旋翼气动噪声的声成像理论与试验研究

发布时间：2020-06-08 11:44

【摘要】：旋翼气动噪声是现代直升机的主要噪声源,既影响了驾乘人员的身心健康和工作效率,也会导致声振耦合、声疲劳等副作用,影响设备的可靠性和安全性。因此,研究旋翼气动噪声的产生机理和效应,准确预报气动噪声的强度和特性,并有效降低气动噪声,是直升机发展中的重要研究课题。波束形成是一种基于空间滤波的声场可视化技术,是现代飞行器声学风洞试验研究和外场试验中最常用、最可靠和最有效的声学测试技术,已经成为欧美各国对直升机旋翼噪声试验研究的常规方法,也是研究热点。针对现有旋翼气动噪声成像技术存在的缺陷和局限性,本文开展了基于波束形成的运动声源的声成像技术以及旋翼气动噪声的风洞试验技术研究。其中,针对非均匀射流的风洞环境限制,提出了风洞射流剪切层的修正算法;针对旋翼非稳态声源的特性,提出了非稳态运动声源的波束形成算法。为了实现旋翼气动噪声的超分辨率成像,将运动声源波束形成算法和超分辨率声成像算法结合,提出了旋转运动声源的超分辨成像算法。以此为基础,进一步开展了宽频运动声源的超分辨成像和多种运动模式声源分离的研究。本文的研究工作得到了十二五预先研究项目《旋转桨叶气动噪声源的测量及识别风洞试验技术研究》和国家自然科学基金项目《复杂气动噪声源的波束形成原理与方法研究》(项目编号:11574212)的资助。主要研究内容如下:(1)推导了静止声源的波束形成理论和运动声源的波束形成理论。根据去多普勒效应方式的不同,运动声源的波束形成方法分为时域方法和频域方法。为验证方法的有效性,本文以旋转运动声源为研究对象,通过多参数的数值仿真考察了运动声源波束形成方法在定位和辨识运动声源方面的适用范围和成像能力。并且在半消声室环境中,利用自行设计的56通道麦克风阵列对自行设计并搭建的可控旋转声源试验平台上的旋转声源进行了声成像分析,结果验证了该运动声源波束形成方法的可行性和有效性。(2)进一步将上述运动声源的波束形成方法应用于风洞内的旋翼气动噪声测量。针对风洞剪切层的折射效应,提出了有限薄连续剪切层的等效流速修正方法;针对旋翼非稳态噪声的问题,提出了基于时域频率、源强补偿的非稳态运动声源的波束形成方法。通过以上算法的修正,在中国空气动力研究与发展中心的声学风洞中,开展了旋翼模型的噪声定位与分析的试验研究。采用一个139通道、直径7.5m的大型麦克风阵列对两种旋翼模型进行噪声测量和声成像分析,验证了该方法对高速旋翼气动噪声的定位和辨识能力。(3)为实现旋翼气动噪声源的超分辨率声成像,采用了时域去多普勒方法构建波束形成输出和点扩散函数,并结合超分辨率成像算法,提出了旋转运动声源的超分辨率成像算法。另外,针对宽频运动声源在波束形成中的能量泄漏问题,提出了宽频运动声源的解卷积算法。该算法同时考虑了全频段的声源,将离散频率之间的耦合效应进行近似地线性表达,通过解卷积算法求解一个扩展的大型线性方程组,从而得到声源在所有离散频率上的空间能量分布。通过对旋转声源进行数值仿真和试验研究,验证了以上算法的有效性。(4)为降低机械噪声对旋翼气动噪声成像的干扰,提出了基于混合解卷积的静止与运动声源的分离算法。该算法将点扩散函数拓展至互点扩散函数,通过配置静止等效源和运动等效源,根据等效源和实际声源的等效关系建立以互点扩散函数线性表达的线性方程组,求解该方程组即可得到两种声源各自的空间能量分布。该算法可应用于旋翼气动噪声与动力系统、传动系统等机械噪声的分离。为解决多旋翼噪声成像的相互干扰问题,进一步拓展了上述方法,提出了多种运动模式声源的分离算法。该算法通过在多种运动模式的声源区域中配置相应的等效源,根据其等效关系建立线性方程组,求解得到声源在各种运动模式下的空间能量分布。该方法可应用于共轴式双旋翼、并排式双旋翼以及多旋翼的声成像和声源分离。通过对旋转运动和静止的组合声源进行数值仿真和试验研究,验证了上述算法的可行性和有效性。
【图文】：

运动波,声源,波束形成,时间长度

第二章运动声源的波束形成声成像理论初始位置为(0.5,0,0) ，以轴为转轴在 0.5 ，转速为60 ，转动周期为1 。声源列，阵列直径1 。阵列与声源面平面平保证采样信号不失真，频率不混叠，采样频率倍。这里，麦克风信号的采样频率为25.6 为一覆盖声源的矩形面，与平面重合，中点为该矩形面的离散网格点，网格尺寸为0.0

运动声源,运动波,成像,声源

图 2.7 静止/运动波束形成方法对运动声源的成像Figure 2.7 Static and moving beamforming imaging for a rotating source; (a) static beamforming(0.2s); (b) moving beamforming (0.2s); (c) static beamforming (1s); (d) moving beamforming (1s);图 2.7（a）为采用静止波束形成方法得到的声像图，分析时间长度为0.2 。从图中可知，其声像表现为一定长度的高亮的像，且该像与声源在0.2 内运动的轨迹一致。由于静止波束形成方法认为声源静止，未考虑声源的运动，对运动声源的成像只能获得模糊的声像图。图 2.7（b）为采用运动波束形成方法得到的声像图，分析时间长度为0.2 。在该图中，声像是一个清晰的高亮圆斑，，与常规的声像图一致。由于运动波束形成方法考虑了声源在其轨迹上的运动特征，从信号中剔除了声源运动导致的多普勒效应，将运动声源等效为固定声源，从而得到运动声源的清晰的像。比较图 2.7（c）和图 2.7（d）也能得到相似的结论，图 2.7（c）反映了声源在运动一周，即1 后留下的模糊的声像轨迹，无法获得声源的位置和源强估计。而图 2.7（d）能够给出声源清晰的声像，且声源的定位位置与其在初始时刻的位置一致，声源恢复的源强也与定义的声源源强一致。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V211.52

【参考文献】