CN112881019A - 一种用于常规室内实验环境下发动机噪声指向性测量方法 - Google Patents

一种用于常规室内实验环境下发动机噪声指向性测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于常规室内实验环境下发动机噪声指向性的测量方法，解决了常规实验室内由于墙面反射等原因，造成对发动机噪声辐射场的影响和破坏，从而难以对发动机进行噪声实验这一难题。通过在常规室内实验室内对航空发动机及其部件的噪声特性进行大量实验研究，将大大提高航空发动机噪声实验能力。并且依据传声器阵列实验测量方法和基于子阵列的指向性测量方法，可以在常规室内环境中精确测量得出发动机的指向特性。

Description

一种用于常规室内实验环境下发动机噪声指向性测量方法
技术领域
本发明属于航空声学和气动声学研究领域，特别涉及一种用于常规室内实验环境下发动机噪声指向性的测量方法。
背景技术
航空发动机作为一种技术密集的现代高科技产品，研制过程需要进行大量的实验，其中，进行航空发动机噪声实验是当代航空发动机研制过程中的重要内容。但是，由于航空发动机实验测试过程的复杂性，包括非常复杂的进排气系统设计、复杂的起到、机械、控制等测试系统等，大量的航空发动机实验必须在具有封闭环境的常规室内实验室进行，而这种实验室环境由于墙面反射等原因，造成对发动机噪声辐射场的影响和破坏，从而难以实现对发动机噪声实验。
通常，为了进行发动机噪声实验，往往需要将发动机安装在外部自由场环境或者在全消声室内。但是，在自由场外部环境进行试验往往影响了对发动机精细化实验测量测试仪器设备的安装限制，影响了发动机精细化的试验测量参数的获取，而且由于室外自由场环境的限制，往往都是发动机研制基本定型后才进行有限的全台发动机实验，无法进行发动机及其部件大量的研究性实验。而航空发动机复杂恶劣的工作环境(高速进排气、高温燃气排放)，使得只能进行个别发动机部件的全消声室内的实验(主要是冷端部件，没有高温燃气排放)，而且由于试验件安装、测试系统的安装等复杂性，往往只是对发动机部件研制基本定型后才进行有限的实验，也无法进行发动机部件大量的研究性实验。
通过中国知网和百度学术搜索等学术论文搜索，共搜索到相关线性传声器阵列实验技术的学术论文35篇，但是没有一篇学术论文涉及到了“航空发动机常规室内实验环境下噪声指向性测量”的内容，到目前为止，还未看到既可以规避常规的航空发动机室内试验条件下产生的噪声反射影响、又同时能够测量发动机进口噪声指向性的实验测量技术的非专利文件公开发表。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对以上提出的在常规实验室内发动机噪声测量的难题，本发明设计一种用于常规室内实验环境下发动机噪声指向性的测量方法，该测量方法，通过采用特殊的传声器布局方法安装方法和基于阵列技术的声学信号处理技术，可以实现在常规室内实验室对发动机向外辐射噪声指向性的准确识别测量。
本发明的技术方案是：一种用于常规室内实验环境下发动机噪声指向性的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立实验室系统，包括以下子步骤：
子步骤1.1：确定实验室混响时间Ti；其中Ti定义为当室内声场达到稳定后，令声源停止发声，自此刻起到声压级衰减idB所用的时间/s；
子步骤1.2：测量实验室长宽高，计算得出实验室体积V；
子步骤1.3：确定实验室混响半径rR，结合步骤1得到的实验室混响时间Ti，依据公式
Figure BDA0002903385910000021
可以得出实验室混响半径；
步骤2：在实验室系统内放置传声器阵列，要求传声器阵列中的若干传声器将传声器沿着房间的内边缘放置在地板和相邻墙壁之间，同时距离声源的距离r小于混响半径rR，使得传声器布置在声学远场处；同时保证传声器阵列位于目标声源直接声场内的前提下，声源到传声器的距离应该至少大于声波波长的一半，传声器阵列所在直线与发动机轴线平行；
步骤3：定义阵列中第m个传声器接收到的声信号Xm(t)为：
Figure BDA0002903385910000022
Xm(t)是阵列中第m个传声器接收到的声信号，s(t)是声源的声信号，依据“线性传声器阵列实验测量方法”将阵列的输出结果聚焦到发动机声源位置，如发动机进口、出口位置，得到发动机声源的成像结果分布图
Figure BDA0002903385910000031
g(列向量)为阵列的聚焦方向矢量，CSM为互谱矩阵；
步骤4：根据步骤2，将传声器沿着房间的内边缘放置在地板和相邻墙壁之间时，测量得到的声压级将增大M dB，得到最终声源分布图为
Figure BDA0002903385910000032
本发明进一步的技术方案是：所述子步骤1.1中的i取值60
本发明进一步的技术方案是：在保证传声器阵列位于目标声源直接声场内和保证声学远场的前提下，将所述传声器阵列沿着房间的内边缘布置，并沿着房间的内边缘移动线性阵列使阵列与发动机角度φ从40°到130°改变，此时的可移动线性阵列为每一个角度位置处的子阵列。
发明效果
本发明的技术效果在于：根据航空发动机常规实验室内进行声学测量的需要，本方法和现有技术相比，发明了一种能够在常规室内实验环境下进行航空发动机噪声实验的方法，解决了常规实验室内由于墙面反射等原因，造成对发动机噪声辐射场的影响和破坏，从而难以对发动机进行噪声实验这一难题。通过在常规室内实验室内对航空发动机及其部件的噪声特性进行大量实验研究，将大大提高航空发动机噪声实验能力。该方法能够将航空发动机声学实验与大量的航空发动机性能实验结合起来，使得每一次的航空发动机性能实验同时获得对发动机噪声的试验测量，这一方面将极大丰富航空发动机及其部件噪声实验数据库，特别是针对发动机及其部件不同研究方案的噪声辐射特性的对比，为低噪声航空发动机设计提供坚实的实验数据支撑。另一方面，这将极大的降低航空声学实验成本。本方法具体产生的积极效果如下所示：
(1)本发明有效抑制常规实验室内部墙面反射的复杂声学影响，解决了目前在常规实验室内由于声学环境影响无法准确测量发动机噪声的这一技术难题，实现在常规实验室进行发动机进行噪声测量，该方法根据航空发动机实验室特殊的构型特点(进排气口、发动机支撑吊挂特点等)，通过对测量传声器特殊的安放方式，可以将发动机实验室内特定墙面声波反射对发动机噪声测量的影响控制在0.5dB以内；显著提高航空发动机声学实验的能力，为航空发动机低噪声设计奠定了技术基础。
(2)本方法中的传感器阵列沿着房间的内边缘移动线性阵列使阵列与发动机成不同角度，测量计算不同角度下的发动机噪声，可以实现在常规室内实验室对发动机向外辐射噪声指向性的准确识别测量，其误差在1dB左右。
(3)本方法利用了声波信号波束成形理论，可以将传声器阵列输出结果聚焦到特定的发动机进口噪声源位置，实现对特定噪声源辐射声波的波束成形，从而有效地对常规实验室内复杂噪声反射影响的过滤。
(4)本方法采用子阵列与声源位置的指向性的变化，可以实现采用较少的传声器个数对发动机特定噪声源指向性精确测量，实验过程简洁。
附图说明
图1为“一种常规室内实验环境下发动机噪声测量的传声器布局安装方法”的方案示意图；
图2为常规实验室内声源反射情况示意图，左边的图表示放置在远离侧壁的地板上的传声器除了接收声源本身的信号外之外还至少受到三个壁面反射声波的影响，右边的图表示当传声器放置在地板和侧墙之间的边缘时，只有对面墙壁和屋顶的反射声波才能到达传声器；
图3为子阵列的指向性测量示意图；
图4为实验传声器阵列放置方式示意图；
图5为常规实验室内发动机进口、外涵出口、内涵出口噪声源识别结果；
图6为常规实验室内发动机进口噪声源指向性测量结果；
图7为常规实验室内发动机外涵出口噪声源指向性测量结果；
图8为常规实验室内发动机内涵出口噪声源指向性测量结果；
图中a为传声器阵列，b为墙面，c为放置传声器的水平支撑板，d为发动机进口，e为发动机外涵出口，f为发动机内涵出口。
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4，一种常规室内实验环境下发动机噪声测量的传声器布局安装方法，包括以下步骤：
步骤一，确定常规实验室混响时间T60，T60定义为当室内声场达到稳定后，令声源停止发声，自此刻起到声压级衰减60dB所用的时间/s。
步骤二，测量实验室长宽高，计算得出实验室体积V。
步骤三，确定常规实验室混响半径rR。根据步骤一得到的混响时间T60，依据公式
Figure BDA0002903385910000051
可以得出实验室混响半径。
步骤四，依据步骤三得出的混响半径rR，使传声器距离声源的距离r小于混响半径rR，此时传声器处于直接声场区，在该区域内，直达声信号的强度要远远大于任何由环境反射引起的混响声信号，可以有效减少反射信号的影响。
步骤五，为了保证传声器接收的信号能代表声音向远场的传播，要将传声器布置在声学远场处。根据步骤四，在保证传声器阵列位于目标声源直接声场内的前提下，声源到传声器的距离应该至少大于声波波长的一半。
步骤六，根据步骤四和步骤五，在保证传声器阵列位于目标声源直接声场内和保证声学远场的前提下，为了减少来自实验室墙壁的反射，提高传声器阵列的信噪比，如图1，将传声器沿着房间的内边缘放置在地板和相邻墙壁之间以减少墙面反射。沿房间内缘放置的传声器只会受到对面墙壁和测试室屋顶的反射，而不会受到相邻墙壁的反射，如图2所示。此时壁面对入射声波产生全反射，使测量得到的声信号幅值增大一倍，即声压级增大6dB。
2、线性传声器阵列实验测量方法
通过传声器阵列扫描发动机轴向方向的声源，利用了声波信号波束成形理论，将传声器阵列输出结果聚焦到特定的发动机进口噪声源位置，实现对特定噪声源辐射声波的波束成形，从而有效地对常规实验室内复杂噪声反射影响的过滤。
步骤七，根据步骤一至六得出的传声器布置方式，考虑自由场点声源s(t)辐射的噪声被M个传声器构成的传声器阵列所接收，阵列中第m个传声器接收到的声信号Xm(t)为：
Figure BDA0002903385910000061
定义Pm(f)＝FFT(Xm(t))，S(f)＝FFT(s(t))，Xm(t)是阵列中第m个传声器接收到的声信号，s(t)是声源的声信号，FFT()指对信号做傅里叶变换，Pm(f)是Xm(t)的傅里叶变换结果，S(f)是s(t)的傅里叶变换结果。将上式
Figure BDA0002903385910000062
进行傅里叶变换可得到
Figure BDA0002903385910000063
步骤八，定义阵列的聚焦方向矢量g(列向量)为g＝col[g1,g2,…,gm,…,gM]，此处
Figure BDA0002903385910000064
定义p＝row[P1,P2,…,Pm,…,PM](p为行向量)，则步骤七中的
Figure BDA0002903385910000071
可以写为
Figure BDA0002903385910000072
声源功率谱密度PSD(Power Spectral Density)为
Figure BDA0002903385910000073
互谱矩阵CSM的计算方法为
Figure BDA0002903385910000074
步骤九，根据步骤八计算得出的方向矢量g和互谱矩阵CSM，对关注的包含声源位置的空间位置点一一进行扫描，为了有效地对常规实验室内复杂噪声反射影响进行过滤，将扫描的空间位置点聚焦到特定的发动机进口噪声源位置，实现对特定噪声源辐射声波的波束成形，即可得到声源的分布图：
Figure BDA0002903385910000075
步骤十，根据步骤六，将传声器沿着房间的内边缘放置在地板和相邻墙壁之间时，测量得到的声压级将增大6dB，因此，最终的声源分布图为
Figure BDA0002903385910000076
参见图3，线性阵列根据“常规室内实验环境下发动机噪声测量的传声器布局安装方法”，在保证传声器阵列位于目标声源直接声场内和保证声学远场的前提下，沿着房间的内边缘布置，并沿着房间的内边缘移动线性阵列使阵列与发动机角度φ从40°到130°改变。依据“线性传声器阵列实验测量方法”计算得出不同角度下阵列对发动机的声源识别结果，即得出不同角度下的发动机声源，从而实现对发动机指向性的精确测量。依据本方法计算得出不同角度下阵列对发动机的声源识别结果，即得出不同角度下的发动机声源大小。综合不同角度下的发动机声源识别结果，可得到发动机各噪声源的指向性分布，即发动机各噪声源声压级随角度的变化规律。
下面通过一具体实例，对本方法进行进一步解释说明。1、采用BK4296全指向性声源产生一标准噪声(白噪声)，同时在室内布置4个随机位置的麦克风，信号稳定之后，将声源突然关闭，根据麦克风测量得到的时域信号可以获得混响时间T60的大小，对于频率为1000Hz的声信号，测量得到混响时间T60＝0.4s。
2、测量得到实验室长宽高尺寸为8.4m×6m×2.7m，根据尺寸计算得出实验室体积V＝136.08m3。
3、依据公式
Figure BDA0002903385910000081
计算得出实验室混响半径，对于1000Hz的声信号，rR＝1.051m，故应使传声器距离声源的距离r＜rR。
4、频率测量范围一般为1000Hz至10000Hz，为了保证传声器布置在声学远场处声源到传声器的距离r应该至少大于声波波长的一半，对于最小的频率1000Hz，波长为0.34m，即
Figure BDA0002903385910000082
5、依据
Figure BDA0002903385910000083
将传声器阵列沿房间内边缘放置。
6、根据线性传声器阵列实验测量方法，测量得出发动机声源分布，见图5。图5中横坐标为发动机轴线位置坐标，纵坐标为声源声压级大小，可见，成功将发动机进口、外涵出口、内涵出口这三个噪声源分离识别了出来，分离识别位置误差不大于0.05m。
7、移动子阵列，测量得出不同角度下的发动机噪声，综合得到发动机噪声源辐射指向性，见图6、7、8。图6、7、8分别为发动机进口噪声源、外涵出口噪声源、内涵出口噪声源的指向性，图中横坐标分别为移动子阵列与发动机进口、外涵出口、内涵出口之间的指向角度，纵坐标为这三个声源在不同指向角度下的声压大小，可见基于常规实验室内的发动机噪声指向性测量方法成功的分离得到了发动机进口、外涵出口、内涵出口三个声源的指向性。

Claims (3)

1.一种用于常规室内实验环境下发动机噪声指向性的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立实验室系统，包括以下子步骤：
子步骤1.1：确定实验室混响时间Ti；其中Ti定义为当室内声场达到稳定后，令声源停止发声，自此刻起到声压级衰减idB所用的时间/s；
子步骤1.2：测量实验室长宽高，计算得出实验室体积V；
子步骤1.3：确定实验室混响半径rR，结合步骤1得到的实验室混响时间Ti，依据公式
Figure FDA0002903385900000011
可以得出实验室混响半径；
步骤2：在实验室系统内放置传声器阵列，要求传声器阵列中的若干传声器将传声器沿着房间的内边缘放置在地板和相邻墙壁之间，同时距离声源的距离r小于混响半径rR，使得传声器布置在声学远场处；同时保证传声器阵列位于目标声源直接声场内的前提下，声源到传声器的距离应该至少大于声波波长的一半，传声器阵列所在直线与发动机轴线平行；
步骤3：定义阵列中第m个传声器接收到的声信号Xm(t)为：
Figure FDA0002903385900000012
Xm(t)是阵列中第m个传声器接收到的声信号，s(t)是声源的声信号，依据“线性传声器阵列实验测量方法”将阵列的输出结果聚焦到发动机声源位置，如发动机进口、出口位置，得到发动机声源的成像结果分布图
Figure FDA0002903385900000013
g(列向量)为阵列的聚焦方向矢量，CSM为互谱矩阵；
步骤4：根据步骤2，将传声器沿着房间的内边缘放置在地板和相邻墙壁之间时，测量得到的声压级将增大M dB，得到最终声源分布图为
Figure FDA0002903385900000014
2.如权利要求1所述的一种用于常规室内实验环境下发动机噪声指向性的测量方法，其特征在于，所述子步骤1.1中的i取值60。
3.如权利要求1所述的一种用于常规室内实验环境下发动机噪声指向性的测量方法，其特征在于，在保证传声器阵列位于目标声源直接声场内和保证声学远场的前提下，将所述传声器阵列沿着房间的内边缘布置，并沿着房间的内边缘移动线性阵列使阵列与发动机角度φ从40°到130°改变，此时的可移动线性阵列为每一个角度位置处的子阵列。
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