一种管道高阶声模态发生装置及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种管道高阶声模态发生装置及控制方法，装置包括模态激发管道和测量管道，沿模态激发管道的轴向布置有多个环形扬声器阵列，每个环形扬声器阵列包括多个沿模态激发管道的周向布置的扬声器；控制方法中，根据扬声器的安装位置确定各个扬声器对声模态的贡献，构造声源与模态系数的方程组，求解得到声源信息，进而控制扬声器发声形成特定声模态。与现有技术相比，本发明专利技术中扬声器沿模态激发管道的轴向和周向布置，通过管道高阶声模态控制方法，考虑扬声器的周向位置和轴向位置，可以实现周向模态和径向模态的激发，并可以同时激发和控制多个声模态，适用范围更广，并且得到的目标声模态在声场中占优。

A device for generating high-order acoustic mode of pipeline and its control method

【技术实现步骤摘要】
一种管道高阶声模态发生装置及控制方法
本专利技术涉及管道声模态发生控制领域，尤其是涉及一种管道高阶声模态发生装置及控制方法。
技术介绍
航空发动机噪声是飞机的主要噪声来源，为了有效控制航空发动机噪声，在降噪措施实施之前，需要首先对管道内的噪声进行测试，并分析其主要噪声特性。发动机的噪声是以模态的形式在管道内传播的，模拟航空发动机噪声的常用装置是管道声模态发生器。管道声模态发生器是通过控制齐平安装于管道外壁上的扬声器阵列，在管道内产生特定螺旋声模态的一种装置，用于模拟航空发动机噪声。现有研究中，Seiner,J.M.，Reethof,G.在NationalAeronauticsandSpaceAdministration(美国国家航空航天局，NASA)发表了研究报告《Designanddevelopmentofthespinningmodesynthesizer》(螺旋声模态发生器的设计与开发)，在该文中介绍了美国NASA所研制的管道声模态发生器，用于研究航空发动机的噪声机理。但是，现有的管道声模态发生器只能产生单一周向声模态，且产生的周向声模态阶次受周向扬声器个数的限制，由于管道周向安装位置有限，小直径的模态发生器只能产生低阶次声模态。公开号为107172534A的中国专利技术专利公开了一种构建多持人工模拟旋转声源发生器的方法，构建了多排扬声器，从而对第一排扬声器进行补偿，模拟出了模态占优情况更显著的声场，也能够通过多排扬声器产生更高模态的声场。但是，该专利提供的构建声源发生器的方法只能产生单一周向声模态，无法实现对径向声模态的控制。实际上，航空发动机管道内声场除了存在周向声模态以外，同时还存在径向声模态的传播，且多个模态同时出现。因此要求一种能同时产生一个或多个周向模态和径向声模态，现有的声模态发生器无法满足上述要求。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种管道高阶声模态发生装置及控制方法，扬声器沿模态激发管道的轴向和周向布置，通过管道高阶声模态控制方法，考虑扬声器的周向位置和轴向位置，可以实现周向模态和径向模态的激发，并可以同时激发和控制多个声模态，适用范围更广，并且得到的目标声模态在声场中占优。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种管道高阶声模态发生装置，包括模态激发管道、测量管道、扬声器单元和传声器单元，模态激发管道与测量管道连接，扬声器单元安装在模态激发管道上，传声器单元安装在测量管道上，所述扬声器单元包括多个沿模态激发管道的轴向布置的环形扬声器阵列，所述环形扬声器阵列包括多个沿模态激发管道的周向布置的扬声器。进一步的，所述扬声器单元包括多个沿模态激发管道的轴向等间距均匀布置的环形扬声器阵列，所述环形扬声器阵列包括多个沿模态激发管道的周向等间隔角度均匀布置的扬声器。进一步的，所述模态激发管道上安装有扬声器导管，扬声器通过扬声器导管连接至模态激发管道的管壁。进一步的，所述传声器单元包括多个传声器，所述传声器安装在测量管道的管壁上。进一步的，所述管道高阶声模态发生装置还包括唇口管道和末端管道，所述唇口管道与测量管道连接，所述末端管道与模态激发管道连接。更进一步的，所述唇口管道、测量管道、模态激发管道和末端管道之间通过法兰连接。更进一步的，所述管道高阶声模态发生装置还包括多个支撑架，所述支撑架分别用于固定唇口管道、测量管道、模态激发管道和末端管道的位置。更进一步的，所述管道高阶声模态发生装置还包括导轨，支撑架的底端设有滑块，所述滑块滑动安装在导轨内。更进一步的，所述导轨上设有与导轨和滑块相配合的限位机构。更进一步的，所述支撑架包括竖向支架和横向支架，竖向支架的数量为2个，竖向支架连接至管道的两侧管壁，横向支架连接2个竖向支架。更进一步的，所述支撑架的底端设有可锁死的滚轮。一种管道高阶声模态控制方法，包括以下步骤：S1：获取模态激发管道上各个扬声器的位置，在模态激发管道上建立柱坐标系并分别计算每个扬声器的柱坐标，所述模态激发管道上共安装有Ns个扬声器；基于模态激发管道的半径a和扬声器的声源频率fa计算模态激发管道的可传播模态总数Nm；S2：构造权重矩阵α：式中，Ns表示扬声器的数量，元素αηi表示扬声器i对于第η阶声模态的贡献，扬声器i的柱坐标为(a，θi，zi)，第η阶声模态为(m，n)，αηi表达式为：式中，Jm(κmna)表示m阶第一类贝塞尔函数，kz表示柱坐标下的轴向波数，S3：构建模态系数列向量Aη表示第η阶声模态的模态系数，将所有的目标阶声模态的模态系数均设置为相同的非零常数，将其他非目标阶声模态的模态系数设置为零；S4：求解方程组αQ＝A，得到声源信息其中，Qi表示扬声器i的声源信息，所述声源信息包括幅值和相位；S5：基于扬声器的声源信息Q控制各个扬声器播放声音，在模态激发管道内形成目标阶声模态。进一步的，步骤S1中，模态激发管道上环形扬声器阵列的数量为N，每个环形扬声器阵列中扬声器的数量为M，以最靠近末端管道的环形扬声器阵列所在的模态激发管道的截面中心为柱坐标系的坐标原点，水平方向为柱坐标系的x轴，按末端管道至测量管道的方向将环形扬声器阵列自1向N编号，依次对第1个、第2个、…第N个环形扬声器阵列中的扬声器进行编号，一个环形扬声器阵列中的多个扬声器沿柱坐标系中x轴的正方向依次编号，第i号扬声器的柱坐标为(a，θi，zi)，其中：zi＝(μ-1)zNs＝M×N其中，z表示相邻两个环形扬声器阵列的轴向间距，μ表示第i号扬声器所在的环形扬声器阵列的编号。进一步的，步骤S5具体为：对扬声器的声源信息Q进行标准化处理，得到标准化处理后的声源信息基于标准化后的声源信息产生正弦波信号，扬声器基于正弦波信号播放声音。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)扬声器沿模态激发管道的轴向和周向布置，通过管道高阶声模态控制方法，考虑扬声器的周向位置和轴向位置，可以实现周向模态和径向模态的激发，并可以同时激发和控制多个声模态，适用范围更广，并且得到的目标声模态在声场中占优。(2)管道高阶声模态控制方法中，根据扬声器的安装位置确定各个扬声器对不同声模态的贡献，令目标模态的模态系数为常数，构造声源与模态系数的线性方程组，并求解该方程组得到每个声源的声源信息，进而通过控制扬声器在管道内形成特定声模态，控制过程简单，能够实现对目标声模态的精准控制。(3)多个环形扬声器阵列沿模态激发管道的轴向等间距均匀布置，环形扬声器阵列中多个扬声器沿模态激发管道的周向等间隔角度均匀布置，能够降低扬声器之间的相互影响，且更便于进行声模态的控制。(4)各段管道通过支撑架支撑，提高了管道高阶声模态发生装置的稳定性，支撑架的底端设有滑块，滑块与导轨配合，便于各段管道之间的安装和移动。附图说明图1为管道高阶声模态发生装置的正视图；...

【技术保护点】
1.一种管道高阶声模态发生装置，包括模态激发管道(5)、测量管道(4)、扬声器单元和传声器单元，模态激发管道(5)与测量管道(4)连接，扬声器单元安装在模态激发管道(5)上，传声器单元安装在测量管道(4)上，其特征在于，所述扬声器单元包括多个沿模态激发管道(5)的轴向布置的环形扬声器阵列，所述环形扬声器阵列包括多个沿模态激发管道(5)的周向布置的扬声器(51)。/n

【技术特征摘要】
1.一种管道高阶声模态发生装置，包括模态激发管道(5)、测量管道(4)、扬声器单元和传声器单元，模态激发管道(5)与测量管道(4)连接，扬声器单元安装在模态激发管道(5)上，传声器单元安装在测量管道(4)上，其特征在于，所述扬声器单元包括多个沿模态激发管道(5)的轴向布置的环形扬声器阵列，所述环形扬声器阵列包括多个沿模态激发管道(5)的周向布置的扬声器(51)。


2.根据权利要求1所述的一种管道高阶声模态发生装置，其特征在于，所述扬声器单元包括多个沿模态激发管道(5)的轴向等间距均匀布置的环形扬声器阵列，所述环形扬声器阵列包括多个沿模态激发管道(5)的周向等间隔角度均匀布置的扬声器(51)。


3.根据权利要求1所述的一种管道高阶声模态发生装置，其特征在于，所述模态激发管道(5)上安装有扬声器导管(52)，扬声器(51)通过扬声器导管(52)连接至模态激发管道(5)的管壁。


4.根据权利要求1所述的一种管道高阶声模态发生装置，其特征在于，所述管道高阶声模态发生装置还包括唇口管道(2)和末端管道(6)，所述唇口管道(2)与测量管道(4)连接，所述末端管道(6)与模态激发管道(5)连接。


5.根据权利要求4所述的一种管道高阶声模态发生装置，其特征在于，所述唇口管道(2)、测量管道(4)、模态激发管道(5)和末端管道(6)之间通过法兰(3)连接。


6.根据权利要求4所述的一种管道高阶声模态发生装置，其特征在于，所述管道高阶声模态发生装置还包括多个支撑架(1)，所述支撑架(1)分别用于固定唇口管道(2)、测量管道(4)、模态激发管道(5)和末端管道(6)的位置。


7.根据权利要求6所述的一种管道高阶声模态发生装置，其特征在于，所述管道高阶声模态发生装置还包括导轨(11)，支撑架(1)的底端设有滑块(12)，所述滑块(12)滑动安装在导轨(11)内。


8.一种管道高阶声模态控制方法，其特征在于，基于如权利要求1-7中任一所述的管道高阶声模态发生装置，包括以下步骤：
S1：获取模...

【专利技术属性】
技术研发人员：严莉，黄时春，杨程，潘行健，蒋伟康，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31