CN114076674B - 一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置及方法，包括叶栅实验段和声学测量段。叶栅实验段由两块叶片盖板、探针测量槽、两种连接法兰、多个叶片、叶片安装槽、圆柱安装槽组成。声学测量段由两个相同的连接法兰以及一段矩形测量段组成。声学测量段上分布了若干个螺纹孔用于加装传声器探头，可以实现对叶栅矩形管道出口不同位置的声学信号采集。本发明的方法可以利用采集的声学信号实现叶栅矩形管道出口声场重构，可以从模态的角度定量分析并研究不同叶片的降噪效果。通过本发明可以提高叶栅声学实验的适用范围，便于从管道声学方面更加深入的开展仿生学叶片参数化声学实验，有利于指导仿生学叶片参数化设计。

Description

一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置及方法
技术领域
本发明属于声学测量技术领域，具体涉及一种管道出口的声学测量装置及方法。
背景技术
对于航空发动机、压缩机、通风机等叶轮机械而言，其主要噪声源是叶片表面的偶极子噪声源，以及其周边的湍流产生的四极子噪声源。这些噪声源产生的噪声会通过进口管道或出口管道传播到外界环境，对周边居民以及厂房工作人员的生活和工作造成了严重的影响。为了降低噪声，就需要从两方面着手：1.从噪声的传播途径上降低声波辐射能量；2.降低噪声源强度。经过多年的研究，第一个方法的研究已经十分深入，虽然效果显著，但是也遇到了瓶颈，难以有进一步的进展。因此，相关学者开始着手于通过降低噪声源强度来减小噪声传播大小，尤其是近些年仿生学叶片的发展，将这一研究推向了新的高度。碍于实验成本，装配难度等等原因，直接将设计好的仿生学叶片运用到叶轮机械中是不实际的。为了开展大量实验，采集大量的实验结果进行参数化分析研究，利用叶栅开展仿生学叶片参数化研究无疑是一种一劳永逸，经济实惠的方法。
然而，现阶段的叶栅声学研究中，仍然是通过在外场空间布置多个声学测量点来研究不同叶栅的声学指向性效果。这一方法虽然可以得到出不同叶栅的声学性能，可以得到不同仿生学叶片的降噪效果，但是无法从根源上研究声波在管道内的辐射效应，亦无法准确地得到每个声模态分量的大小，进一步地，就难以深入地指导仿生学叶片的降噪设计。
针对叶栅管道声学测量，需要一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置及方法。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置及方法，包括叶栅实验段和声学测量段。叶栅实验段由两块叶片盖板、探针测量槽、两种连接法兰、多个叶片、叶片安装槽、圆柱安装槽组成。声学测量段由两个相同的连接法兰以及一段矩形测量段组成。叶栅实验段可以实现加装不同类型的叶片，以及不同规格的圆柱，从而实现叶栅的参数化实验。声学测量段上分布了若干个螺纹孔用于加装传声器探头，可以实现对叶栅矩形管道出口不同位置的声学信号采集。此外，本发明提供了一种矩形管道模态分解方法，通过该方法可以利用采集的声学信号实现叶栅矩形管道出口声场重构，可以从模态的角度定量分析并研究不同叶片的降噪效果。本发明提供的装置以及方法改变了传统叶片声学测量以及分析方法，通过本发明可以提高叶栅声学实验的适用范围，便于从管道声学方面更加深入的开展仿生学叶片参数化声学实验，有利于指导仿生学叶片参数化设计。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置，包括叶栅实验段和声学测量段；
所述叶栅实验段包括叶片盖板、第一连接法兰、第二连接法兰、叶片和叶片安装槽；所述第一连接法兰和第二连接法兰分别设置在叶栅实验段两端；所述第一连接法兰与叶栅矩形管道出口固定连接，所述第二连接法兰与声学测量段固定连接；
所述叶栅实验段上下两个侧面设置多个叶片安装槽，所述多个叶片的上下部分别嵌入两侧的叶片安装槽中固定在叶栅实验段内部；所述叶片盖板有两块，分别固定在叶栅实验段两侧，对叶片安装槽进行遮挡；
所述声学测量段包括两个相同的第三连接法兰和矩形测量段；所述矩形测量段在中间，两个第三连接法兰在两端；任意一端的第三连接法兰与叶栅实验段固定连接；
所述矩形测量段四面开有多个螺纹孔，用于加装传声器探头，通过传声器探头实现对叶栅矩形管道出口不同位置的声学信号采集。
优选地，所述叶栅实验段侧面设置探针测量槽，所述探针测量槽内能伸入不同规格的实验探针，用于测量流场参数。
优选地，所述叶栅实验段侧面设置多个圆柱安装槽，所述圆柱安装槽内能安装不同直径的圆柱，产生不同频率的卡门涡街，模拟转/静干涉频率，同时能产生不同强度的叶片来流湍流，用于研究湍流/叶片干涉宽频噪声。
优选地，所述第一连接法兰与叶栅矩形管道出口通过螺栓固定连接，所述第二连接法兰与声学测量段通过螺栓固定连接，并在连接处安装橡胶垫，以避免漏气。
优选地，在所述第一连接法兰与叶栅矩形管道出口连接处安装消声声衬，以减小叶栅矩形管道出口吹气风洞产生的噪声对测量结果的影响。
优选地，所述矩形测量段上的螺纹孔为M12直径的螺纹孔。
优选地，所述矩形测量段上设置多个阶梯孔，阶梯孔的特征为，小径为7mm直径的通孔，大径为M12直径的螺纹孔。
优选地，所述声学测量段未与叶栅实验段连接一端的第三连接法兰上安装消声声衬，以减小外界对内部声学测量的影响。
优选地，所述实验探针为三维热线。
一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量方法，包括如下步骤：
步骤1：传声器数目确定方法；
根据矩形管道声模态传播声模态传播理论计算出所关注声波频率内不同方向的最高截通模态阶数：切向最高截通模态阶数M、展向最高截通模态阶数N；
则根据奈奎斯特采样定理，至少需要在矩形测量段的2M+1个切向位置布置切向传声器阵列，至少需要在矩形测量段2N+1个展向位置布置展向传声器阵列；
同时，为了分解出入射模态波和反射模态波，需要在轴向位置至少布置两排传声器阵列；
步骤2：矩形管道模态分解方法；
步骤2-1：对于矩形管道内声波方程，声波方程的解即测量声压信号p(x,y,z)是由不同模态波线性叠加而成：
式中：x,y,z分别为矩形管道的轴向、切向以及展向坐标；L,H别为矩形管道的切向长度及展向高度；m,n分别为切向模态数以及展向模态数；A代表声波振幅；“+”和“-”代表入射声波以及反射声波；k为轴向波数；代表切向模态数为m、展向模态数为n的入射声波振幅；/>代表切向模态数为m、展向模态数为n的反射声波波数；
步骤2-2：矩形管道模态分解方法采用互相关模态分解法，该方法是利用所有声学测点之间的互功率谱密度函数，将模态幅值的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模态相干函数频谱结果；
两个不同位置的声压互谱为：
Spp′＝<p(x,y,z)p*(x′,y′,z′)> (3)
式中：上标*表示复数共轭；(x′,y′,z′)表示与(x,y,z)不同的测量位置；
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…aK-1aK]T (4)
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；
步骤2-3：测量声压信号p能表示为系数矩阵G和模态幅值向量a的乘积形式，考虑到测试误差最终表示为：
p＝Ga+e (5)
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(5)的最优估计变为：
式中：G+＝(GHG)-1GH表示系数矩阵G的伪逆矩阵；
则声模态幅值向量a之间的互谱写为：
进一步地，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，模态幅值的互谱矩阵表示为声压互谱的函数形式：
Saa＝G+Spp(G+)H (9)
其中两个测点处声压信号的互谱为：
联合公式(7)能求得各个模态幅值的平方项通过公式(1)就能重构出矩形管道内的声场结构。
本发明的有益效果如下：
本发明针对现阶段叶栅实验研究及测试过程中存在的问题与缺陷，通过叶栅实验段可以加装不同类型的实验叶片，利用圆柱安装槽内安装的不同直径圆柱可以产生各种频率的卡门涡街以及不同强度的叶片来流湍流，从而保证了叶栅参数化实验的基本要求。另外，利用矩形测量段以及其上安装的若干传声器实现了对叶栅矩形管道出口不同位置的声学信号采集。最后，利用采集到的声学信号，通过矩形管道内模态分解方法，可以实现对叶栅矩形管道出口声场的重建，便于深入开展仿生学叶片进行参数化声学实验，指导仿生学叶片参数化设计。总体来说，通过本发明可以提高叶栅声学实验的适用范围，便于从管道声学方面更加深入的开展仿生学叶片参数化声学实验，有利于指导仿生学叶片参数化设计。
附图说明
图1为本发明装置的总体构造图
图2为本发明装置中叶栅试验段结构图；
图3为本发明装置中叶栅试验段内部结构图；
图4为本发明装置中声学测量段结构图；
图5为本发明装置中基准叶片示意图；
图6为本发明装置中仿生学叶片A示意图；
图7为本发明装置中仿生学叶片B示意图；
图8为本发明装置中仿生学叶片C示意图；
图中，1-叶栅实验段，2-声学测量段，3-叶片盖板，4-探针测量槽，5-第一连接法兰，6-第二连接法兰，7-叶片，8-叶片安装槽，9-圆柱安装槽，10-第三连接法兰，11-矩形测量段。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明针对叶栅管道声学测量装置及技术的缺陷和难点，目的在于提供一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置及方法来克服或解决上述技术难点。
如图1所示，一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置，包括叶栅实验段1和声学测量段2；
如图2到图3所述叶栅实验段1包括叶片盖板3、第一连接法兰5、第二连接法兰6、叶片7和叶片安装槽8；所述第一连接法兰5和第二连接法兰6分别设置在叶栅实验段1两端；所述第一连接法兰5与叶栅矩形管道出口固定连接，所述第二连接法兰6与声学测量段2固定连接；
所述叶栅实验段1上下两个侧面设置多个叶片安装槽，所述多个叶片7的上下部分别嵌入两侧的叶片安装槽8中固定在叶栅实验段1内部；所述叶片盖板3有两块，分别固定在叶栅实验段1两侧，对叶片安装槽进行遮挡；安装叶片过程中，首先将一块叶片盖板3通过螺栓固定在叶栅实验段1上，其次将多个叶片7塞入叶栅实验段1通道内，并使其上下部嵌入叶片安装槽8中，最后，将另一块叶片盖板3通过螺栓固定在叶栅实验段1上。
如图4所示，所述声学测量段2，包括两个相同的第三连接法兰10和矩形测量段11；所述矩形测量段11在中间，两个第三连接法兰10在两端；任意一端的第三连接法兰10与叶栅实验段1固定连接；
所述矩形测量段11四面开有多个螺纹孔，用于加装传声器探头，通过传声器探头实现对叶栅矩形管道出口不同位置的声学信号采集。
优选地，所述叶栅实验段1侧面设置探针测量槽4，所述探针测量槽4内能伸入不同规格的实验探针，用于测量流场参数。可以将三维热线通过探针测量槽4置入流场，监控来流气流的湍流度，验证实验的可靠性。
优选地，所述叶栅实验段1侧面设置多个圆柱安装槽9，所述圆柱安装槽9内能安装不同直径的圆柱，其作用在于：一方面，可以利用不用直径的圆柱产生各种频率的卡门涡街，用于模拟转/静干涉频率。另一方面，可以产生出不同强度的叶片来流湍流，用于研究湍流/叶片干涉宽频噪声。
优选地，所述第一连接法兰5与叶栅矩形管道出口通过螺栓固定连接，所述第二连接法兰6与声学测量段2通过螺栓固定连接，并在连接处安装橡胶垫，以避免漏气。
优选地，在所述第一连接法兰5与叶栅矩形管道出口连接处安装消声声衬，以减小叶栅矩形管道出口吹气风洞产生的噪声对测量结果的影响。
优选地，所述矩形测量段10上的螺纹孔为M12直径的螺纹孔。
优选地，所述矩形测量段10上设置多个阶梯孔，阶梯孔的特征为，小径为7mm直径的通孔，大径为M12直径的螺纹孔。这样可以减小传声器探头与矩形测量段内壁的间隙，减小传声器对近壁面流场的干扰。
优选地，所述声学测量段2未与叶栅实验段1连接一端的第三连接法兰10上安装消声声衬，以减小外界对内部声学测量的影响。
通过吹气风洞出口的消声声衬减小吹气风洞产生的噪声对测量的影响，通过声学测量段出口的消声声衬减小外部环境对对测量的影响。
如图5到图8所示，基准叶片的尾缘为直尾缘，仿生学叶片的尾缘为锯齿形尾缘。仿生学叶片的制作方法为，利用线切割技术将直尾缘切割为不同振幅和波长的锯齿形。仿生学叶片的安装方式与基准叶片的安装方式一致。
最终需要根据测量得到的声学数据通过矩形管道模态分解方法来实现出口管道声场重构。
一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量方法，包括如下步骤：
步骤1：传声器数目确定方法；
根据矩形管道声模态传播声模态传播理论计算出所关注声波频率内不同方向的最高截通模态阶数：切向最高截通模态阶数M、展向最高截通模态阶数N；
则根据奈奎斯特采样定理，至少需要在矩形测量段的2M+1个切向位置布置切向传声器阵列，至少需要在矩形测量段2N+1个展向位置布置展向传声器阵列；
同时，为了分解出入射模态波和反射模态波，需要在轴向位置至少布置两排传声器阵列；
步骤2：矩形管道模态分解方法；
步骤2-1：对于矩形管道内声波方程，声波方程的解即测量声压信号p(x，y，z)是由不同模态波线性叠加而成：
式中：x，y，z分别为矩形管道的轴向、切向以及展向坐标；L，H别为矩形管道的切向长度及展向高度；m，n分别为切向模态数以及展向模态数；A代表声波振幅；“+”和“-”代表入射声波以及反射声波；k为轴向波数；
步骤2-2：矩形管道模态分解方法采用互相关模态分解法，该方法是利用所有声学测点之间的互功率谱密度函数，将模态幅值的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模态相干函数频谱结果；
两个不同位置的声压互谱为：
Spp′＝<p(x，y，z)p*(x′，y′，z′)> (3)
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…aK-1 aK]T (4)
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；
步骤2-3：测量声压信号p能表示为系数矩阵G和模态幅值向量a的乘积形式，考虑到测试误差最终表示为：
p＝Ga+e (5)
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(5)的最优估计变为：
式中：G+＝(GHG)-1GH表示系数矩阵G的伪逆矩阵；
则声模态幅值向量a之间的互谱写为：
进一步地，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，模态幅值的互谱矩阵表示为声压互谱的函数形式：
Saa＝G+Spp(G+)H (9)
其中两个测点处声压信号的互谱为：
联合公式(7)能求得各个模态幅值的平方项通过公式(1)就能重构出矩形管道内的声场结构。

Claims (10)

1.一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置，其特征在于，包括叶栅实验段和声学测量段；
所述叶栅实验段包括叶片盖板、第一连接法兰、第二连接法兰、叶片和叶片安装槽；所述第一连接法兰和第二连接法兰分别设置在叶栅实验段两端；所述第一连接法兰与叶栅矩形管道出口固定连接，所述第二连接法兰与声学测量段固定连接；
所述叶栅实验段上下两个侧面设置多个叶片安装槽，所述多个叶片的上下部分别嵌入两侧的叶片安装槽中固定在叶栅实验段内部；所述叶片盖板有两块，分别固定在叶栅实验段两侧，对叶片安装槽进行遮挡；
所述声学测量段包括两个相同的第三连接法兰和矩形测量段；所述矩形测量段在中间，两个第三连接法兰在两端；任意一端的第三连接法兰与叶栅实验段固定连接；
所述矩形测量段四面开有多个螺纹孔，用于加装传声器探头，通过传声器探头实现对叶栅矩形管道出口不同位置的声学信号采集。
2.根据权利要求1所述的一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置，其特征在于，所述叶栅实验段侧面设置探针测量槽，所述探针测量槽内能伸入不同规格的实验探针，用于测量流场参数。
3.根据权利要求1所述的一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置，其特征在于，所述叶栅实验段侧面设置多个圆柱安装槽，所述圆柱安装槽内能安装不同直径的圆柱，产生不同频率的卡门涡街，模拟转/静干涉频率，同时能产生不同强度的叶片来流湍流，用于研究湍流/叶片干涉宽频噪声。
4.根据权利要求1所述的一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置，其特征在于，所述第一连接法兰与叶栅矩形管道出口通过螺栓固定连接，所述第二连接法兰与声学测量段通过螺栓固定连接，并在连接处安装橡胶垫，以避免漏气。
5.根据权利要求1所述的一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置，其特征在于，在所述第一连接法兰与叶栅矩形管道出口连接处安装消声声衬，以减小叶栅矩形管道出口吹气风洞产生的噪声对测量结果的影响。
6.根据权利要求1所述的一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置，其特征在于，所述矩形测量段上的螺纹孔为M12直径的螺纹孔。
7.根据权利要求1所述的一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置，其特征在于，所述矩形测量段上设置多个阶梯孔，阶梯孔的特征为，小径为7mm直径的通孔，大径为M12直径的螺纹孔。
8.根据权利要求1所述的一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置，其特征在于，所述声学测量段未与叶栅实验段连接一端的第三连接法兰上安装消声声衬，以减小外界对内部声学测量的影响。
9.根据权利要求2所述的一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置，其特征在于，所述实验探针为三维热线。
10.采用权利要求1所述的适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置进行的声学测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：传声器数目确定方法；
根据矩形管道声模态传播声模态传播理论计算出所关注声波频率内不同方向的最高截通模态阶数：切向最高截通模态阶数M、展向最高截通模态阶数N；
则根据奈奎斯特采样定理，至少需要在矩形测量段的2M+1个切向位置布置切向传声器阵列，至少需要在矩形测量段2N+1个展向位置布置展向传声器阵列；
同时，为了分解出入射模态波和反射模态波，需要在轴向位置至少布置两排传声器阵列；
步骤2：矩形管道模态分解方法；
步骤2-1：对于矩形管道内声波方程，声波方程的解即测量声压信号p(x,y,z)是由不同模态波线性叠加而成：
式中：x,y,z分别为矩形管道的轴向、切向以及展向坐标；L,H别为矩形管道的切向长度及展向高度；m,n分别为切向模态数以及展向模态数；A代表声波振幅；“+”和“-”代表入射声波以及反射声波；k为轴向波数；代表切向模态数为m、展向模态数为n的入射声波振幅；/>代表切向模态数为m、展向模态数为n的反射声波波数；
步骤2-2：矩形管道模态分解方法采用互相关模态分解法，该方法是利用所有声学测点之间的互功率谱密度函数，将模态幅值的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模态相干函数频谱结果；
两个不同位置的声压互谱为：
Spp′ ＝<p(x,y,z)p*(x′,y′,z′)> (3)
式中：上标*表示复数共轭；(x′,y′,z′)表示与(x,y,z)不同的测量位置；
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 … aK-1 aK]T (4)
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；
步骤2-3：测量声压信号p能表示为系数矩阵G和模态幅值向量a的乘积形式，考虑到测试误差最终表示为：
p＝Ga+e (5)
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(5)的最优估计变为：
式中：G+＝(GHG)-1GH表示系数矩阵G的伪逆矩阵；
则声模态幅值向量a之间的互谱写为：
进一步地，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，模态幅值的互谱矩阵表示为声压互谱的函数形式：
Saa＝G+Spp(G+)H (9)
其中两个测点处声压信号的互谱为：
联合公式(7)能求得各个模态幅值的平方项通过公式(1)就能重构出矩形管道内的声场结构。
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分布式波浪前缘静子叶片对单级轴流风扇单音噪声影响的数值研究;同航 等;《推进技术》;第42卷(第10期);全文 *

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