盧翔宇, 柏 林, 溫渝昌, 陳正武

(1. 重慶大學(xué) 機(jī)械傳動國家重點實驗室, 重慶 400044; 2. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 氣動噪聲控制重點實驗室, 四川 綿陽 621000)

風(fēng)洞聲學(xué)測量系統(tǒng)研制

盧翔宇1,2, 柏 林1,*, 溫渝昌2, 陳正武2

(1. 重慶大學(xué) 機(jī)械傳動國家重點實驗室, 重慶 400044; 2. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心 氣動噪聲控制重點實驗室, 四川 綿陽 621000)

作為5.5m×4m大型低速航空聲學(xué)風(fēng)洞的重要組成部分，聲學(xué)測量系統(tǒng)主要用于準(zhǔn)確識別試驗?zāi)Ｐ蜌鈩釉肼暜a(chǎn)生的區(qū)域，同時完成不同條件下的風(fēng)洞背景噪聲測試。根據(jù)國內(nèi)外聲學(xué)測量技術(shù)的現(xiàn)狀，結(jié)合氣動聲學(xué)試驗的特殊要求，研制了一套高性能的聲學(xué)測量系統(tǒng)，用于完成氣動噪聲源定位和風(fēng)洞背景噪聲的準(zhǔn)確測量。試驗結(jié)果表明，該測量系統(tǒng)能夠滿足風(fēng)洞聲學(xué)試驗的測試要求。分布式測試結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)的可靠性和信噪比；即插即用測試技術(shù)的應(yīng)用有效減少了系統(tǒng)的搭建、配置和編程工作，提高了系統(tǒng)的靈活性和可配置性；多線程并行處理算法的設(shè)計和TDMS技術(shù)的使用實現(xiàn)了153.6MB/s的數(shù)據(jù)實時流盤，同時構(gòu)建的分組存儲技術(shù)為海量數(shù)據(jù)的有序存儲和快速檢索提供了保證。

風(fēng)洞；聲傳感器；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；研制

0 引 言

隨著交通運(yùn)輸業(yè)和國防軍事的快速發(fā)展，氣動聲學(xué)研究已成為空氣動力學(xué)的重要研究內(nèi)容[1-2]。中國空氣動力研究與發(fā)展中心已建成5.5m×4m大型低湍流度回流式航空聲學(xué)風(fēng)洞，為國內(nèi)開展民用客機(jī)、直升機(jī)、高速列車等交通設(shè)備的噪聲性能測試以及相應(yīng)的噪聲控制技術(shù)研究提供了直接、有效的試驗平臺。

基于風(fēng)洞的氣動聲學(xué)試驗對測量系統(tǒng)提出了很高的要求：由于氣動噪聲通常具有很高的頻率范圍(飛行器的合格噪聲標(biāo)準(zhǔn)要求頻率數(shù)據(jù)在幾十赫茲到十幾千赫茲范圍內(nèi)，對于縮比較大的模型，則應(yīng)關(guān)注更高頻率范圍內(nèi)的聲源信息[3])，因此要求傳聲器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備必須在較寬的頻帶內(nèi)具有良好的動態(tài)范圍；同時，為了實現(xiàn)對不同頻率噪聲源的準(zhǔn)確定位，構(gòu)成相控陣列的傳聲器數(shù)量非常龐大[4]，如DNW-LLF風(fēng)洞使用100只傳聲器構(gòu)成2m×2m陣列用于全機(jī)模型的噪聲試驗[5]。另外，氣動聲學(xué)試驗需要較低的背景噪聲以獲取準(zhǔn)確的有用數(shù)據(jù)，對射流內(nèi)/外的環(huán)境噪聲進(jìn)行標(biāo)定也是測量系統(tǒng)必須具備的功能。因此，用于風(fēng)洞試驗的聲學(xué)測量系統(tǒng)具有測試通道數(shù)多、采樣率高、測試對象復(fù)雜等特點。

針對氣動聲學(xué)試驗的特點，研制了一套具備256通道測試能力的聲學(xué)測量系統(tǒng)，其最高采樣率可達(dá)204.8kSa/s，滿足風(fēng)洞背景噪聲和氣動噪聲源定位測量的要求。該系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)設(shè)計，有效地提高了自身的抗干擾能力；即插即用技術(shù)的使用降低了系統(tǒng)構(gòu)建的復(fù)雜度，同時提高了測試結(jié)果的可靠性；基于LabVIEW開發(fā)的軟件設(shè)計合理、功能完善，實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)的實時流盤和大樣本數(shù)據(jù)的快速訪問。

1 風(fēng)洞聲學(xué)測量系統(tǒng)研制的基本要求

風(fēng)洞背景噪聲屬于寬頻帶噪聲，主要來源于風(fēng)扇、風(fēng)洞回路部件(如拐角導(dǎo)流片、阻尼網(wǎng)等)以及高速氣流在開口試驗段壁面產(chǎn)生的邊界層噪聲等[6-7]，實際測量時應(yīng)對流場內(nèi)/外的主要噪聲源進(jìn)行考核，測量范圍通常為20Hz～20kHz，考慮到低頻湍流的影響，其頻率下限應(yīng)更低。而在進(jìn)行氣動噪聲源識別定位測量時，對全尺寸飛行器的噪聲測量范圍應(yīng)滿足GB 9661-88《機(jī)場周圍飛機(jī)噪聲測量方法》規(guī)定的50Hz～10kHz，考慮到模型尺寸縮比的關(guān)系，此測量頻率上/下限均相應(yīng)地提高。因此，根據(jù)5.5m×4m聲學(xué)風(fēng)洞的功能要求，結(jié)合氣動聲學(xué)試驗的特點，對聲學(xué)測量系統(tǒng)提出了以下設(shè)計技術(shù)要求，如表1所示。

表1 5.5m×4m風(fēng)洞聲學(xué)測量系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)要求

2 硬件構(gòu)成與性能分析

5.5m×4m風(fēng)洞聲學(xué)測量系統(tǒng)的硬件部分主要由聲傳感器(含前置放大器)、陣列架(或固定架)、多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和測量分析工作站等構(gòu)成，如圖1所示。不同類型的傳聲器與多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)了風(fēng)洞背景噪聲性能測量和氣動噪聲源識別定位測量。

2.1 測試環(huán)境分析與傳聲器選型

測量射流內(nèi)部的背景噪聲，必須使用壓力場傳聲器以獲取實際位置處的聲壓級；而為了得到射流外部無畸變的真實聲壓，則應(yīng)使用自由場傳聲器[8]。相控陣列架通常位于射流外部，陣列面上布置1組相位差別不大的特殊的自由場傳聲器(通常稱為陣列傳聲器)用于測量模型表面的噪聲源分布。

表2 G.R.A.S傳聲器主要技術(shù)指標(biāo)

通過對比國內(nèi)外先進(jìn)的傳聲器，最終選定G.R.A.S公司生產(chǎn)的40AE、46AO、40PH和40BE傳聲器作為聲壓感應(yīng)元件，其主要技術(shù)指標(biāo)見表2。在滿足設(shè)計技術(shù)要求(見表1)的基礎(chǔ)上，對陣列測試的頻率上限適當(dāng)提高，以滿足更大縮比模型的試驗要求；所有類型的傳聲器均提供滿足IEEE 1451.4TM標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字/模擬接口[9]，無需額外的極化電壓即可正常工作，簡化了與數(shù)據(jù)采集設(shè)備的連接。

2.2 多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)建

聲學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為風(fēng)洞背景噪聲性能測量和氣動噪聲源識別定位測量所共用，是一套基于PXIe總線的多通道并行數(shù)據(jù)采集平臺，使用16塊高精度動態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊PXIe-4499構(gòu)成了256路的測試通道，其最高采樣可達(dá)204.8kSa/s。為保證陣列數(shù)據(jù)采集對同步的嚴(yán)格要求，采用PXIe-1075機(jī)箱提供的10MHz時基作為所有A/D轉(zhuǎn)換器的參考時鐘，降低了因時鐘抖動、偏移等引發(fā)的各通道數(shù)據(jù)間的時差問題，同步精度小于1ns。所有采集通道同樣滿足IEEE 1451.4TM標(biāo)準(zhǔn)的接口規(guī)范，與傳聲器相連形成了即插即用的智能測試系統(tǒng)。

聲學(xué)風(fēng)洞試驗規(guī)范要求操作人員必須遠(yuǎn)離試驗現(xiàn)場，同時為了縮短數(shù)據(jù)采集設(shè)備與傳聲器之間的連接線纜，降低信號傳輸過程中的電磁干擾，設(shè)計了分布式測試架構(gòu)：整套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安裝在風(fēng)洞消聲室內(nèi)，通過MXI遠(yuǎn)程控制套件(PXIe-PCIe 8375)和光纖與位于控制間的測量分析工作站相連，實現(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)傳輸。使用光纖傳輸數(shù)字化后的聲壓信號，有效地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。為了降低數(shù)據(jù)采集設(shè)備的自身噪聲對試驗結(jié)果的影響，在采集機(jī)箱外部敷設(shè)了專用的消聲材料，降噪后的采集設(shè)備滿足MIL-PRF-28800F指標(biāo)要求，其聲壓級小于40dB(A)，聲功率小于50dB(A)。

圖1 5.5m×4m風(fēng)洞聲學(xué)測量系統(tǒng)構(gòu)成

2.3 綜合性能分析

本項目選擇的聲學(xué)測量設(shè)備(包括傳聲器和數(shù)采設(shè)備)都屬于當(dāng)今業(yè)界先進(jìn)的產(chǎn)品。表3列舉了目前國際上幾種主流的聲學(xué)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，通過對比研究，以PXIe-4499為基礎(chǔ)構(gòu)建的PXIe數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在采樣率和通道數(shù)方面優(yōu)勢明顯，雖然動態(tài)測量范圍只有114dB，但是在程控增益的調(diào)節(jié)下，最終可達(dá)144dB。同時，基于PXIe總線的測試系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，如波音公司曾利用該類型產(chǎn)品集成了高達(dá)900點的聲陣列裝置用于完成實飛噪聲測試。因此，5.5m×4m風(fēng)洞聲學(xué)測量系統(tǒng)不僅能夠滿足目前氣動聲學(xué)試驗的要求，同時為下一步系統(tǒng)能力的提升(測試通道大于256路)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

表3 典型的聲學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)對比

3 軟件設(shè)計

聲學(xué)測量軟件采用模塊化功能結(jié)構(gòu)，使用LabVIEW開發(fā)，結(jié)合計算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，形成軟硬件相結(jié)合的虛擬儀器測試平臺[10]。

3.1 軟件功能與結(jié)構(gòu)

風(fēng)洞聲學(xué)測量軟件的主要功能包括：

(1) 從采集硬件中讀取傳聲器輸出的電壓信號，并按照相應(yīng)的靈敏度轉(zhuǎn)換為聲壓信號；(2) 實時顯示指定通道的時域數(shù)據(jù)，同時監(jiān)視全部測試通道是否工作正常；(3) 對不同的測試對象進(jìn)行分組存儲，并記錄所有測試參數(shù)以供事后數(shù)據(jù)分析處理；(4) 查詢歷史數(shù)據(jù)，并提供多種文件類型的轉(zhuǎn)換接口。

程序流程圖如圖2所示，具體表述如下：

(1) 啟動程序，讀取上次試驗結(jié)束時存儲的配置文件，獲取相關(guān)的試驗參數(shù)；(2) 設(shè)置采樣率、采集點數(shù)、觸發(fā)方式等參數(shù)；對所有選定的測試通道進(jìn)行屬性設(shè)置，包括靈敏度、量程和激勵方式等，并根據(jù)不同的測試對象將通道進(jìn)行分組排序；(3) 采集開始前，必須對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保系統(tǒng)的誤差保持在允許的范圍之內(nèi)；(4) 開始采集時，根據(jù)設(shè)定的采樣率和采集點數(shù)分塊讀取指定長度的數(shù)據(jù)，將得到的聲壓信號顯示在界面上，并對全部測試通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行求取方差的運(yùn)算，以判斷各通道是否處于正常的工作狀態(tài)；同時將數(shù)據(jù)按規(guī)范存儲在指定的路徑下；(5) 如果需要對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行離線訪問，則按所需要求讀取指定長度的數(shù)據(jù)大小，并以圖形和數(shù)值的方式顯示結(jié)果。

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 程序設(shè)計中的幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)

(1) 快速準(zhǔn)確的多通道屬性設(shè)置。實際應(yīng)用中，上百只傳聲器的靈敏度、量程各不相同，對測試通道屬性配置快捷性和準(zhǔn)確性提出了很高的要求。由于傳聲器和數(shù)據(jù)采集模塊均滿足IEEE 1451.4TM標(biāo)準(zhǔn)的智能型變換器混合模式接口規(guī)范，通過軟件可以自動訪問傳聲器內(nèi)部的TEDS EEPROM以獲取相關(guān)的參數(shù)，該方式有效地提高了測試通道配置的效率。測試表明，對256通道進(jìn)行設(shè)置時只需短短幾秒鐘的時間，同時避免了手動輸入?yún)?shù)帶來的測試誤差，提高測試結(jié)果的可靠性；另外，更換不同的傳聲器不會導(dǎo)致代碼的更改。軟件自動獲取傳聲器TEDS信息的代碼如圖3所示。

圖3 解析傳聲器TEDS信息的軟件代碼

(2) 高效、合理的實時數(shù)據(jù)流盤與存儲模式。采用多線程的并行處理算法和TDMS文件技術(shù)以確保256通道高達(dá)153.6MB/s的數(shù)據(jù)吞吐量。多線程并行技術(shù)將采集和存儲劃分為2個獨立的循環(huán)：采集循環(huán)從硬件設(shè)備不斷地獲取數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)緩存至特定的隊列堆棧中，存儲循環(huán)則不斷地從堆棧中取出數(shù)據(jù)，并釋放相應(yīng)的內(nèi)存，這種并行技術(shù)具有較高的運(yùn)行效率和相對較少的內(nèi)存需求。保證隊列堆棧不會溢出的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)寫入文件的速度足夠快，通過研究不同類型文件的存儲效率，最終選擇了基于二進(jìn)制數(shù)據(jù)流原理的TDMS文件作為測試數(shù)據(jù)的存儲格式。TDMS文件具有體積小、可搜索、易讀取等優(yōu)點[11]，同時可將不同測試對象的數(shù)據(jù)分組存儲在同一個文件中，并記錄相應(yīng)的試驗參數(shù)以便于對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行離線處理。圖4為多線程并行處理程序代碼。

圖4 多線程并行處理算法的軟件代碼

對256路通道以204.8kSa/s的速率進(jìn)行實時流盤測試，采集時間為10min。結(jié)果表明，采集和存儲的進(jìn)度基本一致，兩者之間的時間延遲小于1s。

4 風(fēng)洞試驗及結(jié)果分析

風(fēng)洞驗證性試驗在5.5m×4m聲學(xué)風(fēng)洞開口試驗段中完成。模型采用尾撐裝置支撐；10只40AE傳聲器安裝在遠(yuǎn)場弧形軌上，用于測量風(fēng)洞背景噪聲和聲源指向性；140只40PH傳聲器按多臂螺旋線形式布置在3m×3m的陣列架上，共有7條螺旋臂，每條螺旋臂由20只傳聲器構(gòu)成，用于測量試驗?zāi)Ｐ捅砻娴臍鈩釉肼曉捶植?；?shù)據(jù)采集系統(tǒng)安裝在噴口下方的地面上，通過光纖與控制間的測量分析工作站進(jìn)行通信。試驗?zāi)Ｐ图霸O(shè)備安裝情況如圖5所示。

4.1 測量系統(tǒng)性能考核

試驗開始前，使用42AB壓力校準(zhǔn)器對系統(tǒng)的每個測試點(包括傳聲器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備)進(jìn)行校準(zhǔn)，考核系統(tǒng)的頻響特性和傳聲器的靈敏度，確保系統(tǒng)處于正常的工作狀態(tài)。圖6為40AE、46AO、40PH和40BE 4類傳聲器的幅頻曲線，由圖可知所有測試結(jié)果的準(zhǔn)確度均小于±0.2dB，滿足系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)要求。

圖5 驗?zāi)Ｐ图皽y量設(shè)備在風(fēng)洞中的安裝圖

圖6 聲傳感器的校準(zhǔn)幅頻曲線

4.2 相控陣列性能測試

為了考核相控陣列對聲源的識別能力，在試驗?zāi)Ｐ偷闹卸伟惭b頻率為4038Hz的發(fā)聲單元，使用51.2kSa/s的速率對140個陣列傳聲器進(jìn)行采樣，采集時間為10s，然后按文獻(xiàn)[12]介紹的計算方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和成像。由圖7可知陣列識別出的發(fā)聲單元位置與實際安裝位置是一致的，相控陣列的測試結(jié)果真實可靠。

圖7 發(fā)聲單元識別結(jié)果

4.3 風(fēng)洞背景噪聲測量

將模型降低到射流外，測量空風(fēng)洞的背景噪聲。采樣率為51.2kSa/s，采集時間為20s。圖8給出了風(fēng)速80m/s時，弧形軌中心位置的40AE傳聲器測得的空風(fēng)洞背景噪聲頻譜曲線。由圖可以看出，在80m/s的風(fēng)速下，背景噪聲A計權(quán)聲壓級在100Hz到25kHz的范圍內(nèi)小于75dB(A)，滿足氣動聲學(xué)試驗的要求[6]。

圖8 風(fēng)洞背景噪聲頻譜曲線(V=80m/s)

4.4 全機(jī)模型的氣動噪聲源識別定位試驗

本次驗證性試驗主要研究全機(jī)模型在著陸狀態(tài)下的噪聲源分布及噪聲的傳播特性。試驗風(fēng)速分別為40、50、60和70m/s，采樣率為51.2kSa/s，采集時間為30s，同樣使用文獻(xiàn)[12]介紹的計算方法對陣列數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和成像。圖9給出了風(fēng)速70m/s、模型著陸狀態(tài)下迎角0°時相控陣列在3150Hz頻率段(1/3倍頻程)的分析結(jié)果。在此頻率下時襟翼滑軌處出現(xiàn)明顯噪聲源，而且縫翼與機(jī)身交接處的缺口也開始出現(xiàn)噪聲，但強(qiáng)度相對較弱，此狀態(tài)下模型的主要噪聲源為起落架、增升裝置、增升裝置滑軌、縫翼與機(jī)身交接處的缺口。

圖9 迎角0°時的噪聲源分布(V=70m/s，f=3150Hz)

Fig.9 Noise source distribution on model (V=70m/s,α=0°,β=0°,f=3150Hz)

5 結(jié) 論

根據(jù)氣動聲學(xué)試驗的特殊要求，結(jié)合現(xiàn)代聲學(xué)測量技術(shù)的特點，研制了1套高性能聲學(xué)測量系統(tǒng)。即插即用智能測試技術(shù)的應(yīng)用簡化了大型測量系統(tǒng)構(gòu)建的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性；軟件的合理設(shè)計實現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)的實時流盤和分組管理，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理分析提供了便利。通過性能測試和風(fēng)洞驗證性試驗表明，該系統(tǒng)能夠可靠地完成聲學(xué)風(fēng)洞背景噪聲性能測試和氣動噪聲源識別定位測試。

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(編輯：李金勇)

Development of acoustic measurement system for wind tunnel

Lu Xiangyu1,2, Bo Lin1, Wen Yuchang2, Chen Zhengwu2

(1. State Key Laboratory of Mechanical Transmission, Chongqing University, Chongqing 400044,China; 2. Key Laboratory of Aerodynamic Noise Control, China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang Sichuan 621000, China)

The acoustic measurement system is an important component of the in 5.5m×4m large-scale low-speed aeroacoustic wind tunnel, which is mainly used to accurately identify the area upon the test model where the aerodynamic noise is generated and measure the background noise of the wind tunnel under different conditions. According to the current status of the acoustic measurement technology at home and abroad, combined with the specific requirements of aeroacoustics test, a high performance acoustic measurement system has been developed to perform accurate measurement of aerodynamic noise source location and wind tunnel background noise. Test results show that the measurement system can meet the test requirements in the acoustic wind tunnel. Distributed structure greatly improves the reliability and SNR of the system. Plug and play technique effectively reduces the construction, configuration and programming work to improve the flexibility and configurability of the system. Multi-threaded parallel processing algorithm and TDMS technology can realize the real-time streaming data up to 153.6MB/s, and the packet storage technology provides a guarantee for the orderly storage and fast retrieval of massive data.

wind tunnel;acoustic sensor;data acquisition system;development

1672-9897(2015)02-0097-06

10.11729/syltlx20140057

2014-05-13;

2014-07-21

國家自然科學(xué)基金資助項目(111720007)

LuXY,WenYC,ChenZW.Developmentofacousticmeasurementsystemforwindtunnel.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(2): 97-102. 盧翔宇, 溫渝昌, 陳正武. 風(fēng)洞聲學(xué)測量系統(tǒng)研制. 實驗流體力學(xué), 2015, 29(2): 97-102.

V211.74

A

盧翔宇(1980-)，男，四川羅江人，工程師。研究方向：低速風(fēng)洞測量與控制。通信地址：四川省綿陽市中國空氣動力研究與發(fā)展中心氣動噪聲控制重點實驗室(621000)。E-mail: austinglue@yeah.net

*通信作者 E-mail: bolin001@aliyun.com