构建多排人工模拟旋转声源发生器的方法与流程
本发明涉及人工模拟旋转声源发生器技术领域，具体地，涉及用于构建多排人工模拟旋转声源发生器的方法。
背景技术：
进入21世纪以来，由于对飞机噪声强制性指标的要求越来越高，声学目标越来越难以通过被动声学手段来实现。在此情况下，通过主动噪声控制实现航空发动机降噪受到越来越多的关注。具体地，飞机在起飞和着陆过程中的主要噪声源之一是风扇叶片的转子静子相互干涉。在上世纪60年代tyler和sofrin指出，转静干涉噪声是谐波，并会激发出一个特殊的模态作为叶片的函数。这些谐波都是叶片通过频率(bpf)的整数倍，如图1所示，并且均较宽频噪声有30db的声压级差。主动噪声控制目标就是降低这些谐波的噪声。
大量的已有测试表明，主动噪声控制可以显著降低噪音。而通过仿真模拟则可更进一步分析实验结果并且预测降噪效果。为了能够人工模拟不同模态占优的声场，人工模拟旋转声源发生器应运而生。该工具通过安装在管道壁面的扬声器阵列产生特定模态占优的声场，主声场具有一个占优模态。通过改变扬声器控制规则实现不同的占优模态，并且可以进一步模拟航空发动机，即入口、风扇、静子叶片和喷嘴处的噪声。
目前，现有的人工模拟旋转声源发生器通过在管道壁面上周向均匀安装单排扬声器阵列，改变扬声器发生规则来实现人工的模拟不同模态占优的声场。具体地，单排人工模拟旋转声源发生器的工作原理如下：
考虑流体受叶片施加非定常载荷的发声的情况。先简化管道及叶片模型，使其满足三维升力面理论基本假设：
1)管道内壁为刚性壁面。管内为无黏、可压缩、等熵、亚声速的均匀流动。
2)平板叶片，并忽略厚度影响。
3)流动入射角为0°，即攻角为0°的情况，只考虑叶片上的非定常载荷。
依据以上假设及lighthill声类比理论，可将待研究问题简化为偶极子源产生的声场，其声压为：
其中：x(x1，x2，x3)为静止坐标系下观察点位；y(y1，y2，y3)为静止坐标系下声源位置；t为观察时间；τ为发声时间；s(y)为物体边界表面；fy为物体对其表面流体所施加的非定常力；g为格林函数，对于压气机的圆环管道，格林函数可表示为
上式中
假设转子叶片排中包含的转子叶片数目为b，则可得叠加所有叶片产生的总声压为：
考虑上式中叶片数求和部分。考虑到转子叶片数目较多，一般取σb/2π为整数。
综合以上推导可知，单排转子叶片的非同步震荡发声的叶片数目、转速、叶片振动频率、叶片相位差、周向模态存在以下关系：
ω＝ωs+mω
其中s、b、m为整数，且可以看出对于每一个声场频率对应唯一的周向模态。根据以上结果，将叶片替换为扬声器，即b表示扬声器数目，扬声器声源频率可模拟叶片振动频率，相邻扬声器之间的相位差σ可以模拟转子叶片振动间相角，则得到人工模拟旋转声源发生器在单排扬声器条件下的控制规则。
由以上分析可知，扬声器的数量与能够产生的占优最高模态直接相关，例如：如果扬声器数量为2n个，则此人工模拟旋转声源发生器只能产生-n～+n模态占优的声场，即最高模态数为n。然而，航空发动机产生的模态一般较高，而现有的单排人工模拟旋转声源发生器所能产生的最高模态受到有限的管道内壁周向尺寸所能够布置的单排扬声器的数量限制。
例如，在实验台上，管道内壁一周均匀安装9个扬声器，如果想要实现+1模态占优的声场，那么按照以下公式：
可以计算出，相邻扬声器的相位差应该设置为-40度。
然而，按照上述条件计算出m＝…，-17，-8，1，10，19，…，虽然管道的截止效应会把高阶模态消除，但是当频率足够高时，不可避免地会出现多个次占优模态，如图9中的-5模态。这种情况下，单排扬声器产生的声场占优情况也不理想。
技术实现要素：
为了克服现有的单排人工模拟旋转声源发生器受到扬声器数量限制的影响，本发明提出了一种构建多排人工模拟旋转声源发生器的方法，其通过对第一排扬声器进行补偿，不仅能够模拟出模态占优情况更加显著的声场，而且还能够突破扬声器数量的限制，模拟出更高模态的声场。
根据本发明的一方面，提供了一种构建多排人工模拟旋转声源发生器的方法，包括：
基于目标模态、每排扬声器的数量、扬声器的发声频率以及用于布置多排扬声器所需的物理参数，计算所有排的每个扬声器各自的相位；
通过计算机程序中的函数发生器程序，分别控制每个扬声器的发声频率、发声幅值和发声相位，其中每个扬声器的发声频率和发声幅值是相同的；
经由输出卡输出到功率放大器，再将经过放大的信号输出到各个扬声器；
通过安装在下游的周向均匀布置的传声器阵列同步采集所有扬声器发出的声音；以及
经由信号放大器和采集卡，将所采集的声音信号输入到计算机，通过所述计算机程序计算各个声模态对应的声压级，以评价所构建的多排人工模拟旋转声源发生器。
根据实施例，计算所有排的每个扬声器各自的相位，可以包括：
基于所述目标模态、所述每排扬声器的数量，使用以下等式来计算每排中相邻的扬声器之间的相位差σ，
其中，m为所述目标模态，s为整数，b为所述每排扬声器的数量；
基于所述扬声器的发声频率以及所述用于布置多排扬声器所需的物理参数，使用以下等式来计算第j排扬声器相对于第1排扬声器的补偿相位
其中，所述用于布置多排扬声器所需的物理参数包括：kz为轴向波数；z为扬声器轴向传播的距离；ω为角频率，ω＝2πf，f为扬声器的发声频率；c0为当地声速；ma为流动马赫数；kr为径向波数，可由所述目标模态和用于布置多排扬声器的管道的尺寸计算得到；l为相邻两排扬声器之间的距离；n为多排扬声器的总排数；以及
基于给定的第1排第1个扬声器的相位、所计算的每排中相邻的扬声器之间的相位差σ和所计算的第j排扬声器相对于第1排扬声器的补偿相位
根据实施例，计算所有排的每个扬声器各自的相位，也可以包括：
基于所述每排扬声器的数量，使用以下等式来计算第j排扬声器相对于第1排扬声器旋转的角度θj，
基于所述目标模态、所述每排扬声器的数量，使用以下等式来计算相邻的两排扬声器之间的相位差σ，
其中，m为所述目标模态，s为整数，b为所述每排扬声器的数量；
基于所计算的相邻的两排扬声器之间的相位差σ，计算每排中相邻的扬声器之间的相位差n*σ；
基于所述扬声器的发声频率以及所述用于布置多排扬声器所需的物理参数，使用以下等式来计算第j排扬声器相对于第1排扬声器的补偿相位
其中，所述用于布置多排扬声器所需的物理参数包括：kz为轴向波数；z为扬声器轴向传播的距离；ω为角频率，ω＝2πf，f为扬声器的发声频率；c0为当地声速；ma为流动马赫数；kr为径向波数，可由所述目标模态和用于布置多排扬声器的管道的尺寸计算得到；l为相邻两排扬声器之间的距离；n为多排扬声器的总排数；以及
基于给定的第1排第1个扬声器的相位、所计算相邻的两排扬声器之间的相位差σ、所计算的每排中相邻的扬声器之间的相位差n*σ和所计算的第j排扬声器相对于第1排扬声器的补偿相位
根据实施例，所述多排扬声器布置为每一排扬声器沿着所述管道的轴向在平面上的投影形成b个扬声器的周向均匀分布的阵列。
根据实施例，所述多排扬声器布置为每一排扬声器沿着所述管道的轴向在平面上的投影形成n×b个扬声器的周向均匀分布的阵列。
根据实施例，所述给定的第1排第1个扬声器的相位优选为零。
根据实施例，所述计算机程序为labview计算机程序。
根据本发明的另一方面，提供了一种根据任一上述构建多排人工模拟旋转声源发生器的方法实施的旋转声源发生装置。
附图说明
图1为飞机发动机风扇叶片转静干涉噪声频谱图。
图2为根据本发明实施例的构建多排人工模拟旋转声源发生器的方法的流程图。
图3为根据本发明实施例的构建多排人工模拟旋转声源发生器的方法实施的多排人工模拟旋转声源发生器的剖面图。
图4为根据本发明一实施例的形成模态占优更理想声场的多排扬声器安装位置平面展开示意图。
图5为根据本发明一实施例的形成模态占优更理想声场的示例的3排扬声器安装位置平面展开示意图。
图6为根据本发明另一实施例的形成更高模态声场的多排扬声器安装位置平面展开示意图。
图7为根据本发明另一实施例的形成更高模态声场的示例的2排扬声器安装位置平面展开示意图。
图8为图7的2排扬声器沿着管道轴向投影后的示意图。
图9和10分别示出现有的单排人工模拟旋转声源发生器和根据本发明实施例的多排人工模拟旋转声源发生器产生目标+4模态占优声场的效果图。
图11和12分别示出现有的单排人工模拟旋转声源发生器和根据本发明实施例的多排人工模拟旋转声源发生器产生7模态占优声场的效果图。
具体实施方式
以下参照附图具体描述根据本发明实施例的构建多排人工模拟旋转声源发生器的方法。
图2示出根据本发明实施例的构建多排人工模拟旋转声源发生器的方法的流程图。如图2所示，构建多排人工模拟旋转声源发生器的方法，包括：
基于目标模态、每排扬声器的数量、扬声器的发声频率以及用于布置多排扬声器所需的物理参数，计算所有排的每个扬声器各自的相位；
通过计算机程序中的函数发生器程序，分别控制每个扬声器的发声频率、发声幅值和发声相位，其中每个扬声器的发声频率和发声幅值是相同的；
经由输出卡输出到功率放大器，再将经过放大的信号输出到各个扬声器；
通过安装在下游的周向均匀布置的传声器阵列同步采集所有扬声器发出的声音；以及
经由信号放大器和采集卡，将所采集的声音信号输入到计算机，通过所述计算机程序计算各个声模态对应的声压级，以评价所构建的多排人工模拟旋转声源发生器。
图3示出根据本发明实施例的构建多排人工模拟旋转声源发生器的方法实施的多排人工模拟旋转声源发生器的剖面图。如图3所示，在管道内壁周向设置有多排扬声器安装孔301，用于安装多排扬声器；并且在管道内壁的下游位置周向设置有传送器阵列302，用于接收多排扬声器发出的声音信号。
以下结合图4和图5描述根据本发明一实施例的形成模态占优更理想声场的多排扬声器布置。
具体地，图4示出总共n排扬声器、每一排具有b个扬声器时的具体布置方式。
如图4所示，为了形成模态占优更理想的声场，多排扬声器中的每一排扬声器沿管道轴向的投影应该完全重合，且每一排扬声器的发声规则都应该满足：
其中，m为目标模态，s为整数，b为每一排中的扬声器的数量，σ为每一排中相邻扬声器的相位差。
如图4所示，对于n排扬声器来讲，每一排扬声器的1号扬声器，即编号为11、21、31、41、...、n1的扬声器(其中，编号的第一位为排号，第二位为当前排的序列号)，即，不同排但编号相邻的扬声器之间(11与21、21与31、…)应该存在相位差，用于补偿轴向传播距离的差异，使其传播到传声器阵列时与第1排扬声器在此处的声压具有相同的相位，起到增强作用。
计算所有排的每一个扬声器的相位的方法如下：
每一个扬声器的声压函数可以表示为：
其中，a为声压幅值，ω为角频率，ω＝2πf，f为扬声器的发声频率，kz为轴向波数，z为声音轴向传播的距离。
其中，k0为波数；kr为径向波数，可由目标模态和管道尺寸计算得到；ma为流动马赫数；c0为当地声速。
在本发明实施例中，扬声器阵列是同步发声，并且传声器阵列是同步采集。为了保证在某一时刻，第j排扬声器传播至传声器阵列时(声音传播了zj距离)，对第1排扬声器在此处的声压具有增强效果，需要对第j排扬声器的相位进行修正，才能使其声音传到传声器阵列位置时，两排扬声器的声压相位相同，设修正相位为
设传声器采集的时刻为t0，则第11号和第j1号扬声器发声后，在传声器阵列处的声压为：
其中，z1＝s，zj＝s+(j-1)*l，j＝2，3，...，n
保证相位相同，即
即为采用第n排扬声器时第j排的修正相位。可以看出修正相位与s无关。
当给定11号扬声器相位为0°时，基于每一排中相邻扬声器之间的相位差、相邻两排扬声器之间的修正相位，诸如相邻两排中的1号扬声器之间的修正相位，可以得到所有排中的每个扬声器的相位。
图5示出形成模态占优更理想声场的3排扬声器布置的示例。具体地，如图5所示，三排人工模拟旋转声源发生器中，实验条件为：每排具有9个扬声器，无流动，温度20度，管道内径600mm，目标模态是+2，发声频率f为1000hz，相邻两排扬声器间距l＝0.1m。
根据
根据公式
当j＝2时，c0＝343m/s(主要与温度有关)，kr＝8.726，ω＝6283，ma＝0，则相位差
由此，基于给定的11号扬声器相位0°、每一排中相邻的扬声器之间的相位差σ＝-80°以及相邻两排扬声器之间的相位差
同理，
以下结合图6和图7描述根据本发明另一实施例的形成更高模态声场的多排扬声器布置。
图6示出了n排扬声器并且每排b个扬声器的具体布置方式，其中，为了形成更高模态声场，将扬声器阵列相对于第1排阵列旋转一定角度，如图6所示，对于第j排(j＝2，3，...，n)扬声器阵列，应相对于第1排旋转的角度为θj：
由此，n排扬声器可以看做从单排扬声器(n*b个扬声器)中每n个选取一个形成阵列并做不同距离的轴向平移而得到。也就是说，n排扬声器沿管道轴向在平面上的投影可以形成n*b个扬声器周向均匀分布的阵列。
为了形成目标声场，需要投影后的n×b扬声器阵列满足
此时相邻两排扬声器之间的相位差为
由于此时的相位差是投影平移之后的，当回复到投影前的状态时，需要对第j排扬声器的相位进行修正，保证其投影前与投影后声压传到传声器阵列处的相位一致。
每一个扬声器的声压函数可以表示为：
其中，a为声压幅值，ω为角频率，ω＝2πf，f为扬声器发声频率，kz为轴向波数，z为声音轴向传播的距离。
其中，k0为波数；kr为径向波数，可由目标模态和管道尺寸计算出；ma为流动马赫数；c0为当地声速。
在本实施例中，扬声器阵列是同步发声并且传声器阵列是同步采集，为了保证在某一时刻，投影前第j排扬声器传播至传声器阵列时(声音传播了zj距离)，与投影后(向第1排扬声器平面)的扬声器在传声器阵列处的声压具有相同相位，需要对第j排扬声器的相位进行修正，设修正相位为
设传声器阵列采集的时刻为t0，则投影后第j1号与投影前第j1号扬声器在传声器阵列处的声压为：
其中，z1＝s，zj＝s+(j-1)*l，j＝2，3，...，n
保证相位相同，即
即为采用第n排扬声器时第j排的修正相位。可以看出修正相位与s无关。
由此，基于给定的11号扬声器相位、每一排中相邻扬声器之间的相位差、相邻的两排扬声器之间的相位差以及各排扬声器的修正相位，可以得到所有扬声器的相位。
图7示出形成更高占优模态声场的2排扬声器布置的示例。如图7所示，第2排扬声器相对于第1排周向旋转了
假设实验条件为：每排9个扬声器，无流动，温度20度，管道内径(直径)600mm，目标模态是+7，频率为2000hz，相邻两排扬声器间距l＝0.1m。
根据
同时，第二排扬声器还应该存在修正相位：
当m＝+7时，c0＝343m/s，kr＝28.593，ω＝2*π*f＝12566，ma＝0，l＝0.1m
则
图9和10分别示出现有的单排人工模拟旋转声源发生器和根据本发明实施例的多排人工模拟旋转声源发生器产生4模态占优声场的效果图。图11和12分别示出现有的单排人工模拟旋转声源发生器和根据本发明实施例的多排人工模拟旋转声源发生器产生7模态占优声场的示意图。由图9和图10可以看出，两次实验的目的均是产生+4模态占优的声场。图9是单排9个扬声器产生的声场，-5模态对应声压级很高，但占优量仅有5db，而图10是双排18个扬声器产生的声场，可以看到其有效地抑制了-5模态的声音，同时增强了+4模态的声音，使占优量达到了20db。
由图11和图12可以看出，两次实验的目的均是产生7模态占优的声场，单排9个扬声器产生的声场，+7模态对应声压级并不是最高的，反而-2模态最高，证明此声场的构建是失败的，而从图12可以看出，双排扬声器有效地抑制了-2模态的声音，同时增强了+7模态的声音，使占优量达到了12db。
综上所述，本发明提供了一种构建多排人工模拟旋转声源发生器的方法及根据该方法实施的多排人工模拟旋转声源发生器，其通过对第一排扬声器进行补偿，不仅能够模拟出模态占优情况更加显著的声场，而且还能够突破扬声器数量的限制，模拟出更高模态的声场。
另外，根据本发明的构建多排人工模拟旋转声源发生器的方法实施的多排人工模拟旋转声源发生器具有多种功能，能够进行多种实验，如声衬性能测试，吸声材料性能测试等。并且，可以利用较为简单的结构实现叶轮机械内部声场的模拟，并基于该声场完成相关研究。一定程度上生成较为单纯的单模态或多模态声场，便于完成一些特定机理研究，例如叶片排反射系数的研究等。
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