空氣聲在飛機壁板中傳遞的特性分析
扈西枝
(上海飛機設計研究院,上海 201210)
摘 要:本文首先介紹了傳聲器陣列測試技術的理論知識,并利用傳聲器陣列的測試設備,在試驗室內利用傳聲器陣列測試技術對飛機蒙皮壁板空氣聲傳播路徑進行識別,從而得到了飛機蒙皮壁板結構在不同位置、不同構件及不同結構設計構型處噪聲輻射特性的分布情況,為進一步掌握飛機蒙皮壁板結構的聲學特性進行飛機壁板的降噪設計提供設計依據。
關鍵詞:壁板; 空氣聲; 傳聲路徑; 傳聲器陣列
飛機艙內的聲學環境對乘坐的舒適性起著重要的作用。研究表明,飛機的艙內噪聲主要由外界傳入艙內的空氣聲、結構聲,以及環控系統等內部噪聲組成。其中, 空氣聲是指機身外部噪聲透過壁板及舷窗結構傳入到機艙內部的噪聲。 因此,識別空氣聲在飛機壁板中的傳遞途徑及傳遞特性,將其貫徹于飛機壁板的設計中,能很好的達到在飛機設計過程中控制飛機噪聲的目的,也是降低飛機艙內噪聲的重要途徑。識別空氣聲傳播路徑的測試技術主要有聲強技術、傳聲器陣列測試技術等。
1 飛機蒙皮構型
飛機蒙皮是飛機的重要組成部分,由板、框、長桁、 加強筋等組成。
2 傳聲器陣列測試技術
傳聲器陣列就是由多個在空間確定位置上排列的一組傳聲器。通過聲波抵達陣列中每個傳聲器之間的微小時差的相互作用,傳聲器可以得到比單個的傳聲器更好的指向性。通過對傳聲器所有信號的綜合處理,傳聲器列陣可以組合成為所要求的強指向性傳聲器, 形成被稱 為“波束”的指向特性。 由這個傳聲器陣列測量出空間中的聲場信號,經過相應的數據處理,就可以對噪聲源進行定位, 識別聲傳播路徑。
傳聲器陣列信號的處理算法稱為“波束成型”, 一般采用時域上的基于遠場分析的“延遲與求和”和“波束成型算法”。假設要測定的聲源在發射聲波時刻 tf 時空間位 置是( xf , yf , zf ),這個聲源發出的聲波到達傳聲器陣列中第 m 個傳聲器的時刻是 tf + tpm ,其中 tpm 是聲波從聲源傳播到傳聲器位置 ( xm, ym , zm ) 所需的時間,傳聲器接收到聲波的時間與聲源發聲時間的關系是:
t = tf + tpm ................ (1)
傳聲器陣列聚焦的聲源點在發聲時間 tf 的聲輻射由傳聲器陣列的輸出 p(tf ) 確定,計算公式如下:
式中: pm (tf + tpm ) 為在 tf + tpm 時刻第 m 個傳聲器的記錄信號; tpm = rm / c , c 是介質中的聲速; rm / rref 在聲源點發聲時刻tf時, 參考聲輻射距離 rref與實際的聲輻射距離 rm 的比值
為保證傳聲器陣列的輸出 p(tf ) 等于單個傳聲器測量傳聲器陣列聚焦的聲源點的聲場時的輸出信號。
3 試驗研究
3. 1 試驗設備
試驗所用的測試設備是傳聲器陣列, 陣列所用的傳聲器型號是4954A , 見圖1所示。
圖 1 型號 4954A 傳聲器
輔助設備有計算機、功率放大器等。
3. 2 試驗狀態
試驗在半消聲室內進行,對局部區域的壁板進行測量。雖然機身本身是弧形的,但是選取的區域相對來說較小,可近似認為是平面的,測量選取的局部壁板上的筋分布基本上是等間距的。試驗平臺內部采用傳聲器陣列進行測量。試驗時,將傳聲器陣列安放在平臺艙內距被測壁板結構1米處, 外聲場采用聲導進行激勵。
3. 3 測試原理
試驗選用聲壓測量法,測試框圖見圖2。
圖 2 試驗流程圖
3. 4 驗結果及分析
通過測量,得到在不同頻率段上聲壓級的大小分布, 如圖3所示。從圖中可知, 利用聲源識別, 壁板透聲較大的頻率是在100Hz到1KHz之間,可得到不同頻率下, 飛機 壁板結構不同位置處輻射聲壓級的大小, 見圖3所示。
圖 3 聲壓級分布圖
4 結論
從測試結果可知不同頻率下聲壓級分布圖及主要聲源的位置變化,可以得到隨著頻率的增高,壁板透聲性能降低;其中,低頻時, 平板是主要的透聲部位,通過筋的透聲可忽略, 隨著頻率增高,通過平板和筋的透聲大小基本相同。因此在低頻時, 飛機艙內產生的輻射聲壓主要由平板貢獻。頻率增高時, 則由平板和加強筋共同貢獻。
通過外聲場激勵, 利用傳聲器陣列對機身壁板局部 區域進行傳聲路徑識別,得到不同頻率下噪聲分布,為 進行飛機壁板結構聲學優化設計提供依據。
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