CN112856154B - 一种用于声学指向性测量的多自由度阵列支架 - Google Patents

一种用于声学指向性测量的多自由度阵列支架 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于声学指向性测量的多自由度阵列支架，主要若干个多自由度支杆、三段圆弧支架以及多个支撑三脚架组成。使用过程中，多自由度支杆一端通过其底部螺纹与圆弧支架上表面的铆接螺母连接，支撑三脚架通过顶部螺纹与圆弧支架下表面的铆接螺母连接；传声器通过多自由度支杆另一端传声器夹头固定，并保证传声器探头对准待测物体；通过多自由度支杆可以实现不同角度，以及小幅度高度范围和半径范围的声学测点调控；通过支撑三脚架可以实现声学测点大幅度范围的高度变化；通过多段圆弧支架可以实现声学测点大幅度范围的半径变化，以及指向性测量角度的变化。本发明装置可以极大地提高声学指向性测量阵列支架的普适性和便捷性，减小了实验的时间成本以及资金花费。

Description

一种用于声学指向性测量的多自由度阵列支架
技术领域
本发明属于声学远场测量领域，特别涉及一种用于声学指向性测量的多自由度阵列支架及安装方法。
背景技术
在声学实验及声学测试中，噪声源产生的噪声辐射特性尤为重要。为了捕捉噪声源产生的声波辐射特性，就需要在不同的半径、角度以及固定的高度处布置若干个传声器，借助由多个传声器组成的传声器阵列来获得多个声学采集点的实验数据。进一步地，通过分析并处理不同位置处测量得到的实验数据，就可以得到声源的噪声辐射特性。因此，在对叶片、叶栅以及叶轮机械进行噪声辐射特性研究以及参数化降噪设计实验研究中，该实验手段一直作为主要方式被广泛采用。
然而，现有的声学指向性传声器阵列支架大多需要根据真实的测量对象来量身定做，缺少普适性和便捷性；同时，在针对叶片、叶栅进行噪声辐射特性研究以及参数化降噪设计实验研究中，会不可避免地对叶片、叶栅以及叶栅通道的形状进行修改，这样做会使得指向性测量点位置也产生相应的变化。因此，传统的声学指向性传声器阵列支架会不可避免地产生以下几点问题：一.传统声学指向性传声器阵列支架的半径、角度以及高度不能改变，阵列形状一旦确定就无法根据实际情况进行调整，就不可避免地会对测量结果产生不良影响；二.在更换实验测量对象后，就需要重新定制声学指向性传声器阵列支架，长此以往，不仅增加了实验的时间成本也增加了实验的资金花费。
针对声学实验和声学测试的需要，就需要一种多自由度、可拆卸的声学指向性传声器阵列支架。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了解决上述声学远场测量技术的缺陷和难点，本发明涉及一种用于声学指向性测量的多自由度阵列支架及安装方法。
本发明的技术方案是：一种用于声学指向性测量的多自由度阵列支架，包括多自由度支杆、圆弧支架和支撑三脚架；多自由度支杆通过其底部的螺栓与圆弧支架上表面的铆接螺母连接固定，支撑三脚架通过其底部的螺栓与圆弧支架下表面的铆接螺母连接固定。
本发明进一步的技术方案是：多自由度支杆的使用数目由指向性测量点数目决定，每一段圆弧支架的支撑三脚架不应小于三个，保证稳定性；且圆弧支架的两端设有接口，便于将多个圆弧支架组装到一起，以扩大测量角度范围。
本发明进一步的技术方案是：所述的多自由度支杆在使用过程中一端通过螺栓与铆接螺母连接固定于圆弧支架上表面，另一端安装传声器夹头，通过传声器夹头将传声器探头对准待测物体后固定。
本发明进一步的技术方案是：所述多自由度支杆的一端固定于圆弧支架上表面，另一端安装有传声器夹头，在使用过程中，将传声器通过传声器夹头固定，保证传声器探头对准待测物体。
本发明进一步的技术方案是：所述圆弧支架可加工多组不同中径的，便于适用于不同的声学远场测量实验，当实验对象以及实验环境改变时，需要变换声学指向性测量半径，此时通过组合多段不同中径的圆弧支架，以适应实验对象以及实验环境来满足测量要求。
本发明进一步的技术方案是：在圆弧支架以及支撑三脚架表面粘贴有吸音海绵，便于减少圆弧支架以及支撑三脚架壁面对声学实验的干扰。
本发明进一步的技术方案是：所述多自由度支杆由2个圆头螺杆，2段头部可360度旋转的中空支杆，1个旋转把手，以及传声器安装夹组成。
本发明进一步的技术方案是：所述中空支杆内部有一根调控顶杆,在使用过程中，将多自由度支杆的圆头螺杆以及中空支杆调整至合适位置后，通过拧紧旋转把手，利用旋转把手内部的倾斜凸台与调控顶杆相互作用锁死整个多自由度支杆系统，起到固定整个多自由度支杆的作用。
发明效果
本发明的技术效果在于：本发明适用于声学指向性测量领域，有效地解决了声学远场测量过程中由于研究对象和测量环境等因素改变带来的一系列问题。同时本装置成本低廉，可以显著减少实验所需的经济成本和时间成本，并提高实验效率和精度。本发明具体产生的有益效果如下：
(1)在测量过程中需要在支杆表面粘贴有吸声海绵，从而减少支架对声场的反射作用，提高声场的测量精度。
(2)本阵列支架通过“多自由度支杆”有效地实现了指向性测量点半径、高度以及角度小幅度的调节。通过拼接不同半径的“圆弧支架”有效地实现了指向性测量点半径大幅度的调节并拓宽测量角度。通过“支撑三脚架”有效地实现了指向性测量点高度的大幅度调节，并保证了总体结构的稳定性。本装置通过所述多自由度支杆(1)实现指向性测量点半径、高度以及角度小幅度的调节，通过拼接不同半径的圆弧支架(2)实现指向性测量点半径大幅度的调节并拓宽测量角度，通过支撑三脚架(3)实现指向性测量点高度的大幅度调节。
(3)本发明中，多自由度支杆的加工数目较多，在联系工厂加工时也会适当降低单个成本，约为300～500元/个，圆弧支架约为800元/段，支撑三脚架约为150元/个。虽然单次制作的价格高于传统的声学指向性传声器阵列支架，但是在应对不同实验对象时，避免了加工定制实验测量阵列支架所需的时间成本和经济成本。
(4)于本发明的各个部件均可拆卸，便于替换，因此在赴不同实验地点时，可以将本发明的各个部件拆解运输，这样不仅可以减少运输成本，也可以降低部件由于运输不确定性因素导致损坏的概率。同时，本发明中各个部件之间的容易安装，专业人员可以在1小时内完成整体的组装与调试。
附图说明
图1为本发明装置的总体安装图
图2为本发明装置中圆弧支架部件示意图；
图3为本发明装置中多自由度支杆部件示意图；
图4为本发明装置中多自由度支杆部件内部构造示意图；
图5为本发明装置中多自由度支杆部件内部构造剖视图；
图6为本发明装置中多自由度支杆部件的旋转把手示意图；
图7为远场指向性测量点周向及径向位置示意图；
图8为风扇远场指向性测量结果(2400RPM)；
图9为风扇远场指向性测量结果(2700RPM)；
图10为风扇远场指向性测量结果(3000RPM)；
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参见图1-图6，一种用于声学指向性测量的多自由度阵列支架，其特征在于，包括若干个多自由度支杆1、三段圆弧支架2以及多个支撑三脚架3；为了便携性与易操控性，三个主体部件之间通过螺栓/螺母连接，使用过程中通过螺栓/螺母将各个部件锁死。多自由度支杆1通过其底部螺纹与圆弧支架2上表面的铆接螺母连接，支撑三脚架3通过顶部螺纹与圆弧支架2下表面的铆接螺母连接。
所述多自由度支杆1的一端固定于圆弧支架2上表面，另一端安装有传声器夹头13，在使用过程中，将传声器通过传声器夹头固定，保证传声器探头对准待测物体。所述圆弧支架2的两端设有对接口，便于将多个圆弧支架2组装到一起。本实施例中，可以加工多组不同中径的圆弧支架2，便于适用于不同半径的声学远场测量实验中。在圆弧支架2以及支撑三脚架3表面粘贴有吸音海绵，便于减少对声学实验的干扰。多自由度支杆1由2个圆头螺杆12，2段头部可360度旋转的中空支杆11，1个旋转把手14，以及传声器安装夹13组成。中空支杆11内部由一根调控顶杆15,在使用过程中，将多自由度支杆1的圆头螺杆12以及中空支杆11调整至合适位置后，通过拧紧旋转把手14，利用旋转把手14内部的倾斜凸台与调控顶杆15相互作用，起到固定整个多自由度支杆1位置的作用。在圆弧支架2以及支撑三脚架3表面粘贴有吸音海绵，便于减少对声学实验的干扰。
此外，本发明还提供如下附属技术方案：
圆弧支架由中空圆管压制，这样，既可以减小重量，又可以最大限度的保证其稳定性。在使用过程中，将多自由度支杆的圆头螺杆以及中空支杆调整至合适位置后，通过拧紧旋转把手，利用旋转把手内部的倾斜凸台与调控顶杆相互作用，起到固定整个多自由度支杆位置的作用。
参见图7，对于一种用于声学指向性测量的多自由度阵列支架的安装方法，包括以下步骤：
首先，需要确定远场测点的位置。在该步骤中，首先利用铅垂线将声源点位置投影至地面，而后利用地规画出两条圆弧。其中，对于圆弧一，半径较大且与圆弧支架的中径一致，用于固定确定圆弧支架的位置；对于圆弧二，半径较小，其半径为远场测点的半径。
进一步地，在圆弧二上每隔5度做一个记号，即为远场测点的径向与周向位置。
然后，将传声器安装在传声器安装夹中，通过调节多自由度阵列支架，并利用铅垂线，使得传声器头部与圆弧二上每隔5度的记号对应。在该步骤中，只需拧紧旋转把手即可完成多自由度支杆的固定工作。
最后通过调节支撑三脚架的高度，使得传声器正对声源位置。至此，本发明的多自由度阵列支架安装以及传声器的安装就完成了。
图8-图10为利用本发明进行风扇远场指向性测量的结果图。专有名词：PRM(转/分钟)；OASPL(总声压级，单位:dB)。具体操作过程见“实施实例”。
下面结合具体实例，对本发明进行进一步解释说明。
对一台单级轴流低速风扇进行实验测量，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。
首先，以风扇进口圆心为声源中心点，利用铅垂线在地面画出圆心。然后，如图7所示，以进口中心线位置为起点，画出半径为R＝5m，总角度为90度的1/4圆弧，并每5度标记一次作为各个测量点的周向与径向位置，再画出半径为r＝5.1m，总角度为90度的1/4圆弧。进一步地，将2段圆弧支架安装在一起，再在底部安装支撑三脚架后，放置在半径为r的圆弧上。而后，将16个多自由度支杆安装在圆弧支架上，并夹装传声器，保证传声器头的周向与径向位置与地表上的各个测量点对应。之后，调整高度。并微调角度使得各个传声器头与风扇进口圆心高度一致，并对准风扇进口圆心。
之后，将传声器与声学采集器连接，就可以开展声学测量工作。
进行公知的总声压级处理方法，将该单级轴流低速风扇测得的声学指向性结果展示为图8-图10，可以看出，利用本发明的多自由度阵列支架可以明显地区分不同测点位置，不同工况的风扇指向性信号。由于，支架表面粘贴有吸声海绵，因此对声学测量并未产生明显不良影响。此外，本发明便携性强、易组装、自由度高，可适用多种不同工作环境，有很好的工程运用价值。

Claims (6)

1.一种用于声学指向性测量的多自由度阵列支架，其特征在于，包括多自由度支杆(1)、圆弧支架(2)和支撑三脚架(3)；多自由度支杆(1)通过其底部的螺栓与圆弧支架(2)上表面的铆接螺母连接固定，支撑三脚架(3)通过其底部的螺栓与圆弧支架(2)下表面的铆接螺母连接固定；多自由度支杆(1)的使用数目由指向性测量点数目决定，每一段圆弧支架(2)的支撑三脚架(3)不应小于三个，保证稳定性；且圆弧支架(2)的两端设有接口，便于将多个圆弧支架(2)组装到一起，以扩大测量角度范围；所述的多自由度支杆(1)在使用过程中一端通过螺栓与铆接螺母连接固定于圆弧支架(2)上表面，另一端安装传声器夹头(13)，通过传声器夹头(13)将传声器探头对准待测物体后固定；本装置通过所述多自由度支杆(1)实现指向性测量点半径、高度以及角度小幅度的调节，通过拼接不同半径的圆弧支架(2)实现指向性测量点半径大幅度的调节并拓宽测量角度，通过支撑三脚架(3)实现指向性测量点高度的大幅度调节；
所述多自由度阵列支架采用以下步骤安装：
步骤一：确定远场测点的位置；在该步骤中，首先利用铅垂线将声源点位置投影至地面，而后利用地规画出两条圆弧；其中，对于圆弧一，半径较大且与圆弧支架的中径一致，用于固定确定圆弧支架的位置；对于圆弧二，其半径为远场测点的半径；
步骤二：将传声器校准后，通过调节多自由度阵列支架，并利用铅垂线，使得传声器头部与圆弧二上每隔5度的记号对应；对应完成后，拧紧旋转把手，完成对自由度支杆和传声器的锁死；
步骤三：重复步骤三，直至所有传声器都安装完毕并对准声源；
步骤四：调节支撑三脚架的高度，使得传声器正对声源位置；
步骤五：开始试验，使目标声源发声，利用传声器的采集器记录各个传声器的声压信号；
步骤六：更换试验对象，改变远场测点的位置，调整与之半径匹配的圆弧支架，重复上述步骤二到步骤五的内容，完成下一组试验采集。
2.如权利要求1所述的一种用于声学指向性测量的多自由度阵列支架，其特征在于，所述多自由度支杆(1)的一端固定于圆弧支架(2)上表面，另一端安装有传声器夹头(13)，在使用过程中，将传声器通过传声器夹头固定，保证传声器探头对准待测物体。
3.如权利要求1所述的一种用于声学指向性测量的多自由度阵列支架，其特征在于，所述圆弧支架(2)可加工多组不同中径的，便于适用于不同的声学远场测量实验，当实验对象以及实验环境改变时，需要变换声学指向性测量半径，此时通过组合多段不同中径的圆弧支架(2)，以适应实验对象以及实验环境来满足测量要求。
4.如权利要求1所述的一种用于声学指向性测量的多自由度阵列支架，其特征在于，在圆弧支架(2)以及支撑三脚架(3)表面粘贴有吸音海绵，便于减少圆弧支架(2)以及支撑三脚架(3)壁面对声学实验的干扰。
5.如权利要求1所述的一种用于声学指向性测量的多自由度阵列支架，其特征在于，所述多自由度支杆(1)由2个圆头螺杆(12)，2段头部可360度旋转的中空支杆(11)，1个旋转把手(14)，以及传声器夹头(13)组成。
6.如权利要求1所述的一种用于声学指向性测量的多自由度阵列支架，其特征在于，所述中空支杆(11)内部有一根调控顶杆(15),在使用过程中，将多自由度支杆(1)的圆头螺杆(12)以及中空支杆(11)调整至合适位置后，通过拧紧旋转把手(14)，利用旋转把手(14)内部的倾斜凸台与调控顶杆(15)相互作用锁死整个多自由度支杆系统，起到固定整个多自由度支杆(1)的作用。
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