构建多排人工模拟旋转声源发生器的方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术还提供了根据该方法实施的多排人工模拟旋转声源发生器。

Method for constructing multi row artificial simulation rotary sound source generator

The present invention provides a method for constructing multi row, artificial simulation of rotating sound source generator includes: Based on the target mode, each row of the number of speakers, speaker sound frequency and arrangement for multi row speakers required physical parameters, calculate the phase of each speaker all row of their own; through the function generator program in a computer program the control of each speaker sound frequency, sound amplitude and sound phase, each speaker sound frequency and sound amplitude is the same; the output card output of the power amplifier, then the amplified signal output to each speaker; synchronous acquisition of all sound from the speakers microphone array arranged evenly through the installation in the downstream the week; and through the signal amplifier and data acquisition card, voice signal input will be collected to calculate The sound pressure level corresponding to each acoustic mode is calculated by the computer program to evaluate a constructed multi row artificial analogue rotary sound source generator. The invention also provides a multi row artificial analogue rotating sound source generator implemented according to the method.

【技术实现步骤摘要】
构建多排人工模拟旋转声源发生器的方法
本专利技术涉及人工模拟旋转声源发生器
，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。
技术介绍
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为静止坐标系下观察点位置柱坐标表示形式；为静止坐标系下声源位置柱坐标表示形式；α为z方向的波数；ω为发声频率；k0为声波波数；m与n均为整数，分别表示管道内声场的周向和径向模态阶数。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。
技术实现思路
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，本专利技术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。根据本专利技术的一方面，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来计算所有排的每个扬声器各自的相位。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来计算所有排的每个扬声器各自的相位。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，所述多本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
1.一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。2.根据权利要求1所述的构建多排人工模拟旋转声源发生器的方法，其中，计算所有排的每个扬声器各自的相位，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为声音轴向传播的距离；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来计算所有排的每个扬声器各自的相位。3.根据权利要求1所述的构建多排人工模拟旋转声源发生器的方法，其中，计算所有排的每个扬声器各自的相位，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓宇，孙晓峰，李志彬，景晓东，孙大坤，杜林，王叙理，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11