湍流控制屏聲學(xué)校準(zhǔn)及校準(zhǔn)精度影響因素

許瑋健，楊明綏，武卉，王萌，梁寶逵

中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng) 110015

湍流控制屏是保障航空發(fā)動(dòng)機(jī)及風(fēng)扇部件噪聲測(cè)試與研究的關(guān)鍵設(shè)備，其功用主要是對(duì)地面進(jìn)氣中存在的渦流進(jìn)行整流，消除渦流與風(fēng)扇干涉誘發(fā)的二次噪聲，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)或風(fēng)扇部件在飛行狀態(tài)下的噪聲特性[1]。國(guó)外相關(guān)資料表明，在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)或風(fēng)扇地面噪聲試驗(yàn)時(shí)，如果不使用湍流控制屏?xí)?dǎo)致葉片離散噪聲比真實(shí)值高10 dB以上，不能真實(shí)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)或風(fēng)扇在空中飛行時(shí)的噪聲特性。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)或風(fēng)扇進(jìn)行地面試驗(yàn)時(shí)，需要使用湍流控制屏來(lái)消除“虛假”噪聲。同時(shí)由于湍流控制屏復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)或風(fēng)扇噪聲向遠(yuǎn)場(chǎng)傳播時(shí)產(chǎn)生傳遞損失[1]，使得遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法真實(shí)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)或風(fēng)扇的噪聲特性。因此，對(duì)湍流控制屏進(jìn)行聲學(xué)校準(zhǔn)，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)/風(fēng)扇遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲試驗(yàn)評(píng)估及風(fēng)扇部件低噪聲設(shè)計(jì)等問(wèn)題具有重要意義。

湍流控制屏一般由厚度1 mm左右的穿孔板與壁厚0.5～0.1 mm的蜂窩結(jié)構(gòu)構(gòu)成，進(jìn)氣湍流在通過(guò)湍流控制屏?xí)r會(huì)迅速衰減，達(dá)到抑制“虛假”風(fēng)扇噪聲的效果。并且這種結(jié)構(gòu)不會(huì)顯著吸收、衍射或反射發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。國(guó)外早在20世紀(jì)70年代就開(kāi)展了大量關(guān)于湍流控制屏機(jī)理及工程研制方面的研究。研究?jī)?nèi)容主要涉及以下幾個(gè)方面：① 如何采用最好的結(jié)構(gòu)控制進(jìn)氣湍流產(chǎn)生的二次噪聲？② 如何使用湍流控制屏達(dá)到獲取“真實(shí)”狀態(tài)下風(fēng)噪聲特性的目的？③ 如何通過(guò)標(biāo)定獲取湍流控制屏的聲學(xué)特性，達(dá)到工程領(lǐng)域精確評(píng)價(jià)風(fēng)扇或發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的效果等。

1976年NASA[2]試驗(yàn)室在進(jìn)行風(fēng)扇地面噪聲試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)不均勻的進(jìn)氣氣流會(huì)使風(fēng)扇產(chǎn)生額外的噪聲。Hanson[3]利用風(fēng)扇試驗(yàn)件，對(duì)風(fēng)扇試驗(yàn)件在地面試驗(yàn)狀態(tài)下的進(jìn)氣湍流開(kāi)展研究，發(fā)現(xiàn)蜂窩結(jié)構(gòu)能夠?qū)Σ痪鶆虻膩?lái)流進(jìn)行整流，奠定了湍流控制屏結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)。Shaw等[4]發(fā)現(xiàn)了在湍流控制屏進(jìn)口位置增加帆布結(jié)構(gòu)可以顯著降低試驗(yàn)件的遠(yuǎn)場(chǎng)葉片通過(guò)頻率(Blade Pass Frequency,BPF)噪聲。Koehler[5]基于風(fēng)扇增壓級(jí)試驗(yàn)件，研究了湍流控制屏對(duì)風(fēng)扇后傳噪聲的影響。研究結(jié)果表明，湍流控制屏對(duì)風(fēng)扇后傳噪聲的影響主要表現(xiàn)在1階BPF噪聲，在不同換算轉(zhuǎn)速下，均可使風(fēng)扇后傳的1階BPF噪聲降低10 dB。 Jones等[6-11]基于JT15D發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)、分析了多種構(gòu)型及尺寸的湍流控制屏對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)聲學(xué)特性的影響。1983年, Homyak等[12]基于此前研究成果，設(shè)計(jì)了一個(gè)造價(jià)低廉、更小、更輕、更簡(jiǎn)易的湍流控制屏，并通過(guò)整機(jī)試驗(yàn)對(duì)該湍流控制屏的傳聲特性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果證明該湍流控制屏的傳聲特性滿足設(shè)計(jì)要求。NASA試驗(yàn)室的Woodward和Balombin[13]對(duì)比分析了安裝湍流控制屏工況下戶外整機(jī)噪聲試驗(yàn)和消聲室內(nèi)風(fēng)扇噪聲特性，試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)數(shù)據(jù)修正，2種工況下的噪聲試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性較好，驗(yàn)證了湍流控制屏對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲試驗(yàn)的必要性和工程可用性?；谝陨涎芯砍晒?，國(guó)外在SAE1848A[14]、ICAO[15]等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)一步明確了發(fā)動(dòng)機(jī)或風(fēng)扇地面噪聲試驗(yàn)過(guò)程中使用湍流控制屏的必要性，同時(shí)提出了0～10 kHz頻率范圍、露天試車(chē)臺(tái)(聲學(xué)半自由場(chǎng))條件下湍流控制屏的聲學(xué)校準(zhǔn)要求。標(biāo)準(zhǔn)中僅提出了湍流控制屏聲學(xué)校準(zhǔn)的必要性，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，湍流控制屏的聲學(xué)校準(zhǔn)存在著聲源穩(wěn)定性/重復(fù)性、溫濕度修正精度、湍流控制屏重復(fù)安裝位置偏差等一系列影響湍流控制屏聲學(xué)修正值精度的問(wèn)題，國(guó)外鮮有公開(kāi)資料發(fā)表。國(guó)內(nèi)對(duì)工程領(lǐng)域的部件級(jí)風(fēng)扇噪聲試驗(yàn)研究工作剛剛起步，此前由于缺少試驗(yàn)平臺(tái)和相關(guān)試驗(yàn)硬件設(shè)施等基礎(chǔ)條件，對(duì)湍流控制屏的研究較為滯后。

工程領(lǐng)域進(jìn)行風(fēng)扇部件試驗(yàn)時(shí)，風(fēng)扇往往縮尺，導(dǎo)致湍流控制屏的工作頻率范圍激增，甚至達(dá)到20～40 kHz頻率范圍的超聲頻段。這時(shí)會(huì)出現(xiàn)聲波波長(zhǎng)變短、聲傳播過(guò)程中的空氣吸收效果十分顯著、聲學(xué)反射和散射現(xiàn)象加劇等一系列新問(wèn)題。而且全消聲室內(nèi)的聲環(huán)境近似于聲學(xué)自由場(chǎng)，湍流控制屏的聲學(xué)校準(zhǔn)方案應(yīng)如何調(diào)整，如何準(zhǔn)確獲取湍流控制屏的聲學(xué)特性，才能保證縮尺風(fēng)扇部件聲學(xué)試驗(yàn)的研究需求，都是新的技術(shù)難題。2006年，Genoulaz和Julliard[16]在RACE風(fēng)扇噪聲試驗(yàn)器上進(jìn)行了這方面的探索，他們?cè)谙暿覂?nèi)利用聲源對(duì)湍流控制屏100 Hz～20 kHz 頻率范圍的傳聲特性進(jìn)行試驗(yàn)分析，校準(zhǔn)結(jié)果顯示：100 Hz～10 kHz時(shí)，聲學(xué)校準(zhǔn)值低于1 dB，10～20 kHz的聲學(xué)校準(zhǔn)值大于1.5 dB。文中僅給出湍流控制屏100 Hz～20 kHz 頻率范圍的聲學(xué)校準(zhǔn)值，但并未涉及20～40 kHz的超聲頻段，并未給出湍流控制屏聲學(xué)特性的影響因素分析、校準(zhǔn)誤差分析、風(fēng)扇噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正等用于風(fēng)扇噪聲精確測(cè)試的研究?jī)?nèi)容。

本文基于中國(guó)首個(gè)自主研制的湍流控制屏，在中國(guó)首次開(kāi)展了湍流控制屏在全消聲室內(nèi)的聲學(xué)校準(zhǔn)研究。通過(guò)結(jié)合工程應(yīng)用，總結(jié)了工程應(yīng)用中不同影響因素對(duì)湍流控制屏聲學(xué)校準(zhǔn)精度的影響，分析了160 Hz～40 kHz校準(zhǔn)頻率下，湍流控制屏聲學(xué)修正量的特征，總結(jié)了工程應(yīng)用中湍流控制屏高精度聲學(xué)校準(zhǔn)的注意事項(xiàng)，提出了湍流控制屏的聲學(xué)校準(zhǔn)應(yīng)包含測(cè)量不確定度，為湍流控制屏的工程校準(zhǔn)及應(yīng)用提供借鑒。

1 湍流控制屏聲學(xué)校準(zhǔn)原理

基于聲學(xué)插入損失原理可實(shí)現(xiàn)對(duì)湍流控制屏的聲學(xué)校準(zhǔn)。工程試驗(yàn)中，校準(zhǔn)聲源的尺寸遠(yuǎn)小于聲源至受聲點(diǎn)的距離，因此校準(zhǔn)聲源可以看成是點(diǎn)聲源，校準(zhǔn)原理可以用點(diǎn)聲源入射無(wú)限大平板的插入損失表示，如圖1所示。

圖1 點(diǎn)聲源入射無(wú)限大平板插入損失的示意圖Fig.1 Schematic of insertion loss for infinite panel at point source incident

(1)

式中：ρ1和ρ2分別為平板和空氣中的聲傳播速度。

假設(shè)波矢量在未插入平板前，A點(diǎn)的聲壓為

(2)

式中:k為波數(shù)。插入平板后，A點(diǎn)的聲壓為

p1=pt=

(3)

變換坐標(biāo)，令

dq1dq2=

qdqdθ，x=dcosφ，y=dsinφ

可以得到

(4)

式中：J0為點(diǎn)聲源輻射的平均聲功率，則點(diǎn)聲源入射無(wú)限大平板的插入損失表示為

(5)

2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

湍流控制屏的聲學(xué)校準(zhǔn)在中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(606所)的風(fēng)扇/增壓級(jí)氣動(dòng)聲學(xué)試驗(yàn)器完成。利用球聲源作為激勵(lì)源，獲取有、無(wú)湍流控制屏工況，不同角向位置聲學(xué)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)響應(yīng)特征，對(duì)工程試驗(yàn)條件下湍流控制屏的傳聲特性開(kāi)展深入研究。

2.1 試驗(yàn)及測(cè)試校準(zhǔn)設(shè)備

(1)風(fēng)扇/增壓級(jí)氣動(dòng)聲學(xué)試驗(yàn)器

風(fēng)扇/增壓級(jí)氣動(dòng)聲學(xué)試驗(yàn)器[17]主要用于開(kāi)展風(fēng)扇/增壓級(jí)聲學(xué)性能試驗(yàn)測(cè)試及評(píng)估技術(shù)研究如圖2所示。606所的風(fēng)扇氣動(dòng)聲學(xué)試驗(yàn)器占地面積1 150 m2，凈空高14 m，消聲室本底噪聲小于10 dBA、設(shè)備空載運(yùn)行時(shí)的本底噪聲低于45 dBA，可滿足160 Hz～40 kHz頻率范圍的噪聲測(cè)試，可同時(shí)完成228 個(gè)聲學(xué)動(dòng)態(tài)信號(hào)的記錄及實(shí)時(shí)處理分析。

圖2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇/增壓級(jí)氣動(dòng)聲學(xué)試驗(yàn)器Fig.2 Aero acoustic test facility for aero engine fans

(2)湍流控制屏

湍流控制屏是風(fēng)扇/增壓級(jí)噪聲試驗(yàn)測(cè)試必備的試驗(yàn)設(shè)施。606所自主設(shè)計(jì)研發(fā)的湍流控制屏，直徑3.8 m，采用246面體設(shè)計(jì)，可以很好地保證試驗(yàn)件進(jìn)氣來(lái)流的湍流度，且壓力損失處于很低的水平。湍流控制屏結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 湍流控制屏Fig.3 Turbulence control screen

(3)校準(zhǔn)傳感器及聲源設(shè)備

校準(zhǔn)傳聲器采用B&K公司4191自由場(chǎng)傳聲器，頻率范圍3.15 Hz～40 kHz，聲壓級(jí)測(cè)試范圍20 ～162 dB。

校準(zhǔn)聲源采用高、低頻2個(gè)聲源，低頻聲源的穩(wěn)定發(fā)聲頻率為160 Hz～10 kHz；高頻聲源的穩(wěn)定發(fā)聲頻率為8～40 kHz。聲源結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 校準(zhǔn)聲源Fig.4 Calibration acoustic source

2.2 校準(zhǔn)方案及數(shù)據(jù)處理方法

由于SAE[14]、ICAO[15]等標(biāo)準(zhǔn)中僅給出露天環(huán)境(聲學(xué)半自由場(chǎng))針對(duì)整機(jī)的湍流控制屏校準(zhǔn)需求，而且使用頻率范圍僅為0～10 kHz。因此，需要針對(duì)消聲室內(nèi)應(yīng)用于縮尺風(fēng)扇部件的湍流控制屏，校準(zhǔn)時(shí)需考慮聲學(xué)自由場(chǎng)的特殊性、風(fēng)扇縮尺后噪聲頻率范圍激增(可達(dá)20～40 kHz超聲頻段)等因素對(duì)校準(zhǔn)方案及校準(zhǔn)結(jié)果的影響等，制定校準(zhǔn)方案。

消聲室內(nèi)湍流控制屏聲學(xué)校準(zhǔn)方案如圖5所示。將校準(zhǔn)聲源置于風(fēng)扇試驗(yàn)件進(jìn)口截面，遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲測(cè)點(diǎn)采用弧形陣列布置，以校準(zhǔn)聲源位置為中心，每個(gè)傳聲器間隔5°，覆蓋角向位置為0°～120°。結(jié)合工程條件，需考慮校準(zhǔn)過(guò)程中聲源重復(fù)性、湍流控制屏安裝位置重復(fù)性、測(cè)量不確定度、環(huán)境溫濕度等因素對(duì)校準(zhǔn)的影響。校準(zhǔn)試驗(yàn)如圖6所示。

校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理流程如圖7所示。利用快速傅立葉變換方法對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，選取、重疊率50%、平均次數(shù)200 次。平均后的試驗(yàn)結(jié)果為

圖5 湍流控制屏校準(zhǔn)試驗(yàn)方案Fig.5 TCS calibration test method

圖6 風(fēng)扇噪聲試驗(yàn)器和湍流控制屏Fig.6 Aero acoustic test facility and turbulence control screen

圖7 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法Fig.7 Method for experimental data treatment

(6)

式中：Yi為每個(gè)Δt傅立葉變換后的頻譜結(jié)果；n為平均次數(shù)。

平均次數(shù)n，重疊率β與所需平均數(shù)據(jù)的總時(shí)長(zhǎng)T對(duì)應(yīng)關(guān)系為

T=n(1-β)Δt+(1-β)Δt

(7)

根據(jù)ARP866A標(biāo)準(zhǔn)[18]中的空氣弛豫效應(yīng)理論對(duì)校準(zhǔn)過(guò)程中試驗(yàn)環(huán)境的弛豫效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。

3 校準(zhǔn)精度影響因素分析

國(guó)內(nèi)外可查閱的標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)中，僅針對(duì)湍流控制屏聲學(xué)校準(zhǔn)的方案及聲學(xué)修正量特征進(jìn)行了簡(jiǎn)單的闡述，并未結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，對(duì)湍流控制屏的聲學(xué)校準(zhǔn)精度及不確定度開(kāi)展研究。

實(shí)際工程應(yīng)用中，湍流控制屏的聲學(xué)校準(zhǔn)應(yīng)考慮聲源重復(fù)安裝帶來(lái)的位置偏差、環(huán)境溫濕度變化、工程試驗(yàn)中重復(fù)安裝湍流控制屏等因素對(duì)湍流控制屏聲學(xué)修正量的影響。

3.1 測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)修正值精度的影響

3.1.1 輸入電壓對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果影響

工程試驗(yàn)中，受到大型試驗(yàn)器運(yùn)轉(zhuǎn)、試驗(yàn)廠房供電等外界因素的影響，墻壁電源的輸出電壓會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。當(dāng)校準(zhǔn)聲源和功率放大器接入墻壁電源時(shí)，電壓的波動(dòng)會(huì)直接影響校準(zhǔn)聲源的發(fā)聲狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)湍流控制屏的聲學(xué)修正量產(chǎn)生影響。

圖8給出不同角向位置聲學(xué)測(cè)點(diǎn)在不同輸入電壓v、不同校準(zhǔn)頻率f下的聲壓級(jí)響應(yīng)特征。從圖中可以看出，不同校準(zhǔn)頻率下，不同角向位置的聲壓級(jí)響應(yīng)特征曲線呈線性趨勢(shì)變化。輸入電

圖8 不同頻率下輸入電壓對(duì)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果影響Fig.8 Influence of input voltage for test result at different frequencies

壓變化較大時(shí)，不同校準(zhǔn)頻率、不同角向位置測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)變化較大，但不同校準(zhǔn)頻率下的變化量與輸入電壓無(wú)明顯規(guī)律。從圖中可以看出：微小的輸入電壓(0.6 V)變化也會(huì)對(duì)不同校準(zhǔn)頻率、不同角向位置的聲壓級(jí)響應(yīng)特征產(chǎn)生約0.5 dB的影響。

3.1.2 聲學(xué)校準(zhǔn)系統(tǒng)重復(fù)性對(duì)修正值精度的影響

聲學(xué)校準(zhǔn)系統(tǒng)的重復(fù)性也是影響湍流控制屏聲學(xué)校準(zhǔn)精度的因素之一。圖9給出3次校準(zhǔn)工況下(溫濕度、校準(zhǔn)聲源位置、輸入電壓等均未發(fā)生變化)，不同角向位置聲學(xué)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)響應(yīng)特征。

從圖9中可以看出：除部分角向位置存在0.1～0.2 dB的偏差外，其余角向位置的聲壓級(jí)響應(yīng)完全一致，說(shuō)明聲學(xué)校準(zhǔn)系統(tǒng)重復(fù)性對(duì)湍流控制屏聲學(xué)校準(zhǔn)精度的影響可忽略不計(jì)。

圖9 低頻聲源重復(fù)性試驗(yàn)Fig.9 Repeatability test on low frequency acoustic source

3.2 聲源位置偏差對(duì)校準(zhǔn)精度的影響

由于現(xiàn)有技術(shù)條件限制，單個(gè)校準(zhǔn)聲源無(wú)法滿足“160 Hz～40 kHz穩(wěn)定發(fā)聲”要求。因此，校準(zhǔn)過(guò)程中需對(duì)校準(zhǔn)聲源進(jìn)行更換。校準(zhǔn)聲源更換時(shí)，很難保證聲源重復(fù)安裝時(shí)位置完全重合，而聲源位置微小的偏差都會(huì)對(duì)湍流控制屏聲學(xué)修正值的精度產(chǎn)生較大的影響。

圖10為校準(zhǔn)聲源重復(fù)安裝位置偏差對(duì)聲學(xué)修正量的影響。其中x=0°為校準(zhǔn)過(guò)程中聲源位置不發(fā)生變化時(shí)，湍流控制屏不同角向位置的聲學(xué)修正量；x=3°為有、無(wú)湍流控制屏工況時(shí)，聲源角向位置發(fā)生了3°偏轉(zhuǎn)。

從湍流控制屏的聲學(xué)修正量結(jié)果中可以看出，聲源位置偏差會(huì)對(duì)湍流控制屏的聲學(xué)修正量產(chǎn)生較大的影響，且隨著校準(zhǔn)頻率的增大，聲源位置偏差對(duì)修正量的影響有明顯增大的趨勢(shì)。1 000 Hz 時(shí)，2種工況下，湍流控制屏聲學(xué)修正量的結(jié)果基本重合；隨著校準(zhǔn)頻率的增大，聲源位置偏差對(duì)修正量的影響逐漸變大，2 500 Hz時(shí)，聲源位置偏差對(duì)湍流控制屏聲學(xué)修正量的影響最大達(dá)到4 dB，且修正量的指向性發(fā)生了明顯變化，x=3°工況下相鄰測(cè)點(diǎn)的最大差值達(dá)到4.5 dB。

圖10 聲源角向位置偏轉(zhuǎn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響Fig.10 Influence of acoustic source rotation on test results

上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要是由校準(zhǔn)聲源的指向性問(wèn)題導(dǎo)致。理想情況下，校準(zhǔn)聲源應(yīng)為無(wú)指向性聲源，在各方向的聲壓應(yīng)是相同的，在校準(zhǔn)空間內(nèi)可看作點(diǎn)聲源。但實(shí)際工程應(yīng)用中，保證聲源全頻段的無(wú)指向性是很難實(shí)現(xiàn)的。由于聲源存在指向性，導(dǎo)致聲源位置出現(xiàn)偏差時(shí)，湍流控制屏在某角向位置的聲學(xué)修正量并不是該角向位置下有、無(wú)湍流控制屏試驗(yàn)結(jié)果的差值。因此，校準(zhǔn)試驗(yàn)中，要保證每次校準(zhǔn)結(jié)果是在相同聲源位置和角度下進(jìn)行，一旦聲源安裝位置和角度發(fā)聲變化，用于校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)需重新組合。

圖11為x=3°工況有、無(wú)湍流控制屏各角向位置聲學(xué)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)響應(yīng)特征。從圖中可以看出，1 kHz時(shí)，除部分測(cè)點(diǎn)外，有、無(wú)湍流控制屏工況下各角向位置聲學(xué)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)響應(yīng)幅值基本重合，且無(wú)湍流控制屏工況時(shí)，各角向位置的聲壓級(jí)響應(yīng)幅值差別不大。此時(shí)，校準(zhǔn)聲源近似于無(wú)指向性聲源，在此校準(zhǔn)頻率下，校準(zhǔn)聲源位置發(fā)生微小變化對(duì)湍流控制屏聲學(xué)修正值的精度影響較?。?.5 kHz時(shí)，有、無(wú)湍流控制屏工況下，各角向位置聲學(xué)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)響應(yīng)特征出現(xiàn)明顯的“偏移”現(xiàn)象，且有/無(wú)湍流控制屏工況下，聲源存在明顯的指向性，某些相鄰角向位置聲壓級(jí)幅值的差值超過(guò)3 dB。在此校準(zhǔn)頻率下，校準(zhǔn)聲源的位置發(fā)生微小的變化都會(huì)使湍流控制屏的聲學(xué)修正量產(chǎn)生較大的誤差。

圖11 聲源發(fā)生3°偏轉(zhuǎn)時(shí)有/無(wú)湍流控制屏遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.11 Influence of 3°rotation of acoustic source on for field noise test results with and without turbulence control screen

實(shí)際工程應(yīng)用中，要保證校準(zhǔn)聲源是理想的無(wú)指向性聲源是很難實(shí)現(xiàn)的。因此實(shí)際工程校準(zhǔn)中，應(yīng)保證校準(zhǔn)過(guò)程中校準(zhǔn)聲源位置完全一致，避免聲源指向性影響湍流控制屏聲學(xué)校準(zhǔn)精度。

3.3 湍流控制屏重復(fù)安裝帶來(lái)的空間位置偏差對(duì)修正值的影響

國(guó)內(nèi)外可查閱的標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)中，僅針對(duì)湍流控制屏聲學(xué)校準(zhǔn)的方案進(jìn)行了簡(jiǎn)單的闡述。但實(shí)際工程應(yīng)用中，在進(jìn)行試驗(yàn)件、試驗(yàn)件轉(zhuǎn)接段、測(cè)試儀表的更換時(shí)，都需要對(duì)湍流控制屏進(jìn)行重復(fù)的拆卸、安裝。目前國(guó)內(nèi)對(duì)湍流控制屏的拆卸、安裝仍是通過(guò)人工手段進(jìn)行，安裝位置精度僅能控制在一定范圍之內(nèi)。工程應(yīng)用中，“湍流控制屏重復(fù)安裝，聲學(xué)修正量是否仍然適用”，是風(fēng)扇/增壓級(jí)聲學(xué)性能精準(zhǔn)、量化評(píng)估面臨的問(wèn)題。

圖12中，A、B、C、D距墻壁和湍流控制屏中心的距離是工程中用以確定湍流控制屏安裝位置的指標(biāo)，分別用x1～x8分別代表A、B、C、D距墻壁和湍流控制屏中心的“實(shí)際距離”與“標(biāo)準(zhǔn)距離”的差值。

圖13為2種安裝工況下各角向聲學(xué)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)響應(yīng)特征，2種工況下，湍流控制屏的安裝位置如表1所示。從圖中各角向位置的聲響應(yīng)特征可以看出，湍流控制屏30 mm的安裝位置偏差會(huì)給某些角向位置帶來(lái)3 dB的校準(zhǔn)偏差，且隨著校準(zhǔn)頻率的增大，湍流控制屏位置偏差對(duì)各角向位置的聲壓級(jí)響應(yīng)偏差影響有增大的趨勢(shì)。

國(guó)內(nèi)目前現(xiàn)有的技術(shù)手段僅能將湍流控制屏安裝位置的偏差控制在5 mm之內(nèi)。圖14給出了湍流控制屏重復(fù)安裝位置精度控制在5 mm之內(nèi)的3種工況下，各角向位置聲學(xué)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)響應(yīng)特征，3種工況下湍流控制屏的空間位置如表2所示。

圖12 湍流控制屏測(cè)點(diǎn)Fig.12 Test point of TCS

圖13 湍流控制屏位置偏差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響Fig.13 Influence of TCS positional deviation for test results

表1 2種工況下湍流控制屏實(shí)際安裝位置與理想安裝位置差值

圖14 空間位置精度對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果影響Fig.14 Influence of positional deviation for calibration results

從圖14中可以看出，湍流控制屏的位置安裝精度控制在5 mm之內(nèi)時(shí)，各角向位置的聲壓級(jí)幅值重復(fù)性在0.2 dB之內(nèi)。

工程試驗(yàn)中，湍流控制屏聲學(xué)修正量用以對(duì)風(fēng)扇遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲性能進(jìn)行修正，從而達(dá)到獲取風(fēng)扇“真實(shí)”的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲特性的目的，而聲學(xué)修正量的精度直接影響對(duì)風(fēng)扇遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲性能評(píng)估精度。因此，校準(zhǔn)時(shí)應(yīng)考慮實(shí)際工程試驗(yàn)中湍流控制屏重復(fù)安裝精度對(duì)聲學(xué)修正量精度的影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲特性的精確修正。

表2 3種工況下湍流控制屏實(shí)際安裝位置與理想安裝位置差值

3.4 溫濕度修正對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果影響

聲波在大氣中傳播時(shí)，聲能量會(huì)由于空氣分子的耗散而衰減，用吸收系數(shù)表示，直接取決于大氣的溫度和相對(duì)濕度。由于湍流控制屏的聲學(xué)校準(zhǔn)通常無(wú)法在同一天內(nèi)完成，因此，要保證湍流控制屏聲學(xué)修正量的精度，需考慮不同次校準(zhǔn)時(shí)環(huán)境溫濕度的變化。

圖15給出2組溫濕度條件下不同角向位置聲學(xué)測(cè)點(diǎn)的聲響應(yīng)特征。從測(cè)量結(jié)果中可以看出，校準(zhǔn)頻率較低時(shí)，溫濕度變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較小，可忽略不計(jì)；隨著校準(zhǔn)頻率的增大，溫濕度變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響變大。由于試驗(yàn)環(huán)境的溫濕度場(chǎng)近似均勻，不同校準(zhǔn)頻率下，溫濕度變化對(duì)不同角向位置聲響應(yīng)幅值的影響基本相同。

根據(jù)當(dāng)前校準(zhǔn)工況對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度和相對(duì)濕度，對(duì)聲吸收系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，其中，第j個(gè)頻帶上的大氣聲衰減系數(shù)：

α(j)=10[2.05lg(f0/1 000)+1.139 4×10-3θ′-1.191 698 4]+

η(δ)×10[lg(f0)+8.429 94×10-3θ′-2.755 624]

(8)

單位為dB/100 m；

式中:θ′為溫度，單位是℃；f0為1/3倍頻程中心頻率。

δ=

(9)

其中:H為相對(duì)濕度，用%表示。

η(δ)與δ的關(guān)系如表3所示。

對(duì)不同溫度、相對(duì)濕度、校準(zhǔn)頻率下的聲吸收

圖15 溫濕度變化后遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲曲線Fig.15 Curves of far field noise at different temperature and humidity

表3 η(δ)的值Table 3 Values of η(δ)

系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，從而獲取不同校準(zhǔn)頻率在標(biāo)準(zhǔn)工況(溫度25°、濕度70%)下的修正結(jié)果。

表4給出圖15所示的2種溫濕度條件下，不同角向位置聲壓級(jí)響應(yīng)基于標(biāo)準(zhǔn)工況下的修正值。圖16給出溫濕度修正后的結(jié)果。從圖16中可以看出，溫濕度修正后，不同校準(zhǔn)頻率、不同角向位置的聲壓級(jí)響應(yīng)吻合度較好，但由于試驗(yàn)環(huán)境溫濕度場(chǎng)只是近似均勻，實(shí)際工程應(yīng)用中，無(wú)法針對(duì)試驗(yàn)環(huán)境中存在的溫度、濕度梯度，對(duì)各角向位置的聲響應(yīng)特征進(jìn)行精細(xì)化修正，會(huì)導(dǎo)致聲學(xué)修正量存在一定的偏差。從校準(zhǔn)結(jié)果中可以看出，溫濕度修正會(huì)對(duì)湍流控制屏的聲學(xué)修正量產(chǎn)生±0.2 dB的偏差。

表4 試驗(yàn)測(cè)試環(huán)境溫濕度及基于標(biāo)準(zhǔn)溫濕度的遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓級(jí)修正結(jié)果Table 4 Test temperature and humidity and modification values of modification results of far field sound pressure level

圖16 溫濕度修正后遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲曲線Fig.16 Curves of far field noise after modification of temperature and humidity

4 測(cè)量不確定度

工程應(yīng)用中，湍流控制屏重復(fù)安裝精度、溫濕度修正、測(cè)量精度等因素都會(huì)影響湍流控制屏聲學(xué)修正量的精度，而國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)、文獻(xiàn)中均未提出湍流控制屏的聲學(xué)修正量應(yīng)包含測(cè)量不確定度。

前文已經(jīng)對(duì)湍流控制屏重復(fù)安裝、溫濕度修正等因素對(duì)湍流控制屏聲學(xué)修正量的影響進(jìn)行了分析，并基于試驗(yàn)研究，給出誤差范圍。本部分內(nèi)容針對(duì)影響湍流控制屏校準(zhǔn)精度的影響因素，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用中湍流控制屏的校準(zhǔn)不確定度開(kāi)展研究。

4.1 原理及分析方法

測(cè)量不確定度[19]一般由多個(gè)分量組成，其中根據(jù)一系列測(cè)量值的統(tǒng)計(jì)分布進(jìn)行測(cè)量的不確定度用A類評(píng)定，根基經(jīng)驗(yàn)或其他信息假設(shè)的概率分布進(jìn)行測(cè)量的不確定度用B類評(píng)定。

根據(jù)前文分析，工程應(yīng)用中湍流控制屏校準(zhǔn)的不確定度主要由以下分量引入：① 湍流控制屏重復(fù)安裝帶來(lái)的位置偏差引入的不確定度分量uA；② 溫濕度修正引入的不確定度分量uB；③ 傳聲器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)不確定度uC、uD；其中，uA、uB的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量按A類評(píng)定，uC、uD的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量按B類評(píng)定。

標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類評(píng)定方法如下：

對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行次獨(dú)立的重復(fù)觀測(cè)，測(cè)量值為：，從測(cè)量數(shù)據(jù)中找出最大值和最小值，根據(jù)測(cè)量次數(shù)查表得到極差系數(shù)和自由度，按式(10)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差

s(x)=(xmax-xmin)/dn

(10)

式中：dn為極差系數(shù)；v為自由度。dn與v關(guān)系如表5所示。

表5 極差系數(shù)dn與自由度vTable 5 dn and v

(11)

標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類評(píng)定方法主要依據(jù)設(shè)備的校準(zhǔn)證書(shū)、檢定證書(shū)或手冊(cè)中給出的參考不確定度獲取。

uB=a/k′

(12)

式中：a為輸入量的可能值的區(qū)間半寬度；k′為包含因子或置信因子。當(dāng)測(cè)試設(shè)備的最大允許誤差為±Δ，則：

a=Δ

(13)

置信因子k′根據(jù)置信水平p來(lái)確定，假設(shè)為正態(tài)分布時(shí)，p與k′滿足表6關(guān)系。

表6 正態(tài)分布置信因子與概率的關(guān)系Table 6 Relation of k′ and p

通過(guò)測(cè)量模型由輸入量估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度適當(dāng)合成可以獲取被測(cè)量的估計(jì)值的合成不確定度，當(dāng)測(cè)量模型為線性模型時(shí)，合成不確定度可以通過(guò)式(14)計(jì)算得出：

(14)

當(dāng)各輸入量均不相關(guān)時(shí)，r(xi,xj)為0，則合成不確定度可以簡(jiǎn)化為

(15)

4.2 湍流控制屏聲學(xué)校準(zhǔn)不確定度

3次試驗(yàn)下，湍流控制屏不同角向位置的聲學(xué)修正量如表7所示。根據(jù)式(11)，得到：ui=0.27 dB。同理，由溫濕度修正引入的不確定度ui=0.07 dB。

根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范[20]、傳聲器校準(zhǔn)規(guī)范[21]及標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類評(píng)定方法，傳聲器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的校準(zhǔn)不確定度u3、u4=0.07 dB； 根據(jù)式(15)，得到湍流控制屏聲學(xué)校準(zhǔn)的合成不確定度u=0.29 dB。

表7 湍流控制屏不同角向位置的聲學(xué)修正量(3 150 Hz)Table 7 Modification acoustic values of TCS at different angular positions (3 150 Hz)

5 湍流控制屏的聲學(xué)修正量

依據(jù)湍流控制屏聲學(xué)校準(zhǔn)原理，結(jié)合本文總結(jié)的工程應(yīng)用中控制湍流控制屏校準(zhǔn)精度的事項(xiàng)，獲取湍流控制屏高精度的聲學(xué)修正量。

圖17給出部分校準(zhǔn)頻率下湍流控制屏各角向位置的聲學(xué)修正量特征。從圖中可以看出：校準(zhǔn)頻率在1 000 Hz以下時(shí)，除部分角向位置外，湍流控制屏的聲學(xué)修正量可控制在±1.5 dB；校準(zhǔn)頻率在1 000 Hz～20 kHz時(shí)，湍流控制屏的聲學(xué)修正量可控制在±2 dB；校準(zhǔn)頻率在20～40 kHz 時(shí)，除部分測(cè)點(diǎn)外，湍流控制屏的聲學(xué)修正量范圍為-0.5～+3 dB。

圖17 湍流控制屏校準(zhǔn)結(jié)果Fig.17 Modification results of TCS

與國(guó)外文獻(xiàn)中的結(jié)果相比，本文充分考慮了湍流控制屏校準(zhǔn)過(guò)程中影響聲學(xué)修正量精度的因素，首次給出了湍流控制屏在20～40 kHz的聲學(xué)修正量特征。

6 工程應(yīng)用中湍流控制屏高精度聲學(xué)校準(zhǔn)注意事項(xiàng)

工程應(yīng)用中，湍流控制屏的聲學(xué)修正量是獲取風(fēng)扇、整機(jī)前傳噪聲“真實(shí)”特性的必備途徑，而聲學(xué)修正量的精度直接影響風(fēng)扇、整機(jī)前傳噪聲性能評(píng)估精度。因此工程應(yīng)用中，應(yīng)考慮校準(zhǔn)過(guò)程中影響校準(zhǔn)精度的因素，保證聲學(xué)修正量的精度，從而為風(fēng)扇、整機(jī)前傳噪聲性能的精確評(píng)估提供技術(shù)保障。

通過(guò)上述分析內(nèi)容，影響湍流控制屏聲學(xué)修正量精度的因素主要有以下幾點(diǎn)：① 湍流控制屏重復(fù)安裝引入的安裝位置偏差；② 測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性、重復(fù)性；③ 溫濕度修正；④ 輸入電壓的穩(wěn)定性；⑤ 校準(zhǔn)聲源指向性對(duì)校準(zhǔn)的影響。

實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合校準(zhǔn)環(huán)境及校準(zhǔn)能力對(duì)上述影響湍流控制屏聲學(xué)校準(zhǔn)精度的影響因素進(jìn)行考慮，可通過(guò)工程手段避免的，如校準(zhǔn)聲源指向性、輸入電壓的穩(wěn)定性等問(wèn)題，應(yīng)盡可能避免，無(wú)法避免的應(yīng)針對(duì)影響因素對(duì)聲學(xué)修正量精度的影響開(kāi)展研究，給出測(cè)量不確定度。

7 結(jié) 論

針對(duì)湍流控制屏高精度的聲學(xué)校準(zhǔn)需求，本文對(duì)160 Hz～40 kHz頻率范圍內(nèi)，湍流控制屏校準(zhǔn)過(guò)程中影響聲學(xué)修正量精度的因素進(jìn)行了分析，并對(duì)不同校準(zhǔn)頻率、不同角向位置下湍流控制屏聲學(xué)修正量的特征進(jìn)行了歸納、總結(jié)，獲得如下結(jié)論：

1) 湍流控制屏重復(fù)安裝的位置精度、測(cè)試系統(tǒng)的重復(fù)性、穩(wěn)定性、校準(zhǔn)環(huán)境溫濕度修正、校準(zhǔn)聲源的指向性都會(huì)影響湍流控制屏聲學(xué)校準(zhǔn)精度。

2) 針對(duì)影響湍流控制屏聲學(xué)校準(zhǔn)精度的影響因素，需考慮湍流控制屏聲學(xué)校準(zhǔn)的測(cè)量不確定度。

3) 校準(zhǔn)頻率較低時(shí)，湍流控制屏各角向位置的聲學(xué)修正量在0 dB附近波動(dòng)，20 kHz以下時(shí)，修正量可控制在±2 dB；校準(zhǔn)頻率較高時(shí)，湍流控制屏各角向位置的聲學(xué)修正量在+1 dB附近波動(dòng)，20～40 kHz時(shí)，聲學(xué)修正量的范圍為-0.5～+3 dB。

4) 工程應(yīng)用中，需充分考慮影響湍流控制屏聲學(xué)校準(zhǔn)精度的影響因素，可通過(guò)工程手段避免的應(yīng)盡可能避免，無(wú)法避免的應(yīng)針對(duì)影響因素對(duì)聲學(xué)修正量精度的影響開(kāi)展分析，并給出測(cè)量不確定度。