一种湍流控制屏声学校准系统及方法与流程

本申请属于航空发动机气动声学技术领域，特别涉及一种湍流控制屏声学校准系统及方法。

背景技术：

随着航空发动机设计向着精细化、多学科耦合方向的发展，发动机噪声问题得到了越来越多的关注，噪声控制及试验量化评估问题在发动机研制过程中变得十分重要。

对于航空发动机地面噪声试验测试而言，湍流控制屏是保障航空发动机噪声测试与研究的关键设备，其功用主要是对地面进气中存在的涡流进行整流，消除涡流与风扇干涉诱发的二次噪声，并最大限度保障风扇噪声的顺利传播。但是由于湍流控制屏自身结构及材料特性，仍然会存在一定的隔声损失。因此，如何开展湍流控制屏声学特性的校准，是航空发动机声学试验量化评估中的重要问题，在一些国际标准中也明确提出了整机试验过程中湍流控制屏的声学校准要求(频率范围500hz～8khz)。

目前消声室内进行在缩尺风扇部件噪声水平的试验工作，需在消声室内针对缩尺风扇部件声学试验需求开展湍流控制屏的声学校准工作，可获得湍流控制屏的传声特性，实现对风扇噪声数据的修正，从而得到精准的风扇噪声试验数据。但对于缩尺风扇部件而言，其湍流控制屏的声学校准情况与国际标准要求存在以下两方面差异：

1)现有技术中仅具有露天条件下(半自由场)，应用于整机的湍流控制屏声学校准要求，且未给出具体试验流程，而缩尺风扇部件声学试验是在消声室内进行的，与国际标准给出的露天环境不同，国际标准要求不再适用；

2)风扇缩尺后，风扇噪声特性发生改变，风扇噪声频率范围会增高，导致校准频率范围增高，甚至达到超声范畴(20khz-40khz)，国际标准要求不再适用。

因此，需要一种适用于全消声室环境下的湍流控制屏声学校准系统、方法及校准流程等，为缩尺风扇部件噪声试验测试的精准量化评估提供支撑。

技术实现要素：

本申请的目的是提供了一种全消声室内湍流控制屏声学校准系统及方法，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。

在第一方面，本申请提供了一种全消声室内湍流控制屏声学校准系统，所述校准系统置于全消声室，其包括：

校准声源，所述标准声源设置在风扇进气唇口的平面中心，且所述风扇进气唇口的平面中心距所述湍流控制屏中心的最小距离不少于风扇试验件直径的1/4，最大距离不超过风扇唇口平面中心与湍流控制屏边缘构成的120°范围，所述校准声源用于产生预定频率范围的粉红噪声；

参考传声器，所述参考传声器设置于所述校准声源与所述湍流控制屏之间，且位于所述风扇的轴线上，用于判断所述校准声源的发声状态；

多个校准传声器，多个所述校准传声器以所述校准声源为圆心成扇形的布置在湍流控制屏外的全消声室内，且所述校准传声器构成的扇形边缘位于所述湍流控制屏轮廓以内，所述校准传声器用于捕获噪音。

在本申请一实施方式中，所述预定频率范围为160hz～40khz。

在本申请一实施方式中，所述校准声源至少具有1/3倍频带结果且高于背景噪声10db的信噪比。

在第二方面，本申请提供了一种全消声室内湍流控制屏声学校准方法，其包括：

选取能够产生预定频率范围粉红噪音的标准声源，将所述标准声源设置在在风扇进气唇口的平面中心，所述风扇进气唇口的平面中心距所述湍流控制屏中心的最小距离不少于风扇试验件直径的1/4，最大距离不超过风扇唇口平面中心与湍流控制屏边缘构成的120°范围；

将所述参考传声器设置于所述校准声源与所述湍流控制屏之间，且位于所述风扇的轴线上的校准声源前方；

将多个所述校准传声器以所述校准声源为圆心成扇形的布置在湍流控制屏外的全消声室，且所述校准传声器构成的扇形边缘位于所述湍流控制屏轮廓以内；

安装所述湍流控制屏并使所述校准声源发射粉红噪声，通过所述校准传声器获取噪声数据；

拆卸所述湍流控制屏并使所述校准声源发射粉红噪声，通过所述校准传声器获取噪声数据。

在本申请一实施方式中，所述预定频率范围为160hz～40khz。

在本申请一实施方式中，所述校准声源至少具有1/3倍频带结果且高于背景噪声10db的信噪比。

在本申请一实施方式中，获取试验环境的温湿度参数，所述温湿度参数的测点共线于所述风扇的轴线。

在本申请一实施方式中，循环交替安装和拆卸湍流控制屏多次，并使所述校准声源发射粉红噪声以获得多组噪声数据。

在本申请一实施方式中，还包括：对获取的多组噪声数据进行处理以获得所述湍流控制屏的校准值。

在本申请一实施方式中，所述获得所述湍流控制屏的校准值，包括：

对每个传声器获取的结果进行转换，并对不少于一段时间内的噪声数据进行平均处理，获得每个通道的噪声频谱；

根据试验环境的温湿度及校准频率获得湍流控制屏校准频率空气衰减，并根据空气衰减对噪声数据进行修正；

对每个远场校准通道修正后的结果进行倍频程分析，获得每个通道的倍频带的噪声数据；

根据未安装湍流控制屏时倍频程处理结果的平均值与安装湍流控制屏时倍频程处理结果的平均值的差值获得每个传声器位置的倍频程校准值。

本申请的全消声室内湍流控制屏声学校准系统及方法通过在本研究所的风扇气动声学试验室(即全消声室)内经过一系列试验验证，根据消声室的声学特性，消声室在18d(d为风扇试验件进口直径)、160hz～40khz频率范围内满足自由场条件。

附图说明

为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1a为本申请的湍流控制屏正视图。

图1b为本申请的湍流控制屏侧视图。

图2为本申请的全消声室内湍流控制屏声学校准系统安装情况图。

图3为本申请的校准声源位置示意图。

图4为本申请的全消声室内湍流控制屏声学校准方法流程示意图。

图5为本申请的倍频校准计算流程示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

针对现有技术中指出的缩尺风扇湍流控制屏声学校准方法中所具有的问题，本申请提出一种全消声室内湍流控制屏声学校准系统及方法以克服上述问题。

如图1a和图1b所示，本申请中所述的湍流控制屏23大致成球型，其由多个六边形单元构成，其具有一切面，所述切面用于风扇插入。

如图2和图3所示，本申请的全消声室内湍流控制屏声学校准系统20置于全消声室10，声学校准系统20主要包括校准声源21、参考传声器22和多个校准传声器24。

校准声源21可由声源发生器和功率放大器构成，标准声源21设置在风扇进气唇口25的平面中心，且风扇进气唇口25的平面中心距湍流控制屏23中心的最小距离不少于风扇试验件直径的1/4，最大距离不超过风扇唇口平面中心与湍流控制屏边缘构成的120°范围，校准声源21用于产生预定频率范围的粉红噪声，且具有足够高的信噪比。在本申请一实施例中，预定频率范围为160hz～40khz。在本申请另一实施例中，校准声源21的信噪比应至少具有1/3倍频带结果且高于背景噪声10db。

需要说明的是，由于本申请中校准声源21在试验过程中需保证位置不发生变化，且校准声源21的安装位置具有很高的要求，因此在一些实施例中，为了对校准声源21进行设置或安装，可以采用声源支架对校准声源21进行安装及调整。

参考传声器22设置于校准声源21与湍流控制屏23之间，且位于风扇的轴线上，用于判断校准声源21的发声状态。在一些实施例中，参考传声器22置于校准声源21前方0.5～0.6m位置处，且参考传声器22和校准声源21均位于风扇的中心轴线上。

多个校准传声器24以校准声源21为圆心成扇形的布置在湍流控制屏23外的全消声室10内，校准传声器224按风扇远场噪声试验需求进行布置，且校准传声器24构成的扇形边缘位于湍流控制屏23轮廓以内，校准传声器24用于捕获噪音。

在本申请中，传声器需采用了1/2自由场传声器，传声器受感部朝向声源方向放置，可以有效利用传声器指向性特点减弱声波反射对测试的影响。

需要说明的是，本申请的声学校准系统中还包括一些控制系统，例如控制计算机等，用于输入输出控制信号。控制计算机可以控制校准声源21进行发射声源，以及可以显示或控制传声器进行工作。对于控制系统或控制计算机的描述，本处不在赘述。

如图4所示，本申请进一步还提供了一种全消声室内湍流控制屏声学校准方法，其包括：

1)选取能够稳定产生预定频率范围粉红噪音的标准声源21，预定频率范围为160hz～40khz，粉红噪音应具有足够高的信噪比。在一些实施例中，校准声源21的信噪比至少为1/3倍频带结果且高于背景噪声10db。将标准声源21设置在在风扇进气唇口25的平面中心o，风扇进气唇口25的平面中心距湍流控制屏23中心的最小距离不少于风扇试验件直径的1/4，最大距离不超过风扇唇口平面中心与湍流控制屏边缘构成的120°范围，以保证风扇噪声试验过程中声波与湍流屏结构不发生干涉。

2)将参考传声器22设置于校准声源21与湍流控制屏23之间，且位于风扇的轴线上的校准声源21前方。

3)将多个校准传声器24以校准声源21为圆心成扇形的布置在湍流控制屏23外的全消声室10内，且校准传声器24构成的扇形边缘位于湍流控制屏23轮廓以内。

4)安装湍流控制屏23，操作控制计算机并使校准声源21发射粉红噪声激励，通过校准传声器24和参考传声器22获取160hz～40khz远场噪声数据；激励时，应保证声源发生器和功率放大器的输入电压恒定。

5)拆卸湍流控制屏23，保证校准声源21的位置不发生变化，操作控制计算机并使校准声源21发射粉红噪声激励，通过校准传声器24和参考传声器22获取160hz～40khz远场噪声数据。

在本申请方法中，高频校准结果受环境温湿度变化影响较大，因此还需获取试验环境的温湿度参数，温湿度参数的测点共线于风扇的轴线，即温湿度测点、校准传声器24、试验件进口中心(校准声源21位置)三者应在同一直线上。

在本申请一些实施例中，对参考传声器22测得的噪声数据进行平均处理，不少于2分钟内参考传声器1/3倍频带声压级偏差不超过0.5db的数据为有效数据。

在本申请方法中，需要循环交替安装和拆卸湍流控制屏23多次，并使校准声源发射粉红噪声以获得多组噪声数据。例如，在上述实施例中，每种构型(有、湍流控制屏工况)交替进行3次试验，每次试验保证声源状态一致(位置、声源发声状态等)，每种构型下每个校准传声器1/3倍频带总声压级偏差不超过0.5db的数据为有效数据，无效数据需重新进行试验。

最后，对试验过程中获取的多组环境温湿度进行记录，并对校准结果进行数据处理及修正，以获得湍流控制屏的校准值。

在本申请一实施例中，湍流控制屏校准值的确定过程包括如下步骤：

1)对每个传声器获取的结果进行fft(fastfouriertransformation，即快速傅里叶变换)转换，并对不少于一段时间内的噪声数据进行平均处理，获得每个通道的噪声频谱。在一些实施例中，上述一段时间为不少于60秒的时间。

2)根据试验环境的温湿度及校准频率，采用sae-arp-866a《standardvaluesofatmosphericabsorptionasafunctionoftemperatureandhumidity》方法完成湍流控制屏校准频率空气衰减(弛豫效应)的计算，基于计算结果对噪声数据进行修正。

3)对每个远场校准通道修正后的结果进行1/3倍频程分析，获得每个通道的1/3倍频带的噪声数据。

4)根据未安装湍流控制屏时1/3倍频程处理结果的平均值与安装湍流控制屏时1/3倍频程处理结果的平均值的差值，获得每个传声器位置1/3倍频程校准值。

本申请的全消声室内湍流控制屏声学校准系统及方法针对160khz～40khz频段，对湍流控制屏的声学校准提出数据处理及修正方法和要求，保证校准结果精度，通过在本研究所的风扇气动声学试验室(即全消声室)内经过一系列试验验证，根据消声室的声学特性，消声室在18d(d为风扇试验件进口直径)、160hz～40khz频率范围内满足自由场条件。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。