声衬声学参数测量方法和装置制造方法及图纸

本公开涉及航空器技术领域，尤其涉及一种声衬声学参数测量方法和装置。本公开实施例提供的声衬声学参数测量方法，突破了单模态声波入射的限制，适用于复杂多模态声场，能同时得到各模态传声损失、总传声损失、声阻抗，且计算效率高，求解方法不受出口反射条件的影响，提高了测量精度。高了测量精度。高了测量精度。

【技术实现步骤摘要】
声衬声学参数测量方法和装置


[0001]本公开涉及航空器
，尤其涉及一种声衬声学参数测量方法和装置。

技术介绍

[0002]典型的民用大涵道比涡扇发动机噪声是航空器噪声的重要来源，其中，又属风扇/压气机噪声占据着最大比重。目前，工程师们主要通过铺设局域反应声衬来实现风扇噪声控制。因此，能否准确地评估局域反应声衬的整体性能对航空器发动机的消声至关重要。
[0003]局域反应声衬评估的整体性能指标主要包括：传声损失(Transmission Loss,TL)和声阻抗Z。
[0004]传声损失是用于评价消声器在管道中降噪性能的物理量，定义为消声器入口的入射声功率级与出口的透射声功率级的差。传统的传声损失测量是由定义出发，测量和计算消声器上下游的入射和透射声功率级，进而确定传声损失。然而，这样的测量存在几方面不足和难点，其一，消声器入口和下游管道末端都存在着一定的声反射，上述测量通常未能分离和考虑反射声波的影响，极大地限制传声损失的测量精度；其二，上述测量一般基于无流动条件和平面波假设，无法做到在掠流、多个高阶入射模态共同存在的复杂条件下对所有模态进行分解，更不用说计算各模态传声损失和总传声损失；其三，不同频段内声波波长跨度较大，如何满足航发风扇噪声0.5
‑
6.0kHz主频段的宽频测量需求也是一大难点。
[0005]声阻抗是用于描述声衬本身声学特性的物理量，定义为频域内声压和法向声质点速度之比，是一个由实部声阻和虚部声抗组成的复数。然而，通过直接测量声压和法向声质点速度来提取声阻抗是极其困难的。为此，本领域通常方法一般都通过测量流管内的壁面声压分布来反算声阻抗。在目前已有的声阻抗提取方法中，目标函数法和直接提取法最为典型。但是，由于受到原理和计算量的限制，这两种方法同样都受到单一入射声模态的限制，亦即在声衬前的刚壁段内，入射声波只能有单个声模态，不能出现多个模态，否则方法就不适用了。对于常规尺寸的流管而言，这一限制导致测量频率最高仅到3.0kHz，与航发风扇的6.0kHz降噪和测量需求相去甚远。

技术实现思路

[0006]为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种声衬声学参数测量方法和装置。
[0007]一方面，本公开实施例提供了一种声衬声学参数测量方法，所述方法包括：
[0008]将被测声衬安装于流管下壁面；
[0009]沿所述被测声衬对面的所述流管管壁的一条对角线等空间布置第一麦克风阵列，所述第一麦克风阵列包括J个麦克风；
[0010]在所述被测声衬前和后的流管管壁上分别布置第二麦克风阵列和第三麦克风阵列，所述第二麦克风阵列和所述第三麦克风阵列各包括Q个麦克风；
[0011]在包含多个模态的入射声源条件下，通过三个所述麦克风阵列获取所述流管壁面
的声压数据，所述声压数据包括声压幅值与相位；
[0012]根据所述第二麦克风阵列和所述第三麦克风阵列获取的声压数据计算所述被测声衬的传声损失，根据所述第一麦克风阵列获取的声压数据计算所述被测声衬的声阻抗。
[0013]可选地，所述包含多个模态的入射声源包括：横向模态激励声源、垂向模态激励声源和组合模态激励声源中的一种或多种；
[0014]其中，在3.5kHz以上时，横向模态激励声源的入射声场的入射模态主要由模态(1,0)和模态(0,0)组成，垂向模态激励声源的入射声场的入射模态主要由模态(0,1)和(0,0)组成，组合模态激励声源的入射声场的入射模态主要由模态(0,1)、(1,0)和(0,0)组成。
[0015]可选地，所述根据所述第二麦克风阵列和所述第三麦克风阵列获取的声压数据计算所述被测声衬的传声损失，包括：
[0016]根据所述第二麦克风阵列获取的声压数据开展声源声场的模态分解，得到所述被测声衬前的入射和反射模态的声压幅值；
[0017]根据所述被测声衬前的入射和反射模态的声压幅值计算声源声场各模态的声能量；
[0018]根据所述第三麦克风阵列获取的声压数据开展透射声场的模态分解，得到所述被测声衬后的透射和末端反射模态的声压幅值；
[0019]根据所述被测声衬后的透射和末端反射模态的声压幅值计算透射声场各模态的声能量；
[0020]根据所述声源声场和透射声场各模态的声能量计算所述被测声衬对当前声场的总传声损失和各模态传声损失。
[0021]可选地，所述根据所述被测声衬前的入射和反射模态的声压幅值计算声源声场各模态的声能量，根据所述被测声衬后的透射和末端反射模态的声压幅值计算透射声场各模态的声能量，包括：
[0022]根据式(1)确定所述第二麦克风阵列或第三麦克风阵列中各麦克风的复声压：
[0023][0024]在式(1)中，p
j
表示麦克风阵列中第j个麦克风的复声压，j表示麦克风阵列中第j个麦克风；A
j
、φ
j
分别表示第j个麦克风获取的声压幅值和相位；e为自然底数；
[0025]根据式(2)和式(3)计算各模态声压幅值：
[0026][0027][0028]在式(2)和(3)中，z
j
、y
j
、x
j
表示第j个麦克风的坐标；M、N分别代表横向、垂向截断模态数量；和分别是模态(m,n)的复声压和复幅值，上标
±
分别表示前传和后传模态；刚壁段横向波数和垂向波数与传播方向无关，W0和H0分别为流管的宽度和高度，其中刚壁段是指没有安装所述待测声衬的流管管道；
[0029]其中，轴向波数由频散关系式(4)获得：
[0030][0031]在式(4)中，k0是自由空间波数，M
a
是马赫数；
[0032]基于变量将式(2)表示成式(6)所示的矩阵形式：
[0033][0034]P＝ΨA
ꢀꢀꢀ
(6)
[0035]其中，
[0036]P＝[p
1 p2ꢀ…ꢀ
p
Q
]T
[0037][0038][0039]将式(6)改写为式(7)的形式：
[0040]P
Re
+P
Im
i＝(Ψ
Re
+Ψ
Im
i)(A
Re
+A
Im
i)
ꢀꢀꢀ
(7)
[0041]在式(7)中，Re和Im分别代表变量的实部和虚部；
[0042]求解式(7)得到模态幅值A＝A
Re
+A
Im
i：
[0043][0044]各模态的声强表达式为式(9)：
[0045][0046]在式(9)中，ρ0、c0、V0分别是声传播介质的密度、声速以及流管中切向流速度；x方向的声质点脉动速度v
x
＝k
x
p/ρ0(ω
‑
V0k
x...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种声衬声学参数测量方法，其特征在于，所述方法包括：将被测声衬安装于流管下壁面；沿所述被测声衬对面的所述流管管壁的一条对角线等空间布置第一麦克风阵列，所述第一麦克风阵列包括J个麦克风；在所述被测声衬前和后的流管管壁上分别布置第二麦克风阵列和第三麦克风阵列，所述第二麦克风阵列和所述第三麦克风阵列各包括Q个麦克风；在包含多个模态的入射声源条件下，通过三个所述麦克风阵列获取所述流管壁面的声压数据，所述声压数据包括声压幅值与相位；根据所述第二麦克风阵列和所述第三麦克风阵列获取的声压数据计算所述被测声衬的传声损失，根据所述第一麦克风阵列获取的声压数据计算所述被测声衬的声阻抗。2.根据权利要求1所述的声衬声学参数测量方法，其特征在于，所述包含多个模态的入射声源包括：横向模态激励声源、垂向模态激励声源和组合模态激励声源中的一种或多种；其中，在3.5kHz以上时，横向模态激励声源的入射声场的入射模态主要由模态(1，0)和模态(0，0)组成，垂向模态激励声源的入射声场的入射模态主要由模态(0，1)和(0，0)组成，组合模态激励声源的入射声场的入射模态主要由模态(0，1)、(1，0)和(0，0)组成。3.根据权利要求1所述的声衬声学参数测量方法，其特征在于，所述根据所述第二麦克风阵列和所述第三麦克风阵列获取的声压数据计算所述被测声衬的传声损失，包括：根据所述第二麦克风阵列获取的声压数据开展声源声场的模态分解，得到所述被测声衬前的入射和反射模态的声压幅值；根据所述被测声衬前的入射和反射模态的声压幅值计算声源声场各模态的声能量；根据所述第三麦克风阵列获取的声压数据开展透射声场的模态分解，得到所述被测声衬后的透射和末端反射模态的声压幅值；根据所述被测声衬后的透射和末端反射模态的声压幅值计算透射声场各模态的声能量；根据所述声源声场和透射声场各模态的声能量计算所述被测声衬对当前声场的总传声损失和各模态传声损失。4.根据权利要求3所述的声衬声学参数测量方法，其特征在于，所述根据所述被测声衬前的入射和反射模态的声压幅值计算声源声场各模态的声能量，根据所述被测声衬后的透射和末端反射模态的声压幅值计算透射声场各模态的声能量，包括：根据式(1)确定所述第二麦克风阵列或第三麦克风阵列中各麦克风的复声压：在式(1)中，p
j
表示麦克风阵列中第j个麦克风的复声压，j表示麦克风阵列中第j个麦克风；A
j
、φ
j
分别表示第j个麦克风获取的声压幅值和相位；e为自然底数；根据式(2)和式(3)计算各模态声压幅值：根据式(2)和式(3)计算各模态声压幅值：在式(2)和(3)中，z
j
、y
j
、x
j
表示第j个麦克风的坐标；M、N分别代表横向、垂向截断模态
数量；和分别是模态(m，n)的复声压和复幅值，上标
±
分别表示前传和后传模态；刚壁段横向波数和垂向波数与传播方向无关，W0和H0分别为流管的宽度和高度，其中刚壁段是指没有安装所述待测声衬的流管管道；其中，轴向波数由频散关系式(4)获得：在式(4)中，k0是自由空间波数，M
a
是马赫数；基于变量将式(2)表示成式(6)所示的矩阵形式：P＝ΨA
ꢀꢀꢀꢀ
(6)其中，P＝[p
1 p2ꢀ…ꢀ
p
Q
]
TT
将式(6)改写为式(7)的形式：P
Re
+P
Im
i＝(Ψ
Re
+Ψ
Im
i)(A
Re
+A
Im
i)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)在式(7)中，Re和Im分别代表变量的实部和虚部；求解式(7)得到模态幅值A＝A
Re
+A
Im
i：各模态的声强表达式为式(9)：在式(9)中，ρ0、c0、V0分别是声传播介质的密度、声速以及流管中切向流速度；x方向的声质点脉动速度v
x
＝k
x
p/ρ0(ω
‑
V0k
x
)，其中k
x
是轴向波数、p是声压、ω是角频率；*代表取共轭；各模态的声能量表达式为式(10)：联立式(9)和式(10)得到各模态声能量为式(11)：联立式(9)和式(10)得到各模态声能量为式(11)：根据式(12)计算所有模态的总声能量：
当j表示第二麦克风阵列中的麦克风时，式(11)和(12)中计算得到的是声源声场中模态的声能量；当j表示第三麦克风阵列中的麦克风时，式(11)和(12)中计算得到的是透射声场中模态的声能量；当j表示第二麦克风阵列中的麦克风时，所述被测声衬前的入射波总声能量为当j表示第三麦克风阵列中的麦克风时，所述被测声衬后的透射波总声能量为5.根据权利要求4所述的声衬声学参数测量方法，其特征在于，所述根据所述声源声场和透射声场各模态的声能量计算所述被测声衬对当前声场的总传声损失和各模态传声损失，包括：传声损失的表达式为式(13)；在中低频率0.3
‑
3.0kHz测量范围内，声衬前后只存在(0，0)模态，当管道内温度、切向流马赫数和横截面积沿着轴向保持不变时，结合式(11)和(13)得到所述被测声衬的总传声损失TL，也即为(0，0)模态传声损失：在高频率3.0
‑
6.0kHz测量范围内，当管道内...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱祥海，景晓东，王玉杰，杜林，孙晓峰，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：