CN112161814A - 一种平面叶栅尾缘噪声识别测量方法与装置 - Google Patents

一种平面叶栅尾缘噪声识别测量方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种平面叶栅尾缘噪声识别测量方法与装置，可以通过调节“半消声室内无相差全反射线性阵列支撑本体装置”，方便地调整传声器阵列与平面叶栅的相对位置，以适应不同叶栅声源识别测量需要；可以通过调节“线性阵列本体上传声器安装卡座”在支撑本体中的位置，以优化传声器阵列的布局，提高声源识别精度；该项发明“一种平面叶栅尾缘噪声识别测量方法与装置”，解决了半消声室地面反射引起的传声器接收信号相位变化，可以精确实现传声器阵列波束成形，并且由于其方便可靠的传声器阵列安装方式，确保了在高速气流吹风实验中传声器能够稳定的保持在固定测量位置，实验过程可靠、简洁、实用。

Description

一种平面叶栅尾缘噪声识别测量方法与装置
技术领域
本发明属于航空声学和气动声学研究领域的实验气动声学里领域，涉及一种平面叶栅尾缘噪声识别测量方法与装置。
背景技术
随着航空发动机涵道比的不断增大，航空发动机喷流噪声得到显著降低，目前航空叶轮机(风扇、压气机、涡轮)噪声成为航空发动机主要噪声源，而航空叶轮机主要噪声源则分布在叶轮机叶片的前缘与尾缘，而平面叶栅实验则是进行叶轮机气动力学和噪声研究的重要实验手段，因此，采用实验测量方法对叶轮机平面叶栅的叶片尾缘噪声进行实验测量，对于航空发动机噪声研究具有重要的价值。
但是，由于叶轮机平面叶栅实验总是要采用至少3个叶片以上的叶栅试验器才能完成对叶轮机内叶栅流场的模拟，由于叶栅实验中多叶片的设计特点，而且在实验过程中还由于叶栅喷流、叶片前缘、风洞来流等噪声源的存在，使得如何单独识别测量叶栅尾缘噪声成为一个复杂问题，目前对于叶栅噪声研究，往往采用单独的传声器测量一个总噪声进行研究，无法精确定量判断叶片尾缘噪声。
综合国家知识产权局综合服务平台的专利检索，到目前为止，还没有可以进行叶片尾缘噪声识别的传声器阵列实验测量技术的专利技术。
发明内容
针对目前平面叶栅噪声实验测量中上述问题和技术困难，该项发明专利公开了“一种叶轮机平面叶栅噪声试验声学测量装置”，这种测量方法和装置，可以进行叶栅尾缘噪声识别。
本发明的技术方案是：一种平面叶栅尾缘噪声识别测量方法，包括以下步骤：
步骤1：确定线性传声器阵列与被测对象相对位置，包括以下子步骤：
子步骤1.1：确定声源空间间距：根据平面叶栅出口平面几何尺寸、叶片数等确定被测声源空间间距；由于声源空间间距与叶片之间间距相等，因而通过测量叶片之间的间距可以知道声源空间间距；
子步骤1.2：确定声源测量频率范围；
子步骤1.3：传声器阵列设计：已知步骤一的声源空间间距和步骤二中的频率测量范围，根据实际中使用的传声器数目，基于公式
Figure BDA0002693052290000021
确定传声器阵列与测量对象的相对位置L、H，L为传声器阵列到叶栅尾缘地面投影的距离，H为叶栅尾缘与地面的距离；其中0.5≤C≤1，
Figure BDA0002693052290000022
是声源所在平面与阵列平面之间的距离/m，λ是声波波长，D是线性阵列长度；C是由几何布局决定的常数系数，取值范围为0.5≤C≤1；
步骤2：挪动传声器阵列位置，使阵列位置与被测量对象，即平面叶栅叶片尾缘位置满足步骤1中计算的相对位置L、H；
步骤3：将传声器信号线连接到计算机数据采集处理系统采集数据，通过CLEAN-SC算法得出叶片尾缘噪声结果。
本发明进一步的技术方案是：所述子步骤1.2中的测量频率范围为1000-10000Hz。
本发明进一步的技术方案是：一种平面叶栅尾缘噪声识别测量方法的测量装置，包括线性传声器阵列2、支撑装置和安装卡座，其中线性传声器阵列2通过安装卡座固定在支撑装置上；
所述线性传声器阵列2包括若干传声器，在支撑装置上均匀线性布置；定义每个线性传声器阵列2到叶栅尾缘地面投影的距离为L，缘与地面的距离为H。
在已知传声器数目前提下，基于公式
Figure BDA0002693052290000023
确定传声器阵列与平面叶栅叶片尾缘的相对位置L、H，0.5≤C≤1，
Figure BDA0002693052290000031
是声源所在平面与阵列平面之间的距离/m，λ是声波波长，D是线性阵列长度，C是由几何布局决定的常数系数。
本发明进一步的技术方案是：所述支撑装置为支撑桌，包括台面6、台面支撑8和底座垫环10；其中台面支撑8为桌脚，桌脚上设有高度调节孔，上下调节好高度后通过螺栓进行高度固定；底座垫环10位于桌脚底部，用于调整线性传声器阵列平面与地面平行。
本发明进一步的技术方案是：所述安装卡座包括卡片11和垫片12；所述卡片11为圆弧状，两端固连在台面6上，传声器通过卡片11固定在台面上，且传声器和卡片11之间通过垫片12隔开，防止实验过程中传声器与卡片不能完全贴合产生震动影响实验效果。
有益效果
根据叶轮机平面叶栅吹风实验的特点，发明了能够识别叶栅中每一个叶片尾缘噪声源的实验测量方法，并且可以精确识别特定叶片噪声源。
在实验中，可以通过调节“半消声室内无相差全反射线性阵列支撑本体装置”，方便地调整传声器阵列与平面叶栅的相对位置，以适应不同叶栅声源识别测量需要；可以通过调节“线性阵列本体上传声器安装卡座”在支撑本体中的位置，以优化传声器阵列的布局，提高声源识别精度；该项发明“一种平面叶栅尾缘噪声识别测量方法与装置”，解决了半消声室地面反射引起的传声器接收信号相位变化，可以精确实现传声器阵列波束成形，并且由于其方便可靠的传声器阵列安装方式，确保了在高速气流吹风实验中传声器能够稳定的保持在固定测量位置，实验过程可靠、简洁、实用。
本发明涉及叶轮机平面叶栅吹风实验的叶片尾缘噪声识别实验测试方法”该方法对不同的实验对象，通过对传声器阵列传声器间隔优化布局，可以达到对叶片尾缘噪声精细化测量。半消声室内无相差全反射线性阵列支撑装置用于与平面叶栅出口测量平面的对接，相对角度与方向严格按照尾缘噪声识别而确定，传声器安装在该平面上，使得接收声波实现入射声波与反射声波无相位差，从而实现阵列的波束成形。安装卡座及传声器安装方式设置在所述线性阵列本体上，确保每个传声器在一个平面内，安装卡座严格按照传声器间隔要求设置；传声器依次沿前述安装卡座按照优化的间隔布局安装在前述阵列支撑本体上，用于检测所述平面叶栅吹风实验中传出的声波强度大小。
附图说明
图1为“一种平面叶栅尾缘噪声识别测量方法与装置”的总体方案示意图；
图2为“消声室内无相差全反射线性阵列支撑本体装置”示意图；
图3为“传声器安装卡座及传声器头部构造”示意图；
图4为现有“BSWA1/4英寸预极化自由场电容式传声器头部构造”示意图。图中：1—扫描线；2—线性传声器阵列；3—线性传声器阵列扫描面；4—平面叶栅叶片尾缘；5—出口气流方向；6—线性传声器阵列；7—台面；8—台面支撑；9—台面高度调节孔；10—底座垫环；11—卡片；12—垫片；13—阵列支撑本体台面；14—固定螺孔；15—弹性装置；16—压力平衡毛细管；17—输出端；18—石英绝缘子；19—背板；20—防护格栅；21—振动膜；22—平衡调节线圈
具体实施方式
参见图1—图4，实验中，使用安装卡座(如图3)将传声器固定于线性阵列支撑装置上(如图2)，调整支撑装置使得线性阵列与平面叶栅叶片尾缘相对位置满足图1要求。之后采集实验数据，经过CLEAN-SC算法处理可以得出叶栅尾缘噪声识别结果。
本发明的技术方案包括：
1、“一种平面叶栅尾缘噪声识别测量方法与装置”总体实验测量方案
本项发明“一种平面叶栅尾缘噪声识别测量方法与装置”的总体实验技术方案示意图如附图1所示。
如图1所示，平面叶栅试验段安装在半消声室内，在与叶栅额线方向平行的全反射线性阵列支撑本体上安装线性传声器阵列(32个传声器)，阵列中心与测量叶栅叶片尾缘中心处于相同的气流方向上，通过阵列对沿额线方向的叶栅出口平面的扫描及波束成形(CLEAN-SC算法)，完成对叶栅额线方向不同叶片尾缘噪声源的分离识别，然后在对特定叶片尾缘中心叶展方向与额线方向局部扫描面(如图所示)和波束成形，实现对平面叶栅尾缘噪声平均强度的精确测量。
2、半消声室内无相差全反射线性阵列支撑本体装置
本专利发明了“半消声室内无相差全反射线性阵列支撑本体装置”，将传声器感受头与支撑本体硬壁面紧密结合，从而消除了反射声波与入射声波相位差，从而使得每一个传声器接收到的声源声波信号之间的相位仅仅与声源距离相关，能够实现阵列信号波束成形计算。为了消除声波散射衍射现象，无相差全反射线性阵列支撑本体装置的横向纵向几何尺寸必须大于测量声波波长，本专利确定的无相差全反射线性阵列支撑本体装置选用L(长度)×W(宽度)矩形台板。如附图2给出了消声室内无相差全反射线性阵列支撑本体装置图。
3、线性阵列本体上传声器安装卡座及传声器
将阵列中每一个传声器按照阵列确定的位置统一安装在线性阵列本体上，一方面要保证阵列中每个传声器感受头具有统一的安装方向，以保证每个传声器接收信号指向性相同，另一方面，需要固定好传声器，不能在叶栅吹风实验中被气流冲动，又要不给测量空间形成多余的声波反射。如附图3给出了线性阵列本体上传声器安装卡座装置图。本专利实验装置选用声望声电(BSWA)公司生产的1/4英寸预极化自由场电容式传声器，如附图4所示。该传声器的有效频率范围为20Hz～20kHz，最大可测量168dB的声压信号，工作温度范围为-50～+110℃，环境温度系数为0.01dB/K，环境压力系数为dB/Pa。
本专利采用的传声器，其依次沿所述安装卡座间隔的安装在阵列支撑本体上，用于检测所述平面叶栅吹风实验中传出的声波强度大小。实验中采用声级校准器在每次测量开始前对所有通道的传声器进行实时标定，所用的校准器能够在1000Hz产生稳定的114dB声压信号，通过校准准确度可以达到。
一种平面叶栅尾缘噪声识别测量方法包括以下步骤：
步骤1：确定线性传声器阵列与被测对象相对位置
1.1确定声源空间间距：根据平面叶栅出口平面几何尺寸、叶片数等确定被测声源空间间距(即如图1所示相邻叶片的额线距离)。由于声源空间间距与叶片之间间距相等，因而通过测量叶片之间的间距可以知道声源空间间距。
1.2确定声源测量频率范围：依据国际标准组织(ISO)建议，航空领域声源测量频率范围为50-10000Hz。本发明在1000-10000Hz有较好的识别效果，故测量频率范围为1000-10000Hz。
1.3传声器阵列设计：已知声源空间间距和频率测量范围，根据实验中使用传声器数目(M＝32)，基于公式
Figure BDA0002693052290000061
可以确定传声器阵列与测量对象的相对位置L、H(如图1)。其中C是由几何布局决定的常数系数，0.5≤C≤1，
Figure BDA0002693052290000062
是声源所在平面与阵列平面之间的距离/m，λ是声波波长，D是线性阵列长度。公式中，D是阵列大小，D一定时M越大(即传声器数量越多)识别效果越好。在公式中可以得到h，而
Figure BDA0002693052290000071
实验中根据场地限制可以自由选取L和H的参数，只要h满足要求即可。
步骤2：确定传声器阵列支撑本体装置尺寸
实验测量噪声的频率范围为1000Hz-10000Hz，最低频率为1000Hz，即最大波长是0.34m，在能够消除声波散射衍射现象的条件下，无相差全反射线性阵列支撑装置的横向纵向几何尺寸T(长度)×W(宽度)可以确定为：T>D,W>0.34m。
步骤3：采用附图3所示传声器安装卡座，将每一个传声器固定在阵列支撑本体装置固定位置上。
步骤4：挪动阵列支撑本体，使阵列位置与被测量对象(即图1中的平面叶栅叶片尾缘)位置满足步骤1中计算的相对位置L、H。
步骤5：将传声器信号线连接到计算机数据采集处理系统采集数据，通过CLEAN-SC算法得出叶片尾缘噪声结果。

Claims (5)

1.一种平面叶栅尾缘噪声识别测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定线性传声器阵列与被测对象相对位置，包括以下子步骤：
子步骤1.1：确定声源空间间距：根据平面叶栅出口平面几何尺寸、叶片数等确定被测声源空间间距；
子步骤1.2：确定声源测量频率范围；
子步骤1.3：传声器阵列设计：已知步骤一的声源空间间距和步骤二中的频率测量范围，根据实际中使用的传声器数目，基于公式
Figure FDA0002693052280000011
确定传声器阵列与测量对象的相对位置L、H，L为传声器阵列到叶栅尾缘地面投影的距离，H为叶栅尾缘与地面的距离；其中0.5≤C≤1，
Figure FDA0002693052280000012
是声源所在平面与阵列平面之间的距离/m，λ是声波波长，D是线性阵列长度；C是由几何布局决定的常数系数，取值范围为0.5≤C≤1；
步骤2：挪动传声器阵列位置，使阵列位置与被测量对象，即平面叶栅叶片尾缘位置满足步骤1中计算的相对位置L、H；
步骤3：将传声器信号线连接到计算机数据采集处理系统采集数据，通过CLEAN-SC算法得出叶片尾缘噪声结果。
2.如权利要求1所述的一种平面叶栅尾缘噪声识别测量方法，其特征在于，所述子步骤1.2中的测量频率范围为1000-10000Hz。
3.基于权利要求1所述的一种平面叶栅尾缘噪声识别测量方法的测量装置，其特征在于，包括线性传声器阵列(2)、支撑装置和安装卡座，其中线性传声器阵列(2)通过安装卡座固定在支撑装置上；
所述线性传声器阵列(2)包括若干传声器，在支撑装置上均匀线性布置；定义每个线性传声器阵列(2)到叶栅尾缘地面投影的距离为L，缘与地面的距离为H。在已知传声器数目前提下，基于公式
Figure FDA0002693052280000021
确定传声器阵列与平面叶栅叶片尾缘的相对位置L、H，0.5≤C≤1，
Figure FDA0002693052280000022
是声源所在平面与阵列平面之间的距离/m，λ是声波波长，D是线性阵列长度，C是由几何布局决定的常数系数。
4.权利要求3述的一种平面叶栅尾缘噪声识别的测量装置，其特征在于，所述支撑装置为支撑桌，包括台面(6)、台面支撑(8)和底座垫环(10)；其中台面支撑(8)为桌脚，桌脚上设有高度调节孔，上下调节好高度后通过螺栓进行高度固定；底座垫环(10)位于桌脚底部，用于调整线性传声器阵列平面与地面平行。
5.利要求3或4所述的一种平面叶栅尾缘噪声识别的测量装置，其特征在于，所述安装卡座包括卡片(11)和垫片(12)；所述卡片(11)为圆弧状，两端固连在台面(6)上，传声器通过卡片(11)固定在台面上，且传声器和卡片(11)之间通过垫片(12)隔开，防止实验过程中传声器与卡片不能完全贴合产生震动影响实验效果。
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