所述第二组。
5.根据权利要求4所述的直接场声学测试系统，其中所述时间延迟被配置为使得所述声学换能器组的所述第一组的输出被定时为比所述声学换能器组的所述第二组的输出早大约10毫秒到达所述测试布局的中心。
6.根据权利要求3所述的直接场声学测试系统，其中所述时间延迟被配置为使得所述声学换能器组的所述第一组的输出被定时比所述声学换能器组的所述第二组的输出早大约10毫秒到达所述测试布局的中心。
7.根据权利要求1所述的直接场声学测试系统，其中所述时间延迟被配置为使得所述至少四个声学换能器组中的每个的输出被定时为在不同的时间到达所述测试布局的中心，使得所述至少四个声学换能器组中的一个的输出的最大到达时间与所述至少四个声学换能器组中的另一个的输出的最小到达时间之间的差为至少1毫秒。
8.根据权利要求1所述的直接场声学测试系统，其中所述至少四个声学换能器组包括十二个声学换能器组，并且其中所述时间延迟被配置为使得所述十二个声学换能器组中的每个的输出被定时为在不同的时间到达所述测试布局的中心，使得所述十二个声学换能器组中的一个的输出的最大到达时间与所述十二个声学换能器组中的另一个的输出的最小到达时间之间的差为至少1毫秒。
9.根据权利要求1所述的直接场声学测试系统，其中所述时间延迟被配置为使得所述至少四个声学换能器组中的一个的输出的最大到达时间与所述至少四个声学换能器组中的另一个的输出的最小到达时间之间的差为至少1毫秒。
10.根据权利要求1所述的直接场声学测试系统，其中多个所述至少四个换能器组被配置为再现基本上相同的频率范围，其中再现基本上相同的频率范围的所述多个换能器组按非对称图案围绕所述测试布局的中心布置。
11.根据权利要求1所述的直接场声学测试系统，其中所述非对称图案为大体卵形的图案。
12.一种直接场声学测试系统，包括：
至少一个控制麦克风；
控制器，其可操作地耦合到所述控制麦克风，使得所述控制器从所述控制麦克风接收至少一个输入信号；以及
至少四个声学换能器组，其被配置为再现基本上相同的频率范围，其中所述至少四个声学换能器组与所述控制麦克风布置成围绕受测试单元的测试布局，其中所述至少四个声学换能器组可操作地耦合到所述控制器，使得每个声学换能器组的输出可被控制器单独控制以使得每个声学换能器组从所述控制器接收单独的输出信号；
其中所述至少四个声学换能器组围绕所述受测试单元布置成非对称图案以禁止驻波的形成。
13.根据权利要求12所述的直接场声学测试系统，其中所述非对称图案为大体卵形的图案。
14.根据权利要求13所述的直接场声学测试系统，其中所述大体卵形的图案包括两个直径，其中第一直径小于第二直径。
15.根据权利要求14所述的直接场声学测试系统，其中所述第一直径比所述第二直径小至少两英尺。
16.一种直接场声学测试系统，包括：
至少一个控制麦克风；
控制器，其可操作地耦合到所述控制麦克风，使得所述控制器从所述控制麦克风接收至少一个输入信号；以及
至少四个声学换能器组，其被配置为再现基本上相同的频率范围，其中所述至少四个声学换能器组与所述控制麦克风布置成围绕受测试单元的测试布局，其中所述至少四个声学换能器组可操作地耦合到所述控制器，使得每个声学换能器组的输出可被控制器单独控制以使得每个声学换能器组从所述控制器接收单独的输出信号；
其中所述至少四个声学换能器组围绕所述受测试单元布置，使得所述至少四个声学换能器组中的每个以相对于从各自的换能器组的中心到所述受测试单元的中心绘制的假想线为10度与30度之间的角度被布置。
17.根据权利要求16所述的直接场声学测试系统，其中所述至少四个声学换能器组包括九个声学换能器组。
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