一种高温环境下声场测量与分析装置及其分析方法制造方法及图纸

本发明专利技术一种高温环境下的声场测量与分析装置及其分析方法。该装置由声导管阵列、柔性半无限管、声音传感器、数据采集器和计算机组成。声导管与半无限管的结合设计，可抑制导管末端反射，提高测量准确度。该装置可进行声场数据采集和处理，实现声场时域、频域和重构分析。在数据处理过程中，利用基于1/3倍频程谱的声导管声压幅值修正方法，对声导管末端的数据进行修正，提高测量精度；通过峭度加权计算实现了常规波束形成声场重构方法优化，获得准确的声压分布及强度信息。优点是能够在常规传声器无法直接测量的恶劣环境下进行声场测量，可准确重构出高温环境下的声场分布和强度信息，为材料/构件在热声耦合环境下的疲劳失效分析提供数据支撑。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术一种高温环境下的声场测量与分析装置及其分析方法。该装置由声导管阵列、柔性半无限管、声音传感器、数据采集器和计算机组成。声导管与半无限管的结合设计，可抑制导管末端反射，提高测量准确度。该装置可进行声场数据采集和处理，实现声场时域、频域和重构分析。在数据处理过程中，利用基于1/3倍频程谱的声导管声压幅值修正方法，对声导管末端的数据进行修正，提高测量精度；通过峭度加权计算实现了常规波束形成声场重构方法优化，获得准确的声压分布及强度信息。优点是能够在常规传声器无法直接测量的恶劣环境下进行声场测量，可准确重构出高温环境下的声场分布和强度信息，为材料/构件在热声耦合环境下的疲劳失效分析提供数据支撑。【专利说明】
本专利技术涉及一种高温环境下的声场测量与分析方法。特别是高温环境下基于声导管阵列的声音测量方法和优化的声场重构分析方法。
技术介绍
随着航天技术的快速发展，飞行器具有了更高的机动性和更快的飞行速度。近空间飞行器已成为国际航空航天领域最为活跃的研究内容之一。近空间飞行器在大气层内一般以超过5马赫的速度飞行，其飞行服役环境极端复杂苛刻。其极端表面高温(>1500°C)、大温度梯度(100°C/mm)、高噪声脉动压力(>170dB)以及长时间(>20min)巡航是高超声速飞行器飞行环境的显著特点，对飞行器结构的材料性能、动力学特性、自动控制等都产生了严重影响。而高声强噪声会随机激励飞行器的壁面，在快速的交变应力作用下，结构的薄弱部位会造成声疲劳裂纹的萌发、扩展直至失效，轻者铆钉松动，重者将使飞行器蒙皮出现裂纹，承力件断裂等严重事故。为确保飞行器结构在极端恶劣环境下的服役安全，往往需要在地面开展大量的热/声疲劳试验。通过对结构表面的声场进行重构，就可明确知道作用在结构表面声载荷的大小及分布规律，为结构在高温、高声强恶劣环境下的失效评价提供数据支撑。在以往的声场测量研究中，高温测量试验大多是单点测量，较少涉及基于阵列数据的二维声场重构；而利用阵列数据进行声源定位或重构的研究中，大多是在常温环境下进行的，缺乏高温环境下的声场重构研究。若能够通过声导管技术将声音信号从高温环境“引出”到传声器能够正常工作的常温环境中，并利用波束形成算法来处理阵列信号，就可以重构出高温环境下结构表面的声载荷分布及其强度大小。本专利技术正是为了实现这一目的而产生的。2007-05-16公开的专利:CN2901009Y，题目:《隔热传声膜式声导管》，专利技术人:徐元哲。该专利技术是一种用于锅炉炉内承压管水汽泄漏在线监测装置的隔热传声膜式声导管，其特点是，在声导管内置有与声导管后端连接的隔热传声体，隔热传声体的结构设有套管，在套管内设有隔热传声膜，隔热传声膜为耐高温隔热聚四氟乙烯膜或锡箔纸。该专利技术的隔热传声膜式声导管，由于在声导管内置有与声导管后端连接的具有隔热传声膜的隔热传声体，能够阻断锅炉在正压情况下炉内火焰和热气直接与传感器接触而损坏传感器，使传感器的使用寿命延长。2012-08-01公开的专利:CN202362450U，题目:《一种基于麦克风阵列的声源定位及可视化系统》，专利技术人:邹钺；王玮；黄海军；刘贊。该专利技术提供了一种基于传声器阵列的声源定位及可视化系统，该系统包括计算机系统，声音采集设备，至少三个传声器组成的传声器阵列。该专利技术克服了传统单个传声器声源定位系统的局限性，且该声源定位系统的传声器阵列具有空间选择性强、抑制噪声能力强以及无需人为移动的优点，从而实现对空间任意声源进行定位的功能。本专利技术与现有专利技术专利的不同在于:在高温环境下，利用声导管阵列采集声场信号，并通过幅值修正和波束形成算法的优化实现声场的重构。具体来说，本专利技术从传统的“单点声音测量”拓展到“声场测量”，从“常温环境”拓展到“高温环境”中，即:利用声导管阵列将高温环境中的声音“引出”到常规传声器可以正常工作的常温环境中进行测量，实现了间接的高温声场阵列测量；通过基于1/3倍频程谱的声导管内声波幅值修正方法，提高了声导管测量精度；通过峭度加权实现了波束形成算法的优化。本专利技术可以实现高温环境下的声场测量与分析，提高声场重构的精度。
技术实现思路
本专利技术的目的是设计一种能够在高温环境下进行准确声场重构的测量与分析方法。该方法可有效避免普通传声器阵列因高温而导致的工作失效，此外，该方法可获得高温声场的声压分布及其强度信息，为近空间飞行器的结构在热/声稱合环境下的疲劳失效分析提供数据支撑。为达到上述目的，在本专利技术中，通过开发一种基于声导管技术的测量与分析装置，实现高温环境下的导出式声音测量，并以优化的声场重构分析方法实现准确的高温声场重构。本专利技术的技术方案是:一种高温环境下声场测量与分析装置，该装置由声导管阵列、柔性半无限管、声音传感器、数据采集器和计算机构成。其中，所述声导管阵列由多个声导管组成，所述声音传感器安装在垂直于每个所述声导管轴线的方向上，使用两个内径不同的抱箍进行限位，在声导管壁面开孔，所述声音传感器从孔中伸入，伸入的深度为膜片恰好完全进入孔内即可，并利用橡胶垫配合蜡封来密封接口处，所述声音传感器通过所述数据采集器与所述计算机连接，每个所述声导管末端均安装所述柔性半无限管(2 )。进一步,所述声导管为直径Φ 25mm的304不锈钢圆管。本专利技术的另一目的是提供上述装置的声场数据分析方法，具体包括以下步骤: 步骤1，将由若干声导管组成的声导管阵列的一端置于待测高温环境中，高温环境中的声波进入声导管阵列，以沿导管轴线方向的稳定单一平面波形式被传声器接收，再通过数据采集器实现多路通道声音信号的同步采集，声音信号存入计算机， 步骤2，计算机首先通过的基于1/3倍频程谱的声导管内声压幅值修正方法建立声导管进口、出口端的声压幅值修正模型，由该模型对采集到的原始多通道同步声音信号数据进行幅值修正，获得修正后的多通道同步声音信号数据； 然后对修正后的多通道同步声音信号数据进行时域、频域分析，获得时域、幅频谱、功率谱等图象；与此同时，使用波束形成方法获得平面声场的声压重构数据矩阵，并对该矩阵进行峭度加权优化计算，实现基于峭度加权的波束形成算法优化，获得优化的平面声场声压重构云图，有效消除空间混叠效应，提高空间分辨率，对处于高温环境下的声源具有较高的重构精度，可准确重构出声源的位置和声压分布强度。进一步，所述步骤I中的基于1/3倍频程谱的声导管内声压幅值修正方法，具体包括以下步骤:首先，通过标定试验获得声导管出口声压幅值的标准修正量，即以1/3倍频程各频带中心频率的纯音信号作为声源，测量声导管进口和出口处的声压级差值，以各频带中心频率纯音的幅值差作为各频带的标准修正量；其次，对由放置在各通道声导管出口端传声器采集到的原始声音信号进行1/3倍频程谱分析，将各通道各频带的声压级与各频带的标准修正量相加，获得修正后的1/3倍频程谱上各频带的声压级；最后，将各通道修正后的1/3倍频程谱上各频带的声压级通过式(I)的计算，得到该通道修正后全频段上声压级的总和L:【权利要求】1.一种高温环境下声场测量与分析装置，其特征在于:该装置由声导管阵列(I)、柔性半无限管(2)、声音传感器(3)、数据采集器(4)和计算机(5)构成， 其中，所述声导管阵列(I)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高温环境下声场测量与分析装置，其特征在于：该装置由声导管阵列（1）、柔性半无限管（2）、声音传感器（3）、数据采集器（4）和计算机（5）构成，其中，所述声导管阵列（1）由多个声导管（1?1）组成，所述声音传感器（3）安装在垂直于每个所述声导管（1?1）轴线的方向上，使用两个内径不同的抱箍（6）进行限位，在声导管（1?1）壁面开孔，所述声音传感器（3）从孔中伸入，伸入的深度为膜片恰好完全进入孔内即可，并利用橡胶垫配合蜡封来密封接口处，所述声音传感器（3）通过所述数据采集器（4）与所述计算机（5）连接，每个所述声导管（1?1）末端均安装所述柔性半无限管（2）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黎敏，付强，魏龙，阳建宏，樊悦，杨德斌，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：