CN112179662A - 与转子同步锁相旋转传声器阵列声模态测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种与转子同步锁相旋转传声器阵列声模态测量装置和方法，主要由测量内部管道、两个旋转法兰、两个密封圈、异步电机、主动驱动齿轮、被动驱动齿轮，传声器紧固装置、传声器以及光电传感锁相装置组成。传声器通过紧固装置安装与测量内部管道上，并保证传声器探头与测量内部管道内壁平齐；测量内部管道间接通过驱动步进电机驱动，并保证周向旋转角度满足测量误差需求；在采集声压信号的同时，通过光电传感锁相记录叶片旋转速度与相位，进一步对声压信号进行相位筛选。本发明装置既可以通过旋转传声器阵列拓宽声模态采集范围，又能通过光电传感锁相装置同步声采集信号与光电信号以达到周向测量位置处的声学信号之间的相位差恒定的效果。

Description

与转子同步锁相旋转传声器阵列声模态测量装置和方法

技术领域

本发明属于管道声模态检测领域，尤其涉及一种发动机管道宽频噪声声模态测量装置及方法。

背景技术

随着先进航空发动机以及流体机械设计向强三维流动模型的方向发展，使得当前先进航空发动机和流体机械噪声表现为如下两个显著特点:第一，发动机管道内的声模态表现为强三维模态结构的特征，管道声模态测试必须既测量周向模态，又必须测量径向模态，仅仅测量周向模态无法正确获得发动机管道内真实声模态结构；第二，随着发动机声学设计水平的不断提高，航空发动机噪声研究的重点逐渐变为湍流宽频噪声，而湍流宽频噪声由于声波频范围的增大以及声波频谱成分的复杂性，使得发动机管道内宽频噪声声模态数目显著增加，声模态结构极为复杂，这对发动机管道声模态测量提出了更高的要求。

针对以上发动机管道声模态测量的需求，现有的发动机管道声模态实验测量方法普遍存在如下三个方面严重的缺陷，使得其无法适应当前对发动机湍流宽频噪声试验测量的需求。第一，对于高阶的周向模态测量，目前普遍采用密集分布的周向传声器阵列，最多可能达到上百个传声器，但是，这样的传声器阵列仅仅能够测量其所在位置的周向模态，无法从其中分解出径向模态；第二，在径向模态测量中，目前普遍采用径向测量耙，但是在发动机通道中的径向测量耙必然产生尾迹流动，这个尾迹与发动机转子相干涉，就会产生额外的噪声源，污染了研究对象的噪声信号，无法准确研究发动机的噪声信号。第三，由于航空发动机及其流体机械都是典型的旋转机械，这类机械内部非定常气流及其产生的湍流宽频噪声信号，表现出了典型的以发动机旋转周期为特征的各态历经随机信号，对于这类随机信号，为了提高信号的稳定性，就必须对其按照旋转周期为基础的信号集平均的信号处理方法，这就要求旋转的测量装置必须保证在每个测量时刻测量的信号按照旋转周期而“同相”。目前对航空发动机湍流宽频噪声信号处理，普遍按照一般随机信号处理，没有按照周期性旋转的各态历经随机信号进行实验测量，这种方法破坏了原有发动机湍流宽频噪声的基本特征，造成实验结果的失真。

针对以上发动机管道声模态测量的需求，需要一种能够有效、准确测量航空发动机管道内湍流宽频噪声声模态的测试方法。

发明内容

本项发明专利针对现有航空发动机湍流宽频噪声实验测量中所存在的上述问题和技术困难，目的在于提供一种切实有效的旋转传声器阵列装置与管道声模态识别方法来克服或解决上述技术难题。

本发明的技术方案是：与转子同步锁相旋转传声器阵列声模态测量装置，包括测量内部管道、两个旋转法兰、密封垫圈、异步电机、主动驱动齿轮、被动驱动齿轮，传声器紧固装置、传声器以及光电传感锁相装置；测量内部管道的两端通过圆锥滚子轴承分别与旋转法兰连接，测量内部管道和两个旋转法兰之间分别通过密封结构进行密封；传声器紧固装置固定于测量内部管道的外壁面；异步电机安装于一侧旋转法兰上。

本发明进一步的技术方案是：所述测量内部管道的壁面上设有多个孔，传声器通过传声器紧固装置垂直安装于机匣壁面上的孔内，并保证传声器探头与测量内部管道的内壁平齐。

本发明进一步的技术方案是：所述传声器紧固装置利用螺栓安装与测量内部管道的外壁面，在中部镂空部分可安装多个M12制式电缆防水密封接头，用于夹装固定传声器。

本发明进一步的技术方案是：还包括角度刻度尺，所述角度刻度尺粘贴在测量内部管道的外壁面上，便于对异步电机的行进步长进行校准。

本发明进一步的技术方案是：旋转法兰两端设有螺栓孔，便于与安装与待测管道之间。

本发明进一步的技术方案是：主动驱动齿轮安装与异步电机上，被动驱动齿轮固定于测量内部管道外部。异步电机、主动驱动齿轮、被动驱动齿轮的旋转精度满足测量要求。

本发明进一步的技术方案是：使用过程中将旋转段部件的两端安装与待测发动机、风扇的进出口管道；将光电传感锁相装置安装在转子叶片前的轮毂处，用于监控转子转速并采集相位信息。

本发明进一步的技术方案是：利用通过测量内部管道旋转采集不同周向位置的声压信息，利用在内部管道轴向布置的传声器采集不同轴向位置的声压信息，利用安装在转子叶片前的光电传感锁相装置采集相位信息。之后通过数据处理器利用采集的相位信息对非同步采集的周向声压信息进行“同相”处理。

本发明进一步的技术方案是：与转子同步锁相旋转传声器阵列声模态测量装置的方法，包括以下步骤：

步骤一：开启实验对象，发动机进入实验测试工作状态。

步骤二：声学测量过程

将步进电机控制器与计算机采集处理系统进行连接，由计算机数据采集处理系统向步进电机发出控制信号，待计算机数据采集控制系统根据步进电机“步进”完成后的反馈信号，启动传声器阵列声波信号采集系统和光电传感锁相装置相位信号采集系统，同步工作；在每完成一次声波信号采集和相位信号采集后，计算机数据采集处理系统再次向步进电机发出控制信号，使测量内部管道旋转一定角度，进一步进行该角度的声波信号采集和相位信号采集，依次往复，完成对所有周向位置的声波信号采集和相位信号采集；

步骤三：数据处理：利用光电传感锁相装置采集的相位信号对不同周向位置采集的声波信号进行相位筛选，完成“锁相”工作，采用“集平均技术”对传声器阵列噪声随机信号每个周向位置信号进行“集平均”处理。得到不同周向、轴向位置的声压信号。步骤四：宽频噪声管道声模态识别与分解方法，包括以下子步骤：

实验测试完成后，一共可以得到N_x个轴向位置以及N_φ个周向位置，共计N_x×N_φ个声压信号；两个位置为(x,r,φ)和(x′,r′,φ′)的声压测点，在单个频率处其互谱可以表示为：

S_pp′＝＜p(x,r,φ)p^*(x′,r′,φ′)＞ (1)

式中：上标*表示复数共轭，在线性假设下，测量声压信号p与模态幅值

组成的向量a相关：

a＝[a₁ a₂ a₃ … a_K-1 a_K]^T (2)

式中：K表示模态向量的长度，其值等于该频率处截通模态个数的两倍(有前传声波和后传声波)。测量声压信号p可以表示为系数矩阵G和径向模态幅值向量a的乘积形式，考虑到测试误差最终可以表示为：

p＝Ga+e (3)

为了提高求解精度，降低测试误差对宽频噪声模态识别的影响，需要使误差的平方

达到最小化，这时公式(12)的最优估计变成了：

式中：G⁺＝(G^HG)^-1G^H表示系数矩阵G的伪逆矩阵。那么管道宽频噪声模态幅值向量a之间的互谱可以写为：

可以进一步表示为：

式中T→∞表示测试时的时间平均次数已足够大，信号已足够稳定。最终，径向模态幅值的互谱矩阵可以表示为声压互谱的函数形式：

S_aa＝G⁺S_pp(G⁺)^H (7)

其中两个测点处声压信号的互谱为：

联合公式(14)可以求得各个模态幅值的平方项

通过式管道声模态的知识就可以求出顺流和逆流传播的模态声功率和管道内总声功率。

有益效果

本发明针对背景中所述现有发动机管道声模态实验测量中普遍存在的三个严重缺陷，通过“旋转传声器阵列”有效地减少传声器数目；通过“线性传声器阵列”代替“径向耙式传声器阵列”有效地避免了径向测量耙产生尾迹与发动机转子干涉形成的污染信号；通过“光电传感锁相装置与旋转传声器阵列同步锁相技术”提高了信号的稳定性，在减少传声器数目的同时保证了声压数据的准确性。具体如下：

1.本发明提供的与转子同步锁相旋转传声器阵列装置，将沿着轴向分布的线性传声器阵列安装在测量内部管道上，通过将所述测量内部管道旋转一周，完成对待测发动机管道多个周向以及轴向位置声压信号的测量，从而有效减少传声器的使用数目，例如：将由14个传声器构成的轴向传声器阵列通过所述传声器紧固装置固定在测量内部管道上，将步进电机单次脉冲带动齿轮旋转的角度调整为6度，通过控制步进电机的脉冲数来控制声学测量的旋转角度，在测量内部管道旋转一周后，一共可以得到 60×14＝840个传声器所测声压信号。因此，可以有效地通过14个传声器模拟出840 个传声器的声压信号，有效地减少传声器的使用数目。

2.本发明提供的与转子同步锁相旋转传声器阵列装置，可以通过采用轴向传声器阵列，实现了对径向模态测量，由于测量过程中并未使用径向测量耙，从而避免了在发动机通道中植入径向测量耙所产生的尾迹与发动机转子干涉效应，避免引入额外的噪声源，可以更加准确地测量研究发动机的噪声信号。

3.本发明提供的与转子同步锁相旋转传声器阵列装置，通过光电传感锁相装置与旋转轴向传声器阵列配套使用。光电传感锁相装置工作原理在行业内公知：光线从发射器射出，在传播到接收器的路径中会经过被测物体(发动机转子)，当被测物体以一定频率经过这条光束时(发动机旋转速度)，接收器感受到的会是脉冲式的光信号，经过光电转化最终形成脉冲的电压信号。该脉冲信号可以用来监测发动机某个特定转子叶片的周向位置和发动机的实时转速。因此，通过将两者配合使用就可以实现，在通过轴向传声器阵列记录多个周向、轴向声压信号的同时，利用光电传感锁相装置检测并记录风扇叶片的周向位置和风扇的实时转速，通过公知的锁相方式，对每个测量时刻测量的声压信号按照旋转周期进行“同相”化处理，从而提高了信号的稳定性，并有效监控湍流宽频噪声信号。

附图说明

图1为本发明装置中旋转段部件示意图；

图2为本发明装置中旋转段部件的剖面图；

图3本发明装置中传声器夹部件正视图；

图4本发明装置中传声器夹部件左视图；

图5本发明装置中传声器夹部件剖视图；

图6光电传感锁相装置采集到的时间脉冲信号；

图7通过旋转传声器阵列得到的传声器测点位置；

图8实例中旋转段以及光电传感锁相装置安装位置；

图9实例风扇的最大截通模态数；

图10实例风扇80％转速下模态识别结果；

图11实例风扇100％转速下模态识别结果。

具体实施方式

参见图1—图11，下面结合附图和实例，对本发明作进一步详细的说明实现本发明的技术方案如下：一种发动机管道宽频噪声声模态测量装置,主要由测量内部管道、两个旋转法兰、两个密封圈、异步电机、主动驱动齿轮、被动驱动齿轮，传声器紧固装置、传声器以及光电传感锁相装置组成。

其中，传声器采用声望声电(BSWA)公司生产的1/4英寸预计化传声器，光电传感锁相装置安装与待测风扇的转子叶片处，转子单次旋转可测量到单次脉冲信号。需要说明的是，光电传感锁相装置可在市场内购买得到，多种型号可供选择(如:E18-D80NK)，只需满足测量精度即可。在得到光电信号后，进一步通过公知的“锁相”原理对声压信号进行同相位化处理。

另外，测量内部管道的两端通过圆锥滚子轴承分别连接一个旋转法兰，两个密封圈位于测量内部管道、两个旋转法兰之间；传声器紧固装置固定于测量内部管道的外壁面；异步电机安装于一侧旋转法兰上。

进一步地，通过驱动异步电机带动安装在异步电机轴上的主动驱动齿轮，然后利用主动驱动齿轮带动固定于测量内部管道外部的被动驱动齿轮，从而实现所述测量内部管道能够相对于发动机管道旋转。

进一步地，本发明所述测量内部管道的壁面上设有多个通孔，传声器可通过M12制式电缆防水密封接头夹紧，并利用传声器紧固装置中的镂空部分调整轴向位置，便于传声器与所述测量内部管道的壁面上的多个通孔对齐位置并插入，另外，安装传声器过程中应保证传声器探头部与测量内部管道的内壁面平齐。

进一步地，本发明所述测量内部管道的外壁面上粘贴有角度刻度尺便于对异步电机的行进步长进行校准。

进一步地，本发明所述旋转法兰两端设有螺栓孔，便于与安装与待测管道之间。

进一步地，本发明所述主动驱动齿轮安装与异步电机上，被动驱动齿轮固定于测量内部管道外部。异步电机、主动驱动齿轮、被动驱动齿轮的旋转精度满足测量要求。

进一步地，本发明所述光电传感锁相装置与旋转传声器阵列配套使用，安装于转子前缘的机匣壁面，用于检测转子转动位置，并记录为光电信号。

本发明测试装置工作时，通过两端的旋转法兰该装置安装于待测管道上，通过角度刻度尺标定异步电机的驱动步长；将光电传感锁相装置安装于转子前缘的机匣壁面。管道内壁的声场测量由安装与测量内部管道的轴向传声器承担，在初始位置通过安装与测量内部管道上的传声器采集一段时间的声压信号，在声压信号采集过程的同时通过光电传感锁相装置采集是光电信号记录风扇转子相位信息；然后通过异步电机带动驱动齿轮调整测量内部管道的周向位置，再通过传声器采集一段时间的声压信号，同时通过光电传感锁相装置记录风扇转子相位信息。依次往复实现对不同周向角度上声压信号和转子相位信息的测量。通过所述测量内部管道旋转一周，完成对所述发动机管道多个周向以及轴向位置声压信号的测量，然后利用记录的风扇转子相位信息，通过数据处理器对所述多个声压信号进行行业内成熟的“同相”化处理。

1.轴向线性阵列设计以及传声器夹装方法

1.1传声器个数以及步进电机单次脉冲步长确定方法

业内公知，对于圆形/环形硬壁管道内的声场而言，声波方程的解是由不同模态波线性叠加而成，模态波进一步可以区分为周向模态以及径向模态。管道声模态的最高截通模态阶数与发动机管道形状、气流参数、关注的频率范围等有关，根据管道声模态传播声模态传播理论确定待测发动机管道内传播声模态最高阶数，假设需要分解的最大周向模态阶数为M，需要分解的最大径向模态阶数为N，则根据奈奎斯特采样定理，如果要将入射模态波和反射入射波都分离开，至少需要在4N个轴向位置布置周向传声器阵列，每个周向传声器阵列至少需要2M+1个传声器。由此，可以确定组成轴向传声器阵列所需的传声器个数，同时可以通过控制步进电机单次脉冲确定周向传声器阵列所需的传声器个数。

1.2轴向传声器间距确定方法

要减小管道声模态的测量误差，壁面传声器阵列轴向间距要保证在一定的范围之内。关于这个问题，业内研究人员已经做了大量的研究工作，这里不再给出具体的推导过程，只给出一个常用的结论，即传声器阵列轴向间距要满足下式：

0.1π(1-Ma²)＜α_m0·ω·s/c₀＜0.8π(1-Ma²)m＝0,1,2… (9)

式中，Ma为马赫数；ω为角频率；c₀为当地声速；α_mn＝c₀·k_mn/ω；k_mn为声波轴向波数，s表示传声器阵列轴向间距。上限确定了能够测量的最大频率，下限确定了能够测量的最小频率。在使用壁面传声器阵列对管道声模态识别测量中，为了提高测量的频率范围，可以通过减小轴向传声器间距增大频率上限，同时可以通过增加轴向传声器圈数降低频率下限(主要是增加壁面传声器阵列总的轴向长度)。通常来说，频率下限影响不大，主要是频率上限要满足该式的要求。

1.3旋转机匣段设计以及传声器夹装

根据前面两步骤确定的轴向传声器个数以及间距，可以确定出能够容纳满足声学测量的测量内部管道的最小轴向长度。进一步地，通过待测管道的内径与外径确定测量内部管道的内径与外径，按照视图加工出旋转机匣段。同时，为了满足测量的要求，传声器探头部件应与测量内部管道的内壁面平齐，因此，在夹装传声器过程中，首先通过传声器紧固装置的镂空部分调整轴向位置，便于传声器与所述测量内部管道的壁面上的多个通孔对齐位置并插入，其次调成传声器安装深度，待传声器探头部件与测量内部管道的内壁面平齐时，利用M12制式电缆防水密封接头夹紧传声器，放置松动。

2.锁相装置安装方法

锁相装置以及原理在航空发动机流场动态测量领域已经十分成熟，市面上有各种锁相装置以及配套软件可供选购，本发明所用的锁相装置用的是光电传感锁相装置。具体安装步骤如下：首先，将反光贴纸张贴于轮毂处，其次，在转子前缘的机匣壁面安装光电传感锁相装置。通过该装置，发动机工作过程中转子单次旋转可测量到单次光电脉冲信号。

3.转子同步锁相旋转传声器阵列工作原理

待前两步完成后，整个设备就完成了安装，接下来着重介绍工作步骤。

3.1开启实验对象，发动机进入实验测试工作状态。

3.2声学测量过程

将步进电机控制器与计算机采集处理系统进行连接，由计算机数据采集处理系统向步进电机发出控制信号，待计算机数据采集控制系统根据步进电机“步进”完成后的反馈信号，启动传声器阵列声波信号采集系统和光电传感锁相装置相位信号采集系统，同步工作。在每完成一次声波信号采集和相位信号采集后，计算机数据采集处理系统再次向步进电机发出控制信号，使测量内部管道旋转一定角度，进一步进行该角度的声波信号采集和相位信号采集，依次往复，完成对所有周向位置的声波信号采集和相位信号采集。

3.3数据处理

自此声波信号以及相位信号就采集完成，进一步地，利于光电传感锁相装置采集的相位信号对不同周向位置采集的声波信号进行相位筛选，完成“锁相”工作，再采用“集平均技术”对传声器阵列噪声随机信号每个周向位置信号进行“集平均”处理。得到不同周向、轴向位置的声压信号。

4、宽频噪声管道声模态识别与分解方法

互相关宽频噪声模态分解法是利用所有测点之间的的互功率谱密度函数，将径向模态幅值互谱矩阵与测量得到的声压互谱矩阵进行了关联，最终基于统计平均方法计算出宽频噪声模态相干函数频谱结果。如图5，实验测试完成后，一共可以得到N_x个轴向位置以及N_φ个周向位置，共计N_x×N_φ个声压信号。两个位置为(x,r,φ)和(x′,r′,φ′)的声压测点，在单个频率处其互谱可以表示为：

S_pp′＝＜p(x,r,φ)p^*(x′,r′,φ′)＞ (10)

式中：上标*表示复数共轭，在线性假设下，测量声压信号p与模态幅值

组成的向量a相关：

a＝[a₁ a₂ a₃ … a_K-1 a_K]^T (11)

式中：K表示模态向量的长度，其值等于该频率处截通模态个数的两倍(有前传声波和后传声波)。测量声压信号p可以表示为系数矩阵G和径向模态幅值向量a的乘积形式，考虑到测试误差最终可以表示为：

p＝Ga+e (12)

为了提高求解精度，降低测试误差对宽频噪声模态识别的影响，需要使误差的平方

达到最小化，这时公式(12)的最优估计变成了：

式中：G⁺＝(G^HG)^-1G^H表示系数矩阵G的伪逆矩阵。那么管道宽频噪声模态幅值向量a之间的互谱可以写为：

可以进一步表示为：

式中T→∞表示测试时的时间平均次数已足够大，信号已足够稳定。最终，径向模态幅值的互谱矩阵可以表示为声压互谱的函数形式：

S_aa＝G⁺S_pp(G⁺)^H (16)

其中两个测点处声压信号的互谱为：

联合公式(14)可以求得各个模态幅值的平方项

通过式管道声模态的知识就可以求出顺流和逆流传播的模态声功率和管道内总声功率

实施实例

对一台单级轴流低速风扇进行宽频噪声管道声模态实验测量，风扇试验台的设计转速为3000rpm，压比1.02，直径0.5m，设计流量6.3kg/s，通过交流变频电机驱动(功率18.5kW)。风扇试验台有19个转子叶片和18个静子叶片。为了提高噪声测量精度，实验是在半消声室内进行的。实验安装简图如图所示。将两列由14个传声器构成的轴向传声器阵列安装在旋转段31上，步进电机驱动旋转段31每6度旋转一次，将光电传感锁相装置21安装在转子41前的机匣壁面上，实验中将光电传感锁相装置21采集的相位信号以及旋转段31上传声器采集的声压信号整合到数据处理器11中，对声压信号进行“同相”化处理。进一步地，利用所述宽频噪声管道声模态识别与分解方法对该风扇试验台的进口管道声模态进行识别分析。

该风扇的周向模态、径向模态最大截通模态数如图6所示。通过本发明，可以有效地将声模态识别频率范围拓宽至3000Hz。

图10与图11分别为该风扇80％以及100％转速下的模态分解结果。根据实验结果可以看出，通过本发明，可以有效地分离出前传声波以及后传声波，也可以有效地对不同转速工况的风扇管道声模态进行识别。

Claims (9)

1.与转子同步锁相旋转传声器阵列声模态测量装置，其特征在于，包括测量内部管道(1)、两个旋转法兰(2)、密封垫圈(3)、异步电机(4)、主动驱动齿轮(5)、被动驱动齿轮(6)，传声器紧固装置(7)、传声器以及光电传感锁相装置；测量内部管道(1)的两端通过圆锥滚子轴承分别与旋转法兰(2)连接，测量内部管道(1)和两个旋转法兰(2)之间分别通过密封结构进行密封；传声器紧固装置(7)固定于测量内部管道(1)的外壁面；异步电机(4)安装于一侧旋转法兰(2)上。

2.如权利要求1所述的与转子同步锁相旋转传声器阵列声模态测量装置，其特征在于，所述测量内部管道(1)的壁面上设有多个孔，传声器通过传声器紧固装置(7)垂直安装于机匣壁面上的孔内，并保证传声器探头与测量内部管道(1)的内壁平齐。

3.如权利要求1所述的与转子同步锁相旋转传声器阵列声模态测量装置，其特征在于，所述传声器紧固装置(7)利用螺栓安装与测量内部管道(1)的外壁面，在中部镂空部分可安装多个M12制式电缆防水密封接头，用于夹装固定传声器。

4.如权利要求1所述的与转子同步锁相旋转传声器阵列声模态测量装置，其特征在于，还包括角度刻度尺，所述角度刻度尺粘贴在测量内部管道(1)的外壁面上，便于对异步电机的行进步长进行校准。

5.如权利要求1所述的与转子同步锁相旋转传声器阵列声模态测量装置，其特征在于，旋转法兰(2)两端设有螺栓孔，便于与安装与待测管道之间。

6.如权利要求4所述的与转子同步锁相旋转传声器阵列声模态测量装置，其特征在于，主动驱动齿轮(5)安装与异步电机(4)上，被动驱动齿轮(6)固定于测量内部管道(1)外部；异步电机(4)、主动驱动齿轮(5)、被动驱动齿轮(6)的旋转精度满足测量要求。

7.如权利要求1所述的与转子同步锁相旋转传声器阵列声模态测量装置，其特征在于，使用过程中将旋转段部件(31)的两端安装与待测发动机、风扇的进出口管道；将光电传感锁相装置(21)安装在转子叶片(41)前的轮毂处，用于监控转子转速并采集相位信息。

8.如权利要求1所述的与转子同步锁相旋转传声器阵列声模态测量装置，其特征在于，利用通过测量内部管道(1)旋转采集不同周向位置的声压信息，利用在内部管道(1)轴向布置的传声器采集不同轴向位置的声压信息，利用安装在转子叶片(41)前的光电传感锁相装置(21)采集相位信息；之后通过数据处理器(11)利用采集的相位信息对非同步采集的周向声压信息进行“同相”处理。

9.基于权利要求1所述的与转子同步锁相旋转传声器阵列声模态测量装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：开启实验对象，发动机进入实验测试工作状态；

步骤二：声学测量过程

将步进电机控制器与计算机采集处理系统进行连接，由计算机数据采集处理系统向步进电机发出控制信号，待计算机数据采集控制系统根据步进电机“步进”完成后的反馈信号，启动传声器阵列声波信号采集系统和光电传感锁相装置相位信号采集系统，同步工作；在每完成一次声波信号采集和相位信号采集后，计算机数据采集处理系统再次向步进电机发出控制信号，使测量内部管道旋转一定角度，进一步进行该角度的声波信号采集和相位信号采集，依次往复，完成对所有周向位置的声波信号采集和相位信号采集；

步骤三：数据处理：利用光电传感锁相装置采集的相位信号对不同周向位置采集的声波信号进行相位筛选，完成“锁相”工作，采用“集平均技术”对传声器阵列噪声随机信号每个周向位置信号进行“集平均”处理；得到不同周向、轴向位置的声压信号；

步骤四：宽频噪声管道声模态识别与分解方法，包括以下子步骤：

实验测试完成后，一共可以得到N_x个轴向位置以及N_φ个周向位置，共计N_x×N_φ个声压信号；两个位置为(x,r,φ)和(x′,r′,φ′)的声压测点，在单个频率处其互谱可以表示为：

S_pp′＝<p(x,r,φ)p^*(x′,r′,φ′)> (1)

式中：上标*表示复数共轭，在线性假设下，测量声压信号p与模态幅值

组成的向量a相关：

a＝[a₁ a₂ a₃ … a_K-1 a_K]^T (2)

式中：K表示模态向量的长度，其值等于该频率处截通模态个数的两倍；测量声压信号p可以表示为系数矩阵G和径向模态幅值向量a的乘积形式，考虑到测试误差最终可以表示为：

p＝Ga+e (3)

为了提高求解精度，降低测试误差对宽频噪声模态识别的影响，需要使误差的平方

达到最小化，这时公式(3)的最优估计变成了：

式中：G⁺＝(G^HG)^-1G^H表示系数矩阵G的伪逆矩阵；那么管道宽频噪声模态幅值向量a之间的互谱可以写为：

可以进一步表示为：

式中T→∞表示测试时的时间平均次数已足够大，信号已足够稳定；最终，径向模态幅值的互谱矩阵可以表示为声压互谱的函数形式：

S_aa＝G⁺S_pp(G⁺)^H (7)

其中两个测点处声压信号的互谱为：

联合公式(5)可以求得各个模态幅值的平方项

通过式管道声模态的知识就可以求出顺流和逆流传播的模态声功率和管道内总声功率。

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