構建多排人工模擬旋轉聲源發生器的方法與流程
本發明涉及人工模擬旋轉聲源發生器技術領域，具體地，涉及用于構建多排人工模擬旋轉聲源發生器的方法。
背景技術：
進入21世紀以來，由于對飛機噪聲強制性指標的要求越來越高，聲學目標越來越難以通過被動聲學手段來實現。在此情況下，通過主動噪聲控制實現航空發動機降噪受到越來越多的關注。具體地，飛機在起飛和著陸過程中的主要噪聲源之一是風扇葉片的轉子靜子相互干涉。在上世紀60年代tyler和sofrin指出，轉靜干涉噪聲是諧波，并會激發出一個特殊的模態作為葉片的函數。這些諧波都是葉片通過頻率(bpf)的整數倍，如圖1所示，并且均較寬頻噪聲有30db的聲壓級差。主動噪聲控制目標就是降低這些諧波的噪聲。
大量的已有測試表明，主動噪聲控制可以顯著降低噪音。而通過仿真模擬則可更進一步分析實驗結果并且預測降噪效果。為了能夠人工模擬不同模態占優的聲場，人工模擬旋轉聲源發生器應運而生。該工具通過安裝在管道壁面的揚聲器陣列產生特定模態占優的聲場，主聲場具有一個占優模態。通過改變揚聲器控制規則實現不同的占優模態，并且可以進一步模擬航空發動機，即入口、風扇、靜子葉片和噴嘴處的噪聲。
目前，現有的人工模擬旋轉聲源發生器通過在管道壁面上周向均勻安裝單排揚聲器陣列，改變揚聲器發生規則來實現人工的模擬不同模態占優的聲場。具體地，單排人工模擬旋轉聲源發生器的工作原理如下：
考慮流體受葉片施加非定常載荷的發聲的情況。先簡化管道及葉片模型，使其滿足三維升力面理論基本假設：
1)管道內壁為剛性壁面。管內為無黏、可壓縮、等熵、亞聲速的均勻流動。
2)平板葉片，并忽略厚度影響。
3)流動入射角為0°，即攻角為0°的情況，只考慮葉片上的非定常載荷。
依據以上假設及lighthill聲類比理論，可將待研究問題簡化為偶極子源產生的聲場，其聲壓為：
其中：x(x1，x2，x3)為靜止坐標系下觀察點位；y(y1，y2，y3)為靜止坐標系下聲源位置；t為觀察時間；τ為發聲時間；s(y)為物體邊界表面；fy為物體對其表面流體所施加的非定常力；g為格林函數，對于壓氣機的圓環管道，格林函數可表示為
上式中
假設轉子葉片排中包含的轉子葉片數目為b，則可得疊加所有葉片產生的總聲壓為：
考慮上式中葉片數求和部分。考慮到轉子葉片數目較多，一般取σb/2π為整數。
綜合以上推導可知，單排轉子葉片的非同步震蕩發聲的葉片數目、轉速、葉片振動頻率、葉片相位差、周向模態存在以下關系：
ω＝ωs+mω
其中s、b、m為整數，且可以看出對于每一個聲場頻率對應唯一的周向模態。根據以上結果，將葉片替換為揚聲器，即b表示揚聲器數目，揚聲器聲源頻率可模擬葉片振動頻率，相鄰揚聲器之間的相位差σ可以模擬轉子葉片振動間相角，則得到人工模擬旋轉聲源發生器在單排揚聲器條件下的控制規則。
由以上分析可知，揚聲器的數量與能夠產生的占優最高模態直接相關，例如：如果揚聲器數量為2n個，則此人工模擬旋轉聲源發生器只能產生-n～+n模態占優的聲場，即最高模態數為n。然而，航空發動機產生的模態一般較高，而現有的單排人工模擬旋轉聲源發生器所能產生的最高模態受到有限的管道內壁周向尺寸所能夠布置的單排揚聲器的數量限制。
例如，在實驗臺上，管道內壁一周均勻安裝9個揚聲器，如果想要實現+1模態占優的聲場，那么按照以下公式：
可以計算出，相鄰揚聲器的相位差應該設置為-40度。
然而，按照上述條件計算出m＝…，-17，-8，1，10，19，…，雖然管道的截止效應會把高階模態消除，但是當頻率足夠高時，不可避免地會出現多個次占優模態，如圖9中的-5模態。這種情況下，單排揚聲器產生的聲場占優情況也不理想。
技術實現要素：
為了克服現有的單排人工模擬旋轉聲源發生器受到揚聲器數量限制的影響，本發明提出了一種構建多排人工模擬旋轉聲源發生器的方法，其通過對第一排揚聲器進行補償，不僅能夠模擬出模態占優情況更加顯著的聲場，而且還能夠突破揚聲器數量的限制，模擬出更高模態的聲場。
根據本發明的一方面，提供了一種構建多排人工模擬旋轉聲源發生器的方法，包括：
基于目標模態、每排揚聲器的數量、揚聲器的發聲頻率以及用于布置多排揚聲器所需的物理參數，計算所有排的每個揚聲器各自的相位；
通過計算機程序中的函數發生器程序，分別控制每個揚聲器的發聲頻率、發聲幅值和發聲相位，其中每個揚聲器的發聲頻率和發聲幅值是相同的；
經由輸出卡輸出到功率放大器，再將經過放大的信號輸出到各個揚聲器；
通過安裝在下游的周向均勻布置的傳聲器陣列同步采集所有揚聲器發出的聲音；以及
經由信號放大器和采集卡，將所采集的聲音信號輸入到計算機，通過所述計算機程序計算各個聲模態對應的聲壓級，以評價所構建的多排人工模擬旋轉聲源發生器。
根據實施例，計算所有排的每個揚聲器各自的相位，可以包括：
基于所述目標模態、所述每排揚聲器的數量，使用以下等式來計算每排中相鄰的揚聲器之間的相位差σ，
其中，m為所述目標模態，s為整數，b為所述每排揚聲器的數量；
基于所述揚聲器的發聲頻率以及所述用于布置多排揚聲器所需的物理參數，使用以下等式來計算第j排揚聲器相對于第1排揚聲器的補償相位
其中，所述用于布置多排揚聲器所需的物理參數包括：kz為軸向波數；z為揚聲器軸向傳播的距離；ω為角頻率，ω＝2πf，f為揚聲器的發聲頻率；c0為當地聲速；ma為流動馬赫數；kr為徑向波數，可由所述目標模態和用于布置多排揚聲器的管道的尺寸計算得到；l為相鄰兩排揚聲器之間的距離；n為多排揚聲器的總排數；以及
基于給定的第1排第1個揚聲器的相位、所計算的每排中相鄰的揚聲器之間的相位差σ和所計算的第j排揚聲器相對于第1排揚聲器的補償相位
根據實施例，計算所有排的每個揚聲器各自的相位，也可以包括：
基于所述每排揚聲器的數量，使用以下等式來計算第j排揚聲器相對于第1排揚聲器旋轉的角度θj，
基于所述目標模態、所述每排揚聲器的數量，使用以下等式來計算相鄰的兩排揚聲器之間的相位差σ，
其中，m為所述目標模態，s為整數，b為所述每排揚聲器的數量；
基于所計算的相鄰的兩排揚聲器之間的相位差σ，計算每排中相鄰的揚聲器之間的相位差n*σ；
基于所述揚聲器的發聲頻率以及所述用于布置多排揚聲器所需的物理參數，使用以下等式來計算第j排揚聲器相對于第1排揚聲器的補償相位
其中，所述用于布置多排揚聲器所需的物理參數包括：kz為軸向波數；z為揚聲器軸向傳播的距離；ω為角頻率，ω＝2πf，f為揚聲器的發聲頻率；c0為當地聲速；ma為流動馬赫數；kr為徑向波數，可由所述目標模態和用于布置多排揚聲器的管道的尺寸計算得到；l為相鄰兩排揚聲器之間的距離；n為多排揚聲器的總排數；以及
基于給定的第1排第1個揚聲器的相位、所計算相鄰的兩排揚聲器之間的相位差σ、所計算的每排中相鄰的揚聲器之間的相位差n*σ和所計算的第j排揚聲器相對于第1排揚聲器的補償相位
根據實施例，所述多排揚聲器布置為每一排揚聲器沿著所述管道的軸向在平面上的投影形成b個揚聲器的周向均勻分布的陣列。
根據實施例，所述多排揚聲器布置為每一排揚聲器沿著所述管道的軸向在平面上的投影形成n×b個揚聲器的周向均勻分布的陣列。
根據實施例，所述給定的第1排第1個揚聲器的相位優選為零。
根據實施例，所述計算機程序為labview計算機程序。
根據本發明的另一方面，提供了一種根據任一上述構建多排人工模擬旋轉聲源發生器的方法實施的旋轉聲源發生裝置。
附圖說明
圖1為飛機發動機風扇葉片轉靜干涉噪聲頻譜圖。
圖2為根據本發明實施例的構建多排人工模擬旋轉聲源發生器的方法的流程圖。
圖3為根據本發明實施例的構建多排人工模擬旋轉聲源發生器的方法實施的多排人工模擬旋轉聲源發生器的剖面圖。
圖4為根據本發明一實施例的形成模態占優更理想聲場的多排揚聲器安裝位置平面展開示意圖。
圖5為根據本發明一實施例的形成模態占優更理想聲場的示例的3排揚聲器安裝位置平面展開示意圖。
圖6為根據本發明另一實施例的形成更高模態聲場的多排揚聲器安裝位置平面展開示意圖。
圖7為根據本發明另一實施例的形成更高模態聲場的示例的2排揚聲器安裝位置平面展開示意圖。
圖8為圖7的2排揚聲器沿著管道軸向投影后的示意圖。
圖9和10分別示出現有的單排人工模擬旋轉聲源發生器和根據本發明實施例的多排人工模擬旋轉聲源發生器產生目標+4模態占優聲場的效果圖。
圖11和12分別示出現有的單排人工模擬旋轉聲源發生器和根據本發明實施例的多排人工模擬旋轉聲源發生器產生7模態占優聲場的效果圖。
具體實施方式
以下參照附圖具體描述根據本發明實施例的構建多排人工模擬旋轉聲源發生器的方法。
圖2示出根據本發明實施例的構建多排人工模擬旋轉聲源發生器的方法的流程圖。如圖2所示，構建多排人工模擬旋轉聲源發生器的方法，包括：
基于目標模態、每排揚聲器的數量、揚聲器的發聲頻率以及用于布置多排揚聲器所需的物理參數，計算所有排的每個揚聲器各自的相位；
通過計算機程序中的函數發生器程序，分別控制每個揚聲器的發聲頻率、發聲幅值和發聲相位，其中每個揚聲器的發聲頻率和發聲幅值是相同的；
經由輸出卡輸出到功率放大器，再將經過放大的信號輸出到各個揚聲器；
通過安裝在下游的周向均勻布置的傳聲器陣列同步采集所有揚聲器發出的聲音；以及
經由信號放大器和采集卡，將所采集的聲音信號輸入到計算機，通過所述計算機程序計算各個聲模態對應的聲壓級，以評價所構建的多排人工模擬旋轉聲源發生器。
圖3示出根據本發明實施例的構建多排人工模擬旋轉聲源發生器的方法實施的多排人工模擬旋轉聲源發生器的剖面圖。如圖3所示，在管道內壁周向設置有多排揚聲器安裝孔301，用于安裝多排揚聲器；并且在管道內壁的下游位置周向設置有傳送器陣列302，用于接收多排揚聲器發出的聲音信號。
以下結合圖4和圖5描述根據本發明一實施例的形成模態占優更理想聲場的多排揚聲器布置。
具體地，圖4示出總共n排揚聲器、每一排具有b個揚聲器時的具體布置方式。
如圖4所示，為了形成模態占優更理想的聲場，多排揚聲器中的每一排揚聲器沿管道軸向的投影應該完全重合，且每一排揚聲器的發聲規則都應該滿足：
其中，m為目標模態，s為整數，b為每一排中的揚聲器的數量，σ為每一排中相鄰揚聲器的相位差。
如圖4所示，對于n排揚聲器來講，每一排揚聲器的1號揚聲器，即編號為11、21、31、41、...、n1的揚聲器(其中，編號的第一位為排號，第二位為當前排的序列號)，即，不同排但編號相鄰的揚聲器之間(11與21、21與31、…)應該存在相位差，用于補償軸向傳播距離的差異，使其傳播到傳聲器陣列時與第1排揚聲器在此處的聲壓具有相同的相位，起到增強作用。
計算所有排的每一個揚聲器的相位的方法如下：
每一個揚聲器的聲壓函數可以表示為：
其中，a為聲壓幅值，ω為角頻率，ω＝2πf，f為揚聲器的發聲頻率，kz為軸向波數，z為聲音軸向傳播的距離。
其中，k0為波數；kr為徑向波數，可由目標模態和管道尺寸計算得到；ma為流動馬赫數；c0為當地聲速。
在本發明實施例中，揚聲器陣列是同步發聲，并且傳聲器陣列是同步采集。為了保證在某一時刻，第j排揚聲器傳播至傳聲器陣列時(聲音傳播了zj距離)，對第1排揚聲器在此處的聲壓具有增強效果，需要對第j排揚聲器的相位進行修正，才能使其聲音傳到傳聲器陣列位置時，兩排揚聲器的聲壓相位相同，設修正相位為
設傳聲器采集的時刻為t0，則第11號和第j1號揚聲器發聲后，在傳聲器陣列處的聲壓為：
其中，z1＝s，zj＝s+(j-1)*l，j＝2，3，...，n
保證相位相同，即
即為采用第n排揚聲器時第j排的修正相位。可以看出修正相位與s無關。
當給定11號揚聲器相位為0°時，基于每一排中相鄰揚聲器之間的相位差、相鄰兩排揚聲器之間的修正相位，諸如相鄰兩排中的1號揚聲器之間的修正相位，可以得到所有排中的每個揚聲器的相位。
圖5示出形成模態占優更理想聲場的3排揚聲器布置的示例。具體地，如圖5所示，三排人工模擬旋轉聲源發生器中，實驗條件為：每排具有9個揚聲器，無流動，溫度20度，管道內徑600mm，目標模態是+2，發聲頻率f為1000hz，相鄰兩排揚聲器間距l＝0.1m。
根據
根據公式
當j＝2時，c0＝343m/s(主要與溫度有關)，kr＝8.726，ω＝6283，ma＝0，則相位差
由此，基于給定的11號揚聲器相位0°、每一排中相鄰的揚聲器之間的相位差σ＝-80°以及相鄰兩排揚聲器之間的相位差
同理，
以下結合圖6和圖7描述根據本發明另一實施例的形成更高模態聲場的多排揚聲器布置。
圖6示出了n排揚聲器并且每排b個揚聲器的具體布置方式，其中，為了形成更高模態聲場，將揚聲器陣列相對于第1排陣列旋轉一定角度，如圖6所示，對于第j排(j＝2，3，...，n)揚聲器陣列，應相對于第1排旋轉的角度為θj：
由此，n排揚聲器可以看做從單排揚聲器(n*b個揚聲器)中每n個選取一個形成陣列并做不同距離的軸向平移而得到。也就是說，n排揚聲器沿管道軸向在平面上的投影可以形成n*b個揚聲器周向均勻分布的陣列。
為了形成目標聲場，需要投影后的n×b揚聲器陣列滿足
此時相鄰兩排揚聲器之間的相位差為
由于此時的相位差是投影平移之后的，當回復到投影前的狀態時，需要對第j排揚聲器的相位進行修正，保證其投影前與投影后聲壓傳到傳聲器陣列處的相位一致。
每一個揚聲器的聲壓函數可以表示為：
其中，a為聲壓幅值，ω為角頻率，ω＝2πf，f為揚聲器發聲頻率，kz為軸向波數，z為聲音軸向傳播的距離。
其中，k0為波數；kr為徑向波數，可由目標模態和管道尺寸計算出；ma為流動馬赫數；c0為當地聲速。
在本實施例中，揚聲器陣列是同步發聲并且傳聲器陣列是同步采集，為了保證在某一時刻，投影前第j排揚聲器傳播至傳聲器陣列時(聲音傳播了zj距離)，與投影后(向第1排揚聲器平面)的揚聲器在傳聲器陣列處的聲壓具有相同相位，需要對第j排揚聲器的相位進行修正，設修正相位為
設傳聲器陣列采集的時刻為t0，則投影后第j1號與投影前第j1號揚聲器在傳聲器陣列處的聲壓為：
其中，z1＝s，zj＝s+(j-1)*l，j＝2，3，...，n
保證相位相同，即
即為采用第n排揚聲器時第j排的修正相位。可以看出修正相位與s無關。
由此，基于給定的11號揚聲器相位、每一排中相鄰揚聲器之間的相位差、相鄰的兩排揚聲器之間的相位差以及各排揚聲器的修正相位，可以得到所有揚聲器的相位。
圖7示出形成更高占優模態聲場的2排揚聲器布置的示例。如圖7所示，第2排揚聲器相對于第1排周向旋轉了
假設實驗條件為：每排9個揚聲器，無流動，溫度20度，管道內徑(直徑)600mm，目標模態是+7，頻率為2000hz，相鄰兩排揚聲器間距l＝0.1m。
根據
同時，第二排揚聲器還應該存在修正相位：
當m＝+7時，c0＝343m/s，kr＝28.593，ω＝2*π*f＝12566，ma＝0，l＝0.1m
則
圖9和10分別示出現有的單排人工模擬旋轉聲源發生器和根據本發明實施例的多排人工模擬旋轉聲源發生器產生4模態占優聲場的效果圖。圖11和12分別示出現有的單排人工模擬旋轉聲源發生器和根據本發明實施例的多排人工模擬旋轉聲源發生器產生7模態占優聲場的示意圖。由圖9和圖10可以看出，兩次實驗的目的均是產生+4模態占優的聲場。圖9是單排9個揚聲器產生的聲場，-5模態對應聲壓級很高，但占優量僅有5db，而圖10是雙排18個揚聲器產生的聲場，可以看到其有效地抑制了-5模態的聲音，同時增強了+4模態的聲音，使占優量達到了20db。
由圖11和圖12可以看出，兩次實驗的目的均是產生7模態占優的聲場，單排9個揚聲器產生的聲場，+7模態對應聲壓級并不是最高的，反而-2模態最高，證明此聲場的構建是失敗的，而從圖12可以看出，雙排揚聲器有效地抑制了-2模態的聲音，同時增強了+7模態的聲音，使占優量達到了12db。
綜上所述，本發明提供了一種構建多排人工模擬旋轉聲源發生器的方法及根據該方法實施的多排人工模擬旋轉聲源發生器，其通過對第一排揚聲器進行補償，不僅能夠模擬出模態占優情況更加顯著的聲場，而且還能夠突破揚聲器數量的限制，模擬出更高模態的聲場。
另外，根據本發明的構建多排人工模擬旋轉聲源發生器的方法實施的多排人工模擬旋轉聲源發生器具有多種功能，能夠進行多種實驗，如聲襯性能測試，吸聲材料性能測試等。并且，可以利用較為簡單的結構實現葉輪機械內部聲場的模擬，并基于該聲場完成相關研究。一定程度上生成較為單純的單模態或多模態聲場，便于完成一些特定機理研究，例如葉片排反射系數的研究等。
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