CN112197935A - 获取任意管长下任意频率处频响值的方法、测压管路修正方法及存储介质 - Google Patents

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陈傲
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Abstract

本发明涉及风洞测压试验技术领域，具体的为一种获取任意管长下任意频率处频响值的方法、测压管路修正方法及存储介质，本发明首先公开了一种获取任意管长下任意频率处频响值的方法，通过该方法能够直接通过该三维曲线得到任意长度测压管任意频率处的频响值，为后续修正试验提供便利；本发明还公开了一种测压管路修正方法，该方法能够对不同长度待测测压管测得的管路时域信号进行修正，提高脉动风压信号的测量精度，从而获得模型表面的真实风压；本发明还提出了一种存储介质，其上存储有计算机程序，在该计算机程序被处理器执行时实现如上所述风洞测压试验测压管路修正方法。

Description

获取任意管长下任意频率处频响值的方法、测压管路修正方 法及存储介质
技术领域
本发明涉及风洞测压试验技术领域，具体的为一种获取任意管长下任意频率处频响值的方法、测压管路修正方法及存储介质。
背景技术
在风洞试验中，测压试验是极为重要的一部分，建筑结构可利用其测得表面风压分布，桥梁结构也可利用其进行断面形状的气动特性等一系列分析。在测压时，需用一定长度的测压管将模型表面的测点与测压系统相连，然而随着建筑体型和桥梁跨度的不断增加，测压管的长度也随之增加，一些大跨度屋盖结构的测压试验甚至可达到2m多。对于静压，测压管长度的多少并不会对压力值有所影响，但对于脉动压力，风压信号在经过测压管时，便会成生失真。因此，为获得模型表面的真实风压，需对其进行管路信号修正。
压力时域信号的失真主要是由测压管、扫描阀、采集仪等组成的测压系统导致的，信号修正可以归结为求解测压系统的频响函数，即输出端与输入端信号在频域上的比值。频响函数为复数，其模为幅频函数，即信号幅值之比，辐角为相频函数，即信号相位之差。
目前，进行风洞测压管路修正试验之前由于测压管导致的信号失真，需要对其进行修正，但修正过程中，不同长度测压管在不同频率下的频响值均不同，试验时，测压管长度改变或者频率改变，对应的频响值均需要重新进行收集，导致测压管长度或者频率发生改变时需要重新对其进行修正，试验进度受到阻碍。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种获取任意管长下任意频率处频响值的方法、测压管路修正方法及存储介质，采用测压管路修正方法能够对不同长度待测测压管测得的管路信号进行修正，提高脉动风压信号的测量精度，从而获得模型表面的真实风压。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明首先提出了一种获取任意管长下任意频率处的频响值的方法，包括以下步骤：
步骤一 获取多组不同长度测压管在不同频率下的频响值，得到不同长度测压管在不同频率下的频响值离散点；
步骤二 对步骤一中获取的不同长度测压管在不同频率下的频响值离散点进行曲线拟合，得到不同长度测压管在不同频率下的频响函数曲线；
步骤三 对步骤二中获取的频响函数曲线进行三维拟合，得到不同长度测压管在不同频率下的频响函数三维曲线，由此得到任意长度测压管在任意频率处的频响值。
进一步，获取多组不同长度测压管在不同频率下的频响值的方法为：
采集多组不同长度测压管在不同频率下的时域信号；
对所述时域信号进行时频转换，得到多组不同长度测压管在不同频率下的频域信号对应的频域值；
根据所述频域值求解多组不同长度测压管在不同频率下的频域信号对应的频响值。
进一步，求解多组不同长度测压管在不同频率下的频域信号对应的频响值的方法为：
将不同长度测压管中长度最短测压管作为参考测压管(建议最短管长度不超过5cm)，其余各个长度测压管作为待测测压管，将各个设定频率下的待测测压管频域值与参考测压管频域值进行对比，待测测压管的幅值与参考测压管的幅值之比为设定频率下的幅频值，待测测压管的相位与参考测压管的相位之差为设定频率下的相频值，由此得到不同设定频率下各个不同长度待测测压管的频响函数，由此频响函数得到不同长度测压管在不同频率下的频域信号对应的频响值。
进一步，采集多组不同长度测压管在不同频率下时域信号的方法为：
对各个不同长度测压管分别在不同频率下利用MATLAB程序产生单频正弦电信号，经功率放大器和扬声器产生正弦声波，经测压系统采集，得到实时的压力值，由此得到时域信号。
进一步，对所述时域信号进行时频转换的变换方法为快速傅里叶变换法。
本发明还提出了一种风洞测压试验测压管路修正方法，包括以下步骤：
步骤A利用如上所述的获取任意管长下任意频率处的频响值的方法获取不同长度测压管在不同频率下的频响函数曲线；
步骤B利用步骤A中的不同长度测压管在不同频率下的频响函数曲线对各频域值进行修正，得到修正后的频域值；
步骤C对步骤B中得到的不同长度测压管在不同频率下修正后的频域值进行时频转换，得到不同长度测压管在不同频率下修正后的时域信号。
本发明还提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，在该计算机程序被处理器执行时实现如上所述风洞测压试验测压管路修正方法。
本发明的有益效果在于：
本发明首先提出了一种获取任意管长下任意频率处的频响值的方法，通过此方法能够得到不同长度测压管在任意频率处的频响函数三维曲线，能够直接通过该三维曲线得到任意长度测压管在任意频率处的频响值；
本发明还提出了一种风洞测压试验测压管路修正方法，通过本方法可对不同长度测压管引起的信号畸变进行修正，提高脉动风压信号的测量精度，从而获得模型表面的真实风压；
本发明还提出了一种计算机可读存储介质，该存储介质上存储有计算机程序，在该计算机程序被处理器执行时实现如上所述风洞测压试验测压管路修正方法，方便快捷。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本实施例获取任意管长下任意频率处的频响值的方法的流程图；
图2为本发明修正系统整体实施例的示意图；
图3为修正前参考时域信号与不同长度待测测压管时域信号对比图；
图4为不同长度待测测压管的幅频函数图；
图5为不同长度待测测压管的相频函数图；
图6为修正后不同长度待测测压管的时域信号与参考的时域信号对比图。
附图标记说明：
1-信号发生器；2-功率放大器；3-扬声器；4-参考测压管；5-待测测压管；6-扫描阀；7-采集仪。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例
如图2所示，为本实施例修正系统整体示意图，本次试验采用美国PSI公司生产的压力扫描阀系统，扫描阀型号为ESP-64HD微型压力扫描阀，共64通道。由于实验室内扫描阀6、采集仪7等型号固定，故本次试验只考虑由测压管长度产生的影响；
频率、管长设定的原因：根据不同工程或实验室要求，需对特别感兴趣的频率区间和管长区间进行细化试验，以便提高后期信号的修正精度，减小由曲线拟合带来的误差。
管长设定：将测压管长度作为信号修正的唯一变量。结合实际风洞测压试验的需求，选取以下15种管长：2cm，5cm，10cm，20cm，30cm，40cm，50cm，60cm，80cm，100cm，120cm，140cm，160cm，180cm，200cm，其中以最短2cm的测压管为参考测压管4，,默认其信号不发生失真，为真实信号，其余作为待测测压管5；
频率设定：虽然工程中更关心信号低频部分，但为深入研究信号失真随频率的变化规律，同时考虑到扫描阀6的最高扫描频率为1000Hz，故取试验最高频率为350Hz，共设35种频率：10Hz，20Hz，......，350Hz(10Hz为间隔设置)。
本发明首先提出了一种获取任意管长下任意频率处的频响值的方法，其方法流程图如图1所示，包括以下步骤：
步骤一 获取多组不同长度测压管在不同频率下的频响值，得到不同长度测压管在不同频率下的频响值离散点；
步骤二 对步骤一中获取的不同长度测压管在不同频率下的频响值离散点进行曲线拟合，得到不同长度测压管在不同频率下的频响函数曲线；
步骤三 对步骤二中获取的频响函数曲线进行三维拟合，得到不同长度测压管在不同频率下的频响函数三维曲线，由此得到任意长度测压管在任意频率处的频响值。
进一步，本实施例中获取多组不同长度测压管在不同频率下的频响值的方法为：
采集多组不同长度测压管在不同频率下的时域信号；
对所述时域信号进行时频转换，得到多组不同长度测压管在不同频率下的频域信号对应的频域值；
根据所述频域值求解多组不同长度测压管在不同频率下的频域信号对应的频响值。
进一步，本实施例中求解多组不同长度测压管在不同频率下的频域信号对应的频响值的方法为：
将不同长度测压管中长度最短测压管作为参考测压管，本实施例中参考测压管长度为2cm，其余各个长度测压管作为待测测压管，将各个设定频率下的待测测压管频域值与参考测压管频域值进行对比，需要说明的是，信号频域值为复数，其模为信号的幅值，辐角为相位，待测测压管的幅值与参考测压管的幅值之比为设定频率下的幅频值|H(f)|，待测测压管的相位与参考测压管的相位之差为设定频率下的相频值
Figure BDA0002730558360000041
由此得到不同设定频率下各个不同长度待测测压管的频响函数为：
Figure BDA0002730558360000042
设测得的信号时程为P0(t)，频域值为P0(f)，修正后的信号时程为P1(t)，频域值为P1(f)，则其相互关系为：
P0(f)＝fft(p0(t))
P1(f)＝fft(p1(t))
P0(f)＝P1(f)H(f)
其中f为频率，t为时间。
由此频响函数得到不同长度测压管在不同频率下的频域信号对应的频响值。
进一步，本实施例中采集多组不同长度测压管在不同频率下时域信号的方法为：
对各个不同长度测压管分别在不同频率下利用MATLAB程序产生单频正弦电信号，经功率放大器2和扬声器3产生正弦声波，经测压系统采集，得到实时的压力值，由此得到时域信号。
进一步，本实施例中对时域信号进行时频转换的变换方法为快速傅里叶变换法。
本发明还提出了一种风洞测压试验测压管路修正方法，包括以下步骤：
步骤A利用如上获取任意管长下任意频率处的频响值的方法获取不同长度测压管在不同频率下的频响函数曲线。具体的，本实施例的修正系统整体如图2所示，首先，对2cm，5cm，10cm，20cm，30cm，40cm，50cm，60cm，80cm，100cm，120cm，140cm，160cm，180cm，200cm各个不同长度测压管分别在10Hz，20Hz，......，350Hz(10Hz为间隔设置)的不同频率下，利用MATLAB程序产生的单频正弦电信号，经功率放大器2和扬声器3产生正弦声波，经测压系统采集，得到实时的压力值，由此得到时域信号，对不同长度测压管在不同频率下得到的正弦时域信号，利用快速傅里叶变换法(FFT)将其转换为相应的频域信号对应的频域值，对上述获取的不同长度测压管在不同频率下的频响值离散点进行曲线拟合，得到不同长度测压管在不同频率下的频响函数曲线H(f,L)。其中f为频率，L为测压管长度。
步骤B利用步骤A中的不同长度测压管在不同频率下的频响函数曲线对各频域值进行修正，得到修正后的频域值；
步骤C对步骤B中得到的不同长度测压管在不同频率下修正后的频域值进行时频转换，得到不同长度测压管在不同频率下修正后的时域信号。修正后的时域信号可以表示为：
Figure BDA0002730558360000051
其中，P0(t)为测得的信号时程，P0(f)为对应频域值，P1(t)为修正后的信号时程，P1(f)为对应频域值，real[]为MATLAB中的real函数，其功能是求实部。
结合以上实验思路，可以由MATLAB处理后得到如图4-图6所示的实验结果图。
如图3所示：修正前，设计一组试验，频率为100Hz、待测测压管5长度为100cm，经过待测测压管5、扫描系统的“干扰”，相对于频率100Hz、参考测压管长度为2cm的参考信号，压力时域信号的幅值与相位均有较大的失真改变，由此可见进行信号修正是很有必要的；
如图4所示：为不同长度测压管的幅频曲线，整体趋势为下降，但会有一定的起伏，有时会对信号能量进行放大，有时直接衰减；
如图5所示：为不同长度测压管的相频曲线，整体趋势也为下降，也有一定的起伏，但一定小于0，即相位一定滞后于原始信号；
如图6所示：为利用频响函数进行修正得到的结果，可以看到，各个长度的待测测压管与参考测压管对比，除峰尖外，曲线其它处两者基本吻合，达到了理想的修正效果。
误差分析：本实施例只对10Hz-350Hz中为10Hz整数倍频率进行了试验，为准确值，其余频率下为拟合曲线值，会有一定偏差。
此外，修正过程中还会有噪声干扰：在进行低频试验时，由于装置振动以及扬声器系统自身原因，难以保证声波质量，会含有较多的低频噪声，为提高试验精度，应尽可能增加信号能量的输入，同时对修正装置采取进行紧固措施，提高整体刚度，减少外部装置振动对低频的干扰。
上述信号修正功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明关于风洞测压试验测压管路修正方法这一技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种获取任意管长下任意频率处频响值的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一 获取多组不同长度测压管在不同频率下的频响值，得到不同长度测压管在不同频率下的频响值离散点；
步骤二 对步骤一中获取的不同长度测压管在不同频率下的频响值离散点进行曲线拟合，得到不同长度测压管在不同频率下的频响函数曲线；
步骤三 对步骤二中获取的频响函数曲线进行三维拟合，得到不同长度测压管在不同频率下的频响函数三维曲线，由此得到任意长度测压管在任意频率处的频响值。
2.根据权利要求1所述的获取任意管长下任意频率处的频响值的方法，其特征在于，获取多组不同长度测压管在不同频率下的频响值的方法为：
采集多组不同长度测压管在不同频率下的时域信号；
对所述时域信号进行时频转换，得到多组不同长度测压管在不同频率下的频域信号对应的频域值；
根据所述频域值求解多组不同长度测压管在不同频率下的频域信号对应的频响值。
3.根据权利要求2所述的获取任意管长下任意频率处频响值的方法，其特征在于，求解多组不同长度测压管在不同频率下的频域信号对应的频响值的方法为：
将不同长度测压管中长度最短测压管作为参考测压管，其余各个长度测压管作为待测测压管，将各个设定频率下的待测测压管频域值与参考测压管频域值进行对比，待测测压管的幅值与参考测压管的幅值之比为设定频率下的幅频值，待测测压管的相位与参考测压管的相位之差为设定频率下的相频值，由此得到不同设定频率下各个不同长度待测测压管的频响函数，由此频响函数得到不同长度测压管在不同频率下的频域信号对应的频响值。
4.根据权利要求2所述的获取任意管长下任意频率处频响值的方法，其特征在于，采集多组不同长度测压管在不同频率下时域信号的方法为：
对各个不同长度测压管分别在不同频率下利用MATLAB程序产生单频正弦电信号，经功率放大器和扬声器产生正弦声波，经测压系统采集，得到实时的压力值，由此得到时域信号。
5.根据权利要求2所述的获取任意管长下任意频率处频响值的方法，其特征在于：对所述时域信号进行时频转换的变换方法为快速傅里叶变换法。
6.一种风洞测压试验测压管路修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A 利用如权力要求1-5任一项所述的获取任意管长下任意频率处频响值的方法获取不同长度测压管在不同频率下的频响函数曲线；
步骤B 利用步骤A中的不同长度测压管在不同频率下的频响函数曲线对各频域值进行修正，得到修正后的频域值；
步骤C 对步骤B中得到的不同长度测压管在不同频率下修正后的频域值进行时频转换，得到不同长度测压管在不同频率下修正后的时域信号。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：在该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求6所述的方法。
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