一种有来流条件下风扇管道声模态模拟装置

摘要

一种有来流条件下风扇管道声模态模拟装置，包括发动机简化模型、扬声器、声衬安装区、整流罩、传声器、短舱外壳、翼型支撑、翼型支撑片，发声控制系统和PXi采集系统，发动机简化模型通过翼型支撑片与短舱外壳连接，在所述的翼型支撑片前方，短舱外壳上沿圆周按一定间隔安装多个扬声器，在所述的扬声器前方，短舱外壳内设有声衬安装区，用来安装消声声衬试验样件，短舱外壳唇口附近，沿短舱外壳内壁面等距固定安装有多个传声器；本发明利用电声源信号模拟风扇噪声，从而满足带来流条件下的风扇前传噪声测量需求，测量不同风速下声衬的降噪性能。相比于传统流管测试法更接近实际应用，提高了试验效率。

说明书

技术领域

本发明属于噪声测量技术领域，具体涉及一种有来流条件下风扇管道声模态模拟装置。

背景技术

在研究航空发动机风扇噪声降噪时，研究如何测量发动机前传出的风扇噪声模态至关重要。目前国内外常见的测量管道声模态装置大多数处于无来流状态下声学理论研究，且多采用圆柱形管道结构，缺乏对气动—声学的综合考虑。

在现有技术中，测量发动机管道声模态的方法一般采用在发动机管道进、出口布置环状管道装置，正对发动机中心进行消声室试验，或是在消声室中采用电机驱动的发动机模型进行扫描耙式传感器测量。对于以上几种方法，在具备来流条件下试验时均有干涉流动影响，或是增加了不必要噪声源。因此，需要一种技术方案能够适用于风洞试验，测量短舱结构管道声模态参数。

发明内容

给予以上不足之处，本发明提供了一种有来流条件下风扇管道声模态模拟装置，利用电声源信号模拟风扇噪声，从而满足带来流条件下的风扇前传噪声测量需求，测量不同风速下声衬的降噪性能。

本发明所采用的技术方案：一种有来流条件下风扇管道声模态模拟装置，包括发动机简化模型、扬声器、声衬安装区、整流罩、传声器、短舱外壳、翼型支撑、翼型支撑片，发声控制系统和PXi采集系统，

所述的发动机简化模型通过翼型支撑片与短舱外壳连接，短舱外壳通过翼型支撑与声学风洞翼型支撑装置相连接，翼型支撑用于支撑并固定整个短舱模型，并减小对来流干涉引起的气动噪声影响，翼型支撑垂直固定连接在风洞试验台上，从而使所述短舱模型在风洞试验时强度稳定，翼型支撑片采用翼型结构减小短舱模型内部对气流干涉的气动噪声影响；

在所述的翼型支撑片前方，短舱外壳上沿圆周按一定间隔安装多个扬声器，并通过发声控制系统对其相位与幅值进行控制，用于合成并模拟风扇所产生周向声模态，实现对管道声模态的模拟；

在所述的扬声器前方，短舱外壳内设有声衬安装区，用来安装消声声衬试验样件，声衬吸声孔与短舱外壳内壁面齐平，无声衬测量时，用盖板将其密封，所述的消声声衬试验样件的吸声孔与短舱外壳内壁面齐平；

在所述的声衬安装区前方，短舱外壳唇口附近，沿短舱外壳内壁面等距固定安装有多个传声器；

在所述的短舱外壳外部有整流罩，包括扬声器和传声器突出的部分，防止扬声器和传感器暴露在流场中，连接线缆均在整流罩中汇聚并穿过翼型支撑分别与外界的发声控制系统和PXi采集系统电信号连接；

所述的发声控制系统内安装有声模态模拟控制程序，用于设置每个扬声器的幅值与相位，最终由扬声器发出高声强平面波，在短舱外壳内轴向进行合成风扇声模态，向流场下游传递；PXi采集系统通过多个传声器采集时域信号，分别测得无声衬状态下和有声衬状态下测量点的声压波动量，经过空间傅里叶方法分解后得到主模态幅值和周向模态阶数，做比较得到特定模态下声衬的吸声效果。

为使其声压级满足试验标准，在短舱外壳表面设计通孔成为等截面波导管。由于扬声器发声能力集中在喉部位置，波导管尺寸与扬声器的喉径一致。各扬声器发声幅值一致，相邻扬声器相位差相同，这样就可以满足模拟风扇管道声模态的发声需求。

本发明的有益效果及优点：本发明利用电声源信号模拟风扇噪声，从而满足带来流条件下的风扇前传噪声测量需求，测量不同风速下声衬的降噪性能。本装置可用于有来流条件下测试声衬对发动机风扇噪声的吸声效果，相比于传统流管测试法更接近实际应用，同时也避免了真实发动机安装声衬测试效率低的问题，提高了试验效率。

附图说明

图1是根据本发明实施例的有来流条件下风扇管道声模态模拟装置的剖面图。

图2是图1中A截面扬声器位置的剖面图。

图3是声源模拟装置控制扬声器发声原理图。

图4是风扇管道声模态模拟控制程序流程图。

具体实施方式

下面根据说明书附图举例对本发明做进一步的说明：

实施例1

如图1-2所示，一种有来流条件下风扇管道声模态模拟装置，包括发动机简化模型1、扬声器2、声衬安装区3、整流罩4、传声器5、短舱外壳6、翼型支撑7、翼型支撑片8，发声控制系统和PXi采集系统，所述的发动机简化模型1通过翼型支撑片8与短舱外壳6连接，短舱外壳6通过翼型支撑7与声学风洞翼型支撑装置相连接；在所述的翼型支撑片8前方，短舱外壳6上沿圆周按一定间隔安装多个扬声器2，并通过发声控制系统对其相位与幅值进行控制，用于合成并模拟风扇所产生周向声模态，实现对管道声模态的模拟；

沿轴向在所述的扬声器2前方，短舱外壳6内设有声衬安装区3，用来安装消声声衬试验样件，测量不同风速下声衬的降噪性能；无消声声衬试验样件测量时，用盖板将其密封；

短舱外壳在声衬安装段处分成两段，便于安装声衬，通过铆钉连接。短舱外壳与整流罩通过螺纹连接。

沿轴向在所述的声衬安装区前方，短舱外壳6唇口附近，沿短舱外壳6内壁面等距固定安装有多个传声器5；

在所述的短舱外壳6外部有整流罩4，包括扬声器2和传声器5突出的部分，连接线缆均在整流罩4中汇聚并穿过翼型支撑7分别与外界的发声控制系统和PXi采集系统电信号连接；

所述的发声控制系统内安装有声模态模拟控制程序，用于设置每个扬声器2的幅值与相位，最终由扬声器2发出高声强平面波，在短舱外壳内轴向进行合成风扇声模态，向流场下游传递；PXi采集系统通过多个传声器采集时域信号，分别测得无声衬状态下和有声衬状态下测量点的声压波动量，经过空间傅里叶方法分解后得到主模态幅值和周向模态阶数，做比较得到特定模态下声衬的吸声效果。

在短舱外壳6表面开有多个通孔，所述的通孔作为等截面波导管10，所述的波导管尺寸与所述的扬声器2的喉径9一致。

所述的消声声衬试验样件的吸声孔与短舱外壳6内壁面齐平。

整流罩呈环状略大于短舱外壳外径，使扬声器和传感器可被包裹在其中。通过在翼型支撑片附近布置扬声器，利用风扇管道声模态合成原理，即可控制模拟风扇前传噪声所发出的声源；通过在唇口附近布置传感器，利用空间傅里叶分解原理，即可检测风扇前传噪声经过声衬吸声后的周向声模态阶数及声压级。

图3是控制扬声器发声原理图。发声控制系统采用工控机控制声卡13输出电压信号给驱动器音频处理器12，驱动器音频处理器控制4台功率放大器11，每台功率放大器11控制4个扬声器2发声。每个扬声器2发出声波视为平面波，每个扬声器2有两根分频线控制发声，可发出中低频声波。整个机柜放置在风洞流场外。

图4是风扇管道声模态模拟控制程序流程图，本程序使用Labview图形化编程语言开发，具有GUI界面，可以输入周向模态阶数m，可选择相应的信号输出通道，采样时钟和确定采样频率和最大电压幅值，确定每个扬声器具体的驱动信号，并能够逐个对扬声器进行幅值和相位的校准与补偿。本程序应与NI数据控制器、功率放大器、扬声器等硬件设备配合使用。程序按功能分为四个模块：

模块一：信号参数设定，在该模块中选择相应的信号输出通道，采样时钟和确定采样频率和最大电压幅值。

模块二：合成模态设定，该模块中需指定合成周向模态的阶数m、频率以及相应的强度。设定扬声器总数量，由此处输入的模态阶数，可确定相邻两个扬声器之间的信号相位差，再根据设定的信号频率和信号幅值，便可确定每个扬声器具体的驱动信号。其经过功率放大器，驱动扬声器发声。

模块三：扬声器校准参数输入，由于扬声器相互之间存在差异性，其对驱动信号不能完美相应，因此扬声器阵列的幅值和相位差并不能保证完全一致，因此可能需要进行校准与补偿。如果扬声器品质较好，幅值和相位差异对最终合成的模态品质一般影响不大，可不做校准，此时相应的补充常数设置为零即可。

模块四：信号显示输出，该模态用于显示最终的输出信号，便于用户查看和确认信号状态和排查可能的故障。

声模态模拟控制程序，用于输入周向模态阶数m，选择相应的信号输出通道，采样时钟和确定采样频率和最大电压幅值，确定每个扬声器具体的驱动信号，并能够逐个对扬声器进行幅值和相位的校准与补偿，

PXi采集系统通过传声器采集时域信号，经过空间傅里叶方法分解后得到主模态幅值和周向模态阶数。

实施例2

本发明在风洞中测量风扇管道声模态的主要试验步骤包括以下：

步骤一：将声衬安装段盖板打开，安装被测声衬试验件。声衬试验件呈环状结构，短舱壳体在声衬安装区可拆分成两段。将短舱外壳拆分，并将声衬试验件卡入其中凹槽，最后将两段短舱壳体用铆钉连接。

步骤二：将短舱外壳与整流罩、翼型支撑片、发动机简化模型、翼型支撑连接，移动到风洞试验平台上，发动机简化模型与风洞收集器中心对应。

步骤三：连接风扇管道声模态模拟装置，将机柜与扬声器线缆相连，机柜放置在风洞外。通过主控系统控制16个扬声器发声，每个扬声器发声幅值一致，相邻扬声器相位差递增。如此就能合成周向模态阶数为8的声源模态。

步骤四：合成的声源沿着来流方向，向短舱模型下游传播，传感器接收时域信号，经过空间傅里叶分解后得到主模态幅值和周向模态阶数。

步骤五：在无声衬(安装盖板)状态下，按照步骤二至四重复试验测量，测得无声衬状态下测量点声压幅值，与有声衬试验条件下做比较得到声衬吸声效果。

以上步骤为8阶周向模态合成及声衬测试方案，如需更换被测试声源阶数和声衬样件可仿照上述步骤进行相应修改。最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本方案的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解。其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。