CN114034379A - 一种基于直达声场的封闭空腔噪声试验平台搭建方法 - Google Patents

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CN114034379A CN202111314206.8A CN202111314206A CN114034379A CN 114034379 A CN114034379 A CN 114034379A CN 202111314206 A CN202111314206 A CN 202111314206A CN 114034379 A CN114034379 A CN 114034379A
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Abstract

本发明公开一种基于直达声场的封闭空腔降噪试验平台搭建方法，属于航天声振测试领域。针对现有测试方法试验周期长、成本高、对建造场地要求高且不能满足大型试验件测试要求等问题。本方法首先建立包含封闭空腔试验件的直达声场有限元模型，并通过等效声源方法，取代扬声器声源的完整建模以提升计算效率；然后通过仿真手段选取合理的扬声器阵列数、试验环境、试件放置区域等因素，并根据仿真结果指导直达声场试验平台的搭建从而开展封闭空腔的噪声试验。本发明基于直达声场试验平台对封闭空腔试件开展噪声试验，有利于降低试验成本、缩短试验周期，可用于航天领域中封闭空腔型试件的噪声测试中。

Description

一种基于直达声场的封闭空腔噪声试验平台搭建方法
技术领域
本发明涉及一种基于直达声场的封闭空腔降噪试验平台搭建方法，属于航天声振测试领域。
背景技术
封闭空腔内噪声控制技术在航空航天、船舶、工业等多个领域具有极大的应用价值，典型的应用包含火箭整流罩内噪声控制、潜艇舱内降噪、空间站噪声控制等等。为了验证降噪措施的有效性，需要开展相应的噪声试验。
目前封闭空腔噪声测试试验主要采用混响室、行波场等形式开展。混响室是一种能在所有边界上反射声能并使之充分扩散，形成各处能量密度均匀并且在各传播方向作无规分布的扩散场的声学实验室。使用气源在混响室内产生需要的声谱以模拟封闭空腔外部经受的噪声环境，可以得到空腔内部的声场情况，从而检验降噪措施的可靠性。混响室实验具有能容纳大型试验件、噪声均匀的优点，但是也存在一些不足：对建造场地要求较高、试验周期长、试验成本高、空间不便等。行波声场试验是通过设计行波管构型使得管内试验段产生平面声波的试验手段，能够模拟高声强的噪声环境，一般用于模拟小型航天器组件的受试环境，受限于试验段管道尺寸，无法满足大型试验件测试要求。
发明内容
针对现有测试方法试验周期长、成本高、对建造场地要求高且不能满足大型试验件测试要求等问题，本发明公开一种基于直达声场的封闭空腔噪声试验平台搭建方法，目的是简化封闭空腔噪声试验平台的搭建，降低试验成本、缩短试验周期、提高试验平台对不同测试件的适应性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明公开的一种基于直达声场的封闭空腔噪声试验平台搭建方法，首先建立包含封闭空腔试验件的直达声场有限元模型，并通过等效声源方法，取代扬声器声源的完整建模以提升计算效率；然后通过仿真手段选取合理的扬声器阵列数、试验环境、试件放置区域等因素，并根据仿真结果指导直达声场试验平台的搭建，从而开展封闭空腔的噪声试验，降低试验成本、缩短试验周期、提高试验平台对不同测试件的适应性。
本发明公开的一种基于直达声场的封闭空腔噪声试验平台搭建方法，包括以下步骤：
步骤一、建立直达声场仿真模型。
通过仿真手段建立直达声场试验平台模型，根据计算结果和封闭空腔试验件尺寸选择直达声场扬声器的最优摆放距离，从而指导噪声试验平台的搭建。
步骤1.1划分声场有限元网格。
将试验件放于扬声器阵列中心位置，为保证试验件所在区域声场的均匀性，需要先建立不含试验件的空场模型，通过仿真确定扬声器阵列数量、摆放空间等因素。
步骤1.2建立扬声器等效声源。
通过传感器获得单个扬声器的声压级频谱，然后通过等效公式(1)确定等效声源的声压级，并定义到扬声器振膜所在的平面。
Figure BDA0003343034820000021
式中p为声压，v为速度，ρ为空气密度，c为空气中声速。
为确定等效声源，需要结合平面波叠加理论和速度边界等效方法，计算每个扬声器对应的速度边界面的速度数值。先假设所有扬声器中第i个扬声器对应速度边界面作用面积为Si，有效声压为pi，直达声场内需要达到的声压为pTotal，平均声能密度为
Figure BDA0003343034820000026
为保证声场内能量尽可能的均匀分布，须满足激励作用面上单位面积声能量相等，即满足公式(2)：
Figure BDA0003343034820000022
因为介质为空气，声速和密度为常数，(2)式简化为：
Figure BDA0003343034820000023
扬声器阵列中的声场某一点实际主要受到该点所在水平面同层扬声器的激励作用，当考虑扬声器阵列数为n列时，根据平均声能量叠加关系可知：
Figure BDA0003343034820000024
扬声器规格一致，所以Si均相等，结合(1)、(4)式得速度边界面定义公式为：
Figure BDA0003343034820000025
步骤1.3定义边界条件。
扬声器箱体位置设置为反射边界，设置地面区域为反射面模拟地面的反射作用。由于扬声器阵列顶部以及阵列间空隙会导致声波散射，为更符合实际，所述面定义为无反射边界，使得声波能够从这些空隙中自由通过。
步骤二、确定扬声器列数和环境。
扬声器阵列列数以及摆放环境对声场均匀性产生影响，通过仿真计算对扬声器列数和摆放位置提出要求。
步骤2.1确定直达声场试验环境。
分别建立直达声场位于狭小室内以及位于开阔空间(或者壁面做过消声处理)的仿真模型，通过计算比较二者的声场响应差异，选择出适合的试验环境。
步骤2.2确定直达声场扬声器阵列数量。
保持扬声器阵列总声压级输出不变，建立不同阵列数量的数值仿真模型，通过计算对比得到不同扬声器阵列数对声场的影响，确定试验扬声器阵列数量。
步骤三、搭建直达声场试验平台。
步骤3.1扬声器摆放。
将扬声器阵列按步骤二放置。
步骤3.2平台搭建。
连接声源系统、采集系统以及试验件，随后即可开展封闭空腔的噪声实验。
步骤四、根据保证试验件所处区域均匀性要求，确定有效的试验区域。
步骤4.1布置声压级监测点。
直达声场试验中，声场沿轴向(垂直于地面方向)声压变化不显著，因此主要需要考虑响应沿径向(以声场中心为圆心)的变化特征，从而选择合理试验区域。
设扬声器阵列围成的声场区域半径为R，以声场中心为原点O，在以r为半径的圆柱面上取m层测点，中间层位于声场中心位置；每层n个测点位于以r为半径的圆周上且相隔360°/n，共计取m×n个测点。
步骤4.2选取试验区域。
通过测试得到直达声场不含试验件时各个测点声压级，将每组r对应的m×n个测点的结果取平均值，得到距离声场中心r的区域的声压级响应曲线，并计算不同组r的总声压级，将其绘制成总声压级随径向距离r变化的折线图，总声压级符合试验要求的区域即为可用的试验区域。
步骤五、开展封闭空腔噪声试验，分析噪声信号和振动信号实验结果，评价封闭空腔噪声情况。
将试验件放置在步骤四所选的试验区域中，开展噪声试验。
步骤5.1测量声压信号。
搭建平台后，按照需求在封闭空腔内外布置声压级监控点，通过声压传感器和采集系统获取噪声信号。
步骤5.2测量振动信号。
在试验件上按需求布置加速度传感器，通过传感器和采集系统可以获得试验件振动信号。
步骤5.3实验结果分析
分析噪声信号和振动信号实验结果，评价封闭空腔噪声情况。
有益效果：
1、本发明公开的一种基于直达声场的封闭空腔噪声试验平台搭建方法，建立包含封闭空腔试验件的直达声场有限元模型，并通过等效声源方法，取代扬声器声源的完整建模以提升计算效率；然后通过仿真手段选取合理的扬声器阵列数、试验环境、试件放置区域等因素，并根据仿真结果指导直达声场试验平台的搭建从而开展封闭空腔的噪声试验有利于降低试验成本、缩短试验周期，可用于航天领域中封闭空腔型试件的噪声测试中。
2、本发明公开的一种基于直达声场的封闭空腔噪声试验平台搭建方法，通过将试验件置于扬声器围成的阵列内部，利用扬声器直接对试验件产生噪声激励来模拟封闭空腔外的噪声环境，即基于直达声场试验平台对封闭空腔试件开展噪声试验，既能节约试验成本，又能加快试验进度，同时能满足不同规格测试件的测试需求。
附图说明
图1是系统连接示意图；
其中1为扬声器，2为功率放大器，3为传感器，4为试验件，5为数字采集仪，6为分析软件，7代表声源系统，8代表采集系统；
图2是测点位置示意图；
其中图(a)为测点位置主视图；图(b)为测点位置俯视图；
图3是试验件示意图；
其中图(a)为圆桶段；图(b)为上下盖板；
图4是直达声场构型；
其中9为有限元网格；
图5是直达声场仿真模型；
其中10为扬声器激励面，11为地面，12为无反射边界；
图6是声场内测点位置示意图；
图7是室内直达声场模型；
图8是不同环境直达声场平均声压级频谱；
图9是不同数量的扬声器阵列的直达声场仿真模型；
图10是不同数量的扬声器阵列时直达声场平均声压级频谱；
图11是直达声场试验平台示意图；
其中图(a)为扬声器阵列；图(b)为采集仪与数据采集系统
图12是测点布置示意图；
图13是不同距离r时声压级响应曲线；
其中图(a)为r＝0mm时声压级响应曲线；图(b)为r＝100mm时声压级响应曲线；图(c)为r＝200mm时声压级响应曲线；图(d)为r＝300mm时声压级响应曲线；图(e)为r＝400mm时声压级响应曲线；图(f)为r＝500mm时声压级响应曲线；图(g)为r＝600mm时声压级响应曲线；图(h)为r＝700mm时声压级响应曲线；
图14是总声压级随径向距离变化曲线；
图15是桶内测点示意图；
其中图(a)为正视图；图(b)为俯视图
图16是封闭腔内壁敷设三聚氰胺泡沫示意图；
图17是降噪前后空腔内测点声压级频谱。
其中图(a)为测点1声压级频谱；图(b)为测点2声压级频谱；图(c)测点3声压级频谱；图(d)为测点4声压级频谱；图(e)平均声压级频谱声压级频谱
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明。同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本实施例，研究目标为某型号整流罩圆柱段缩比模型的降噪试验。加工制造了高为800mm、半径为300mm的薄壁铝制圆桶，其厚度为1mm，圆桶段的上下部分均为开口，试验时将上下盖板与圆桶段粘合到一起，使得圆桶内外不连通，形成封闭空腔结构。铝制薄壁圆桶以及上下盖板如图3所示。
步骤一、建立直达声场仿真模型。
步骤1.1划分声场有限元网格。
考虑将试验件放于扬声器阵列中心位置，为保证试验件所在区域声场的均匀性，需要先建立不含试验件的空场模型。通过仿真定性的判断扬声器阵列数量、摆放空间等因素的影响，以20个扬声器为例，每列排列4个、共5列。假设每个扬声器规格一致，振膜面为圆形曲面，半径300mm，箱体边长为700mm，每个扬声器激励面距离声场中心700mm，构型如图4所示。
步骤1.2建立扬声器等效声源。
设直达声场内需要达到的声压pTotal换算为声压级LTotal如表1，可根据(5)式得到每个扬声器振膜面膜对应的速度边界面需要分配的速度大小，如表2所示，由此可定义等效声源。
表1声压级频谱
Figure BDA0003343034820000061
表2速度频谱
Figure BDA0003343034820000062
步骤1.3定义边界条件。
扬声器箱体位置设置为反射边界，设置地面区域为反射面模拟地面的反射作用。由于扬声器阵列顶部以及阵列间空隙会导致声波散射，为更符合实际，这些面定义为无反射边界，使得声波能够从这些空隙中散射出去。建立好的直达声场模型如图5。
步骤二、确定扬声器列数和试验环境。
在声场内布置声压级测点，分别以声腔中心为体心，建立边长为200mm、400mm、600mm、800mm的立方体区域，在每个面中心取测点，每个区域共6个测点，共24个测点，如图6所示。取各个测点的声压级平均值得到不同环境以及不同扬声器列数对声场的影响。
步骤2.1确定直达声场试验环境。
分别建立直达声场位于狭小室内以及位于开阔空间(或者壁面做过消声处理)的仿真模型，狭小室内即声场外存在反射面，如图7。
声场内测点平均声压级频谱如图8所示，发现狭小空间声压级响应远远高出直达声场位于开阔空间时的情况。这是由于狭小空间中壁面的反射作用显著，声场内响应加剧。对于直达声场试验，如果内部响应过高会导致过试验，影响试验结果可靠性，严重的甚至可能导致试验件损坏，所以在开展直达声场试验时，选择开阔空间或者消声室进行试验。
步骤2.2确定直达声场扬声器阵列数量。
保持扬声器阵列总声压级输出不变，设扬声器阵列数为n，分别建立n＝5、n＝6、n＝7、n＝8以及n＝9时的直达声场仿真模型，如图9。
仿真得到声场内测点平均声压级频谱如图10所示，比较响应情况可以发现：当扬声器阵列数为奇数列时(n＝5、n＝7、n＝9)，响应情况基本一致，声压级响应曲线趋势相对平滑，未出现特别显著的波峰或波谷；而当扬声器阵列数为偶数列时(n＝6、n＝8)，声压级响应曲线浮动显著，出现了明显的波峰，这是由于当扬声器阵列摆放为偶数列时，每列扬声器正对面都会有与其相对的一列扬声器存在，受对面箱体反射会使驻波效应加强从而导致某些频段响应过高，在试验中可能会导致过试验，所以在选择扬声器阵列数时应当避免偶数列，即避免对称性较强的阵列构型。
步骤三、搭建直达声场试验平台。
步骤3.1扬声器摆放。
根据仿真结果，宜采用奇数列扬声器阵列，并需要在开阔的或者做过消声处理的房间中进行试验。所以采用五列扬声器阵列，并在周围墙壁贴上吸声层。
步骤3.2搭建试验平台。
声源系统由扬声器和功率放大器两部分组成。采用RF品牌GTS系列线阵列扬声器，通过功率放大器连接扬声器从而产生激励。
采集系统主要由三部分构成，分别是声压传感器、数字采集仪以及数据采集软件。采用INV9206声压传感器、INV3062S/V网络分布式采集分析仪以及DASP V11智能数据和采集软件组成采集系统。
搭建好的试验平台如图11。
步骤四、试验区域选取。
步骤4.1测点布置。
在开展圆柱桶噪声试验前，需要先确定试验区域范围。以直达声场中心为原点，在距离声场中心轴线距离r的位置沿纵向布置测点，每组包含下中上3个测点，与地面距离分别为400mm、600mm、800mm，如图12所示。分别取r＝0mm、100mm、200mm、300mm、400mm、500mm、600mm、700mm，一共布置了8组测点，每组测点由下到上编号为1、2、3。
步骤4.2试验区域选取。
开展多次试验获取了8组测点的声压级频谱，如图13所示。计算得到每组测点总声压级以及总声压级平均值如表2所示。将每组测点平均总声压级绘制成总声压级随距离r变化的折线图，如图14。由该图可知，当r＜500mm时，总声压级波动在3dB以内，说明该区域内声场均匀性较好，满足试验需求。试验件为半径300mm的圆桶，将其放置在直达声场中心轴位置时，满足试验需求的区域能够将试验件完全容纳起来。所以在开展噪声测试以及敷设了三聚氰胺泡沫后的降噪试验时，将试验件放置于直达声场中心即可。
表3各组测点总声压级
0mm 100mm 200mm 300mm 400mm 500mm 600mm 700mm
测点1 122.1dB 121.0dB 121.2dB 120.2dB 120.3dB 119.8dB 119.5dB 118.3dB
测点2 121.7dB 119.6dB 121.7dB 121.3dB 120.6dB 119.7dB 119.1dB 118.2dB
测点3 122.8dB 120.9dB 122.2dB 121.3dB 120.5dB 119.2dB 118.0dB 117.6dB
平均值 122.2dB 120.5dB 121.7dB 120.9dB 120.5dB 119.6dB 118.9dB 118.0dB
步骤五、开展封闭空腔噪声试验。
将试验件放置在直达声场可用试验区域中，在桶内布置声压级传感器如图15，开展试验获得了空桶情况以及敷设了三聚氰胺多孔材料情况下(如图16)测点声压级，如图17，计算各测点总声压级，如表3所示，可知各点降噪量。
表4降噪前后测点总声压级
测点1 测点2 测点3 测点4 平均
降噪前总声压级 110.6dB 110.2dB 110.0dB 111.3dB 110.5dB
降噪后总声压级 100.1dB 96.6dB 98.1dB 100.2dB 98.8dB
降噪量 10.5dB 13.6dB 11.9dB 11.1dB 11.7dB
该实施例通过直达声场试验平台开展了封闭空腔的噪声测试，相较于使用混响室等声学实验室，该方法不仅能节省试验成本，还能通过前期仿真指导封闭空腔噪声测试，提升试验效率，而测试结果验证了封闭空桶内敷设三聚氰胺多孔材料的降噪效果，进一步说明了该方法能适用于封闭空腔噪声试验中。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于直达声场的封闭空腔噪声试验平台搭建方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一、通过仿真手段建立直达声场试验平台模型，根据计算结果和封闭空腔试验件尺寸选择直达声场扬声器的最优摆放距离，从而指导噪声试验平台的搭建；
步骤二、扬声器阵列列数以及摆放环境对声场均匀性产生影响，通过仿真计算确定扬声器列数和环境；
步骤三、搭建直达声场试验平台；
步骤四、根据保证试验件所处区域均匀性要求，确定有效的试验区域；
步骤五、开展封闭空腔噪声试验，分析噪声信号和振动信号实验结果，评价封闭空腔噪声情况，即基于直达声场试验平台对封闭空腔试件开展噪声试验，降低试验成本、缩短试验周期。
2.如权利要求1所述的一种基于直达声场的封闭空腔噪声试验平台搭建方法，其特征在于：步骤一的实现方法为，
步骤1.1划分声场有限元网格；
将试验件放于扬声器阵列中心位置，为保证试验件所在区域声场的均匀性，需要先建立不含试验件的空场模型，包括通过仿真确定扬声器阵列数量、摆放空间；
步骤1.2建立扬声器等效声源；
首先通过传感器获得单个扬声器的声压级频谱，然后通过等效公式(1)确定等效声源的声压级，并定义到扬声器振膜所在的平面；
Figure FDA0003343034810000011
式中p为声压，v为速度，ρ为空气密度，c为空气中声速；
为确定等效声源，需要结合平面波叠加理论和速度边界等效方法，计算每个扬声器对应的速度边界面的速度数值；先假设所有扬声器中第i个扬声器对应速度边界面作用面积为Si，有效声压为pi，直达声场内需要达到的声压为pTotal，平均声能密度为
Figure FDA0003343034810000012
为保证声场内能量尽可能的均匀分布，须满足激励作用面上单位面积声能量相等，即满足公式(2)：
Figure FDA0003343034810000013
因为介质为空气，声速和密度为常数，(2)式简化为：
Figure FDA0003343034810000014
扬声器阵列中的声场某一点实际主要受到该点所在水平面同层扬声器的激励作用，当考虑扬声器阵列数为n列时，根据平均声能量叠加关系可知：
Figure FDA0003343034810000021
扬声器规格一致，所以Si均相等，结合(1)、(4)式可得速度边界面定义公式为：
Figure FDA0003343034810000022
步骤1.3定义边界条件；
扬声器箱体位置设置为反射边界，设置地面区域为反射面模拟地面的反射作用；由于扬声器阵列顶部以及阵列间空隙会导致声波散射，为更符合实际，所述面定义为无反射边界，使得声波能够从所述空隙中自由通过。
3.如权利要求1所述的一种基于直达声场的封闭空腔噪声试验平台搭建方法，其特征在于：步骤二的实现方法为，
步骤2.1确定直达声场试验环境；
分别建立直达声场位于狭小室内以及位于开阔空间(或者壁面做过消声处理)的仿真模型，通过计算比较二者的声场响应差异，选择出适合的试验环境；
步骤2.2确定直达声场扬声器阵列数量；
保持扬声器阵列总声压级输出不变，建立不同阵列数量的数值仿真模型，通过计算对比得到不同扬声器阵列数对声场的影响，确定试验扬声器阵列数量。
4.如权利要求1所述的一种基于直达声场的封闭空腔噪声试验平台搭建方法，其特征在于：步骤三的实现方法为，
步骤3.1将扬声器阵列按步骤二放置；
步骤3.2连接声源系统、采集系统以及试验件，搭建起平台，随后即可开展封闭空腔的噪声实验。
5.如权利要求1所述的一种基于直达声场的封闭空腔噪声试验平台搭建方法，其特征在于：步骤四的实现方法为，
步骤4.1布置声压级监测点；
直达声场试验中，声场沿轴向(垂直于地面方向)声压变化不显著，因此主要需要考虑响应沿径向(以声场中心为圆心)的变化特征，从而选择合理试验区域；
设扬声器阵列围成的声场区域半径为R，以声场中心为原点O，在以r为半径的圆柱面上取m层测点，中间层位于声场中心位置；每层n个测点位于以r为半径的圆周上且相隔360°/n，共计取m×n个测点；
步骤4.2选取试验区域；
通过测试得到直达声场不含试验件时各个测点声压级，将每组r对应的m×n个测点的结果取平均值，得到距离声场中心r的区域的声压级响应曲线，并计算不同组r的总声压级，将其绘制成总声压级随径向距离r变化的折线图，总声压级符合试验要求的区域即为可用的试验区域。
6.如权利要求1所述的一种基于直达声场的封闭空腔噪声试验平台搭建方法，其特征在于：步骤五的实现方法为，
步骤5.1测量声压信号；
搭建平台后，按照需求在封闭空腔内外布置声压级监控点，通过声压传感器和采集系统获取噪声信号；
步骤5.2测量振动信号；
在试验件上按需求布置加速度传感器，通过传感器和采集系统可以获得试验件振动信号；
步骤5.3实验结果分析；
分析噪声信号和振动信号实验结果，评价封闭空腔噪声情况，即基于直达声场试验平台对封闭空腔试件开展噪声试验，降低试验成本、缩短试验周期。
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