[发明专利]一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置及方法

权利要求书

1.一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置，其特征在于，包括叶栅实验段和声学测量段；

所述叶栅实验段包括叶片盖板、第一连接法兰、第二连接法兰、叶片和叶片安装槽；所述第一连接法兰和第二连接法兰分别设置在叶栅实验段两端；所述第一连接法兰与叶栅矩形管道出口固定连接，所述第二连接法兰与声学测量段固定连接；

所述叶栅实验段上下两个侧面设置多个叶片安装槽，所述多个叶片的上下部分别嵌入两侧的叶片安装槽中固定在叶栅实验段内部；所述叶片盖板有两块，分别固定在叶栅实验段两侧，对叶片安装槽进行遮挡；

所述声学测量段包括两个相同的第三连接法兰和矩形测量段；所述矩形测量段在中间，两个第三连接法兰在两端；任意一端的第三连接法兰与叶栅实验段固定连接；

所述矩形测量段四面开有多个螺纹孔，用于加装传声器探头，通过传声器探头实现对叶栅矩形管道出口不同位置的声学信号采集。

2.根据权利要求1所述的一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置，其特征在于，所述叶栅实验段侧面设置探针测量槽，所述探针测量槽内能伸入不同规格的实验探针，用于测量流场参数。

3.根据权利要求1所述的一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置，其特征在于，所述叶栅实验段侧面设置多个圆柱安装槽，所述圆柱安装槽内能安装不同直径的圆柱，产生不同频率的卡门涡街，模拟转/静干涉频率，同时能产生不同强度的叶片来流湍流，用于研究湍流/叶片干涉宽频噪声。

4.根据权利要求1所述的一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置，其特征在于，所述第一连接法兰与叶栅矩形管道出口通过螺栓固定连接，所述第二连接法兰与声学测量段通过螺栓固定连接，并在连接处安装橡胶垫，以避免漏气。

5.根据权利要求1所述的一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置，其特征在于，在所述第一连接法兰与叶栅矩形管道出口连接处安装消声声衬，以减小叶栅矩形管道出口吹气风洞产生的噪声对测量结果的影响。

6.根据权利要求1所述的一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置，其特征在于，所述矩形测量段上的螺纹孔为M12直径的螺纹孔。

7.根据权利要求1所述的一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置，其特征在于，所述矩形测量段上设置多个阶梯孔，阶梯孔的特征为，小径为7mm直径的通孔，大径为M12直径的螺纹孔。

8.根据权利要求1所述的一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置，其特征在于，所述声学测量段未与叶栅实验段连接一端的第三连接法兰上安装消声声衬，以减小外界对内部声学测量的影响。

9.根据权利要求2所述的一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量装置，其特征在于，所述实验探针为三维热线。

10.一种适用于叶栅矩形管道出口的声学测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：传声器数目确定方法；

根据矩形管道声模态传播声模态传播理论计算出所关注声波频率内不同方向的最高截通模态阶数：切向最高截通模态阶数M、展向最高截通模态阶数N；

则根据奈奎斯特采样定理，至少需要在矩形测量段的2M+1个切向位置布置切向传声器阵列，至少需要在矩形测量段2N+1个展向位置布置展向传声器阵列；

同时，为了分解出入射模态波和反射模态波，需要在轴向位置至少布置两排传声器阵列；

步骤2：矩形管道模态分解方法；

步骤2-1：对于矩形管道内声波方程，声波方程的解即测量声压信号p(x,y,z)是由不同模态波线性叠加而成：

式中：x,y,z分别为矩形管道的轴向、切向以及展向坐标；L,H别为矩形管道的切向长度及展向高度；m,n分别为切向模态数以及展向模态数；A代表声波振幅；“+”和“-”代表入射声波以及反射声波；k为轴向波数；代表切向模态数为m、展向模态数为n的入射声波振幅；代表切向模态数为m、展向模态数为n的反射声波波数；

步骤2-2：矩形管道模态分解方法采用互相关模态分解法，该方法是利用所有声学测点之间的互功率谱密度函数，将模态幅值的互谱矩阵与测量得到的声压互谱矩阵进行了关联，最终基于统计平均方法计算出模态相干函数频谱结果；

两个不同位置的声压互谱为：

S_pp′＝p(x,y,z)p^*(x′,y′,z′) (3)

式中：上标*表示复数共轭；(x′,y′,z′)表示与(x,y,z)不同的测量位置；

在线性假设下，测量声压信号p与模态幅值组成的向量a相关：

a＝[a₁ a₂ a₃ … a_K-1 a_K]^T (4)

式中：K表示模态向量的长度，其值等于该频率处截通模态个数的两倍；

步骤2-3：测量声压信号p能表示为系数矩阵G和模态幅值向量a的乘积形式，考虑到测试误差最终表示为：

p＝Ga+e (5)

为了提高求解精度，降低测试误差对宽频噪声模态识别的影响，需要使误差的平方达到最小化，这时公式(5)的最优估计变为：

式中：G⁺＝(G^HG)^-1G^H表示系数矩阵G的伪逆矩阵；

则声模态幅值向量a之间的互谱写为：

进一步地，表示为：

式中T→∞表示测试时的时间平均次数已足够大，信号已足够稳定；

最终，模态幅值的互谱矩阵表示为声压互谱的函数形式：

S_aa＝G⁺S_pp(G⁺)^H (9)

其中两个测点处声压信号的互谱为：

联合公式(7)能求得各个模态幅值的平方项通过公式(1)就能重构出矩形管道内的声场结构。