風洞聲學測量系統研制

盧翔宇, 柏 林, 溫渝昌, 陳正武

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

風洞聲學測量系統研制

盧翔宇1,2, 柏 林1,*, 溫渝昌2, 陳正武2

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

作為5.5m×4m大型低速航空聲學風洞的重要組成部分，聲學測量系統主要用于準確識別試驗模型氣動噪聲產生的區域，同時完成不同條件下的風洞背景噪聲測試。根據國內外聲學測量技術的現狀，結合氣動聲學試驗的特殊要求，研制了一套高性能的聲學測量系統，用于完成氣動噪聲源定位和風洞背景噪聲的準確測量。試驗結果表明，該測量系統能夠滿足風洞聲學試驗的測試要求。分布式測試結構提高了系統的可靠性和信噪比；即插即用測試技術的應用有效減少了系統的搭建、配置和編程工作，提高了系統的靈活性和可配置性；多線程并行處理算法的設計和TDMS技術的使用實現了153.6MB/s的數據實時流盤，同時構建的分組存儲技術為海量數據的有序存儲和快速檢索提供了保證。

風洞；聲傳感器；數據采集系統；研制

0 引 言

隨著交通運輸業和國防軍事的快速發展，氣動聲學研究已成為空氣動力學的重要研究內容[1-2]。中國空氣動力研究與發展中心已建成5.5m×4m大型低湍流度回流式航空聲學風洞，為國內開展民用客機、直升機、高速列車等交通設備的噪聲性能測試以及相應的噪聲控制技術研究提供了直接、有效的試驗平臺。

基于風洞的氣動聲學試驗對測量系統提出了很高的要求：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準要求頻率數據在幾十赫茲到十幾千赫茲范圍內，對于縮比較大的模型，則應關注更高頻率范圍內的聲源信息[3])，因此要求傳聲器和數據采集設備必須在較寬的頻帶內具有良好的動態范圍；同時，為了實現對不同頻率噪聲源的準確定位，構成相控陣列的傳聲器數量非常龐大[4]，如DNW-LLF風洞使用100只傳聲器構成2m×2m陣列用于全機模型的噪聲試驗[5]。另外，氣動聲學試驗需要較低的背景噪聲以獲取準確的有用數據，對射流內/外的環境噪聲進行標定也是測量系統必須具備的功能。因此，用于風洞試驗的聲學測量系統具有測試通道數多、采樣率高、測試對象復雜等特點。

針對氣動聲學試驗的特點，研制了一套具備256通道測試能力的聲學測量系統，其最高采樣率可達204.8kSa/s，滿足風洞背景噪聲和氣動噪聲源定位測量的要求。該系統采用分布式架構設計，有效地提高了自身的抗干擾能力；即插即用技術的使用降低了系統構建的復雜度，同時提高了測試結果的可靠性；基于LabVIEW開發的軟件設計合理、功能完善，實現了高速數據的實時流盤和大樣本數據的快速訪問。

1 風洞聲學測量系統研制的基本要求

風洞背景噪聲屬于寬頻帶噪聲，主要來源于風扇、風洞回路部件(如拐角導流片、阻尼網等)以及高速氣流在開口試驗段壁面產生的邊界層噪聲等[6-7]，實際測量時應對流場內/外的主要噪聲源進行考核，測量范圍通常為20Hz～20kHz，考慮到低頻湍流的影響，其頻率下限應更低。而在進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滿足GB 9661-88《機場周圍飛機噪聲測量方法》規定的50Hz～10kHz，考慮到模型尺寸縮比的關系，此測量頻率上/下限均相應地提高。因此，根據5.5m×4m聲學風洞的功能要求，結合氣動聲學試驗的特點，對聲學測量系統提出了以下設計技術要求，如表1所示。

表1 5.5m×4m風洞聲學測量系統設計技術要求

2 硬件構成與性能分析

5.5m×4m風洞聲學測量系統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)、多通道并行數據采集系統和測量分析工作站等構成，如圖1所示。不同類型的傳聲器與多通道數據采集系統相結合，實現了風洞背景噪聲性能測量和氣動噪聲源識別定位測量。

2.1 測試環境分析與傳聲器選型

測量射流內部的背景噪聲，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傳聲器主要技術指標

通過對比國內外先進的傳聲器，最終選定G.R.A.S公司生產的40AE、46AO、40PH和40BE傳聲器作為聲壓感應元件，其主要技術指標見表2。在滿足設計技術要求(見表1)的基礎上，對陣列測試的頻率上限適當提高，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標準的數字/模擬接口[9]，無需額外的極化電壓即可正常工作，簡化了與數據采集設備的連接。

2.2 多通道并行數據采集系統的構建

聲學數據采集系統為風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據采集平臺，使用16塊高精度動態數據采集模塊PXIe-4499構成了256路的測試通道，其最高采樣可達204.8kSa/s。為保證陣列數據采集對同步的嚴格要求，采用PXIe-1075機箱提供的10MHz時基作為所有A/D轉換器的參考時鐘，降低了因時鐘抖動、偏移等引發的各通道數據間的時差問題，同步精度小于1ns。所有采集通道同樣滿足IEEE 1451.4TM標準的接口規范，與傳聲器相連形成了即插即用的智能測試系統。

聲學風洞試驗規范要求操作人員必須遠離試驗現場，同時為了縮短數據采集設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，設計了分布式測試架構：整套數據采集系統安裝在風洞消聲室內，通過MXI遠程控制套件(PXIe-PCIe 8375)和光纖與位于控制間的測量分析工作站相連，實現了系統的遠程控制與數據傳輸。使用光纖傳輸數字化后的聲壓信號，有效地提高了系統的抗干擾能力。為了降低數據采集設備的自身噪聲對試驗結果的影響，在采集機箱外部敷設了專用的消聲材料，降噪后的采集設備滿足MIL-PRF-28800F指標要求，其聲壓級小于40dB(A)，聲功率小于50dB(A)。

圖1 5.5m×4m風洞聲學測量系統構成

2.3 綜合性能分析

本項目選擇的聲學測量設備(包括傳聲器和數采設備)都屬于當今業界先進的產品。表3列舉了目前國際上幾種主流的聲學數據采集設備的關鍵技術指標，通過對比研究，以PXIe-4499為基礎構建的PXIe數據采集系統在采樣率和通道數方面優勢明顯，雖然動態測量范圍只有114dB，但是在程控增益的調節下，最終可達144dB。同時，基于PXIe總線的測試系統具有很強的擴展性，如波音公司曾利用該類型產品集成了高達900點的聲陣列裝置用于完成實飛噪聲測試。因此，5.5m×4m風洞聲學測量系統不僅能夠滿足目前氣動聲學試驗的要求，同時為下一步系統能力的提升(測試通道大于256路)奠定了技術基礎。

表3 典型的聲學數據采集系統主要技術指標對比

3 軟件設計

聲學測量軟件采用模塊化功能結構，使用LabVIEW開發，結合計算機強大的運算處理能力，形成軟硬件相結合的虛擬儀器測試平臺[10]。

3.1 軟件功能與結構

風洞聲學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，并按照相應的靈敏度轉換為聲壓信號；(2) 實時顯示指定通道的時域數據，同時監視全部測試通道是否工作正常；(3) 對不同的測試對象進行分組存儲，并記錄所有測試參數以供事后數據分析處理；(4) 查詢歷史數據，并提供多種文件類型的轉換接口。

程序流程圖如圖2所示，具體表述如下：

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

圖2 系統軟件流程圖

3.2 程序設計中的幾個關鍵環節

(1) 快速準確的多通道屬性設置。實際應用中，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確性提出了很高的要求。由于傳聲器和數據采集模塊均滿足IEEE 1451.4TM標準的智能型變換器混合模式接口規范，通過軟件可以自動訪問傳聲器內部的TEDS EEPROM以獲取相關的參數，該方式有效地提高了測試通道配置的效率。測試表明，對256通道進行設置時只需短短幾秒鐘的時間，同時避免了手動輸入參數帶來的測試誤差，提高測試結果的可靠性；另外，更換不同的傳聲器不會導致代碼的更改。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、合理的實時數據流盤與存儲模式。采用多線程的并行處理算法和TDMS文件技術以確保256通道高達153.6MB/s的數據吞吐量。多線程并行技術將采集和存儲劃分為2個獨立的循環：采集循環從硬件設備不斷地獲取數據，將得到的數據緩存至特定的隊列堆棧中，存儲循環則不斷地從堆棧中取出數據，并釋放相應的內存，這種并行技術具有較高的運行效率和相對較少的內存需求。保證隊列堆棧不會溢出的關鍵環節是數據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制數據流原理的TDMS文件作為測試數據的存儲格式。TDMS文件具有體積小、可搜索、易讀取等優點[11]，同時可將不同測試對象的數據分組存儲在同一個文件中，并記錄相應的試驗參數以便于對測試數據進行離線處理。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的速率進行實時流盤測試，采集時間為10min。結果表明，采集和存儲的進度基本一致，兩者之間的時間延遲小于1s。

4 風洞試驗及結果分析

風洞驗證性試驗在5.5m×4m聲學風洞開口試驗段中完成。模型采用尾撐裝置支撐；10只40AE傳聲器安裝在遠場弧形軌上，用于測量風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只傳聲器構成，用于測量試驗模型表面的氣動噪聲源分布；數據采集系統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行通信。試驗模型及設備安裝情況如圖5所示。

4.1 測量系統性能考核

試驗開始前，使用42AB壓力校準器對系統的每個測試點(包括傳聲器和數據采集設備)進行校準，考核系統的頻響特性和傳聲器的靈敏度，確保系統處于正常的工作狀態。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果的準確度均小于±0.2dB，滿足系統的設計指標要求。

圖5 驗模型及測量設備在風洞中的安裝圖

圖6 聲傳感器的校準幅頻曲線

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，在試驗模型的中段安裝頻率為4038Hz的發聲單元，使用51.2kSa/s的速率對140個陣列傳聲器進行采樣，采集時間為10s，然后按文獻[12]介紹的計算方法對數據進行處理和成像。由圖7可知陣列識別出的發聲單元位置與實際安裝位置是一致的，相控陣列的測試結果真實可靠。

圖7 發聲單元識別結果

4.3 風洞背景噪聲測量

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

圖8 風洞背景噪聲頻譜曲線(V=80m/s)

4.4 全機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模型在著陸狀態下的噪聲源分布及噪聲的傳播特性。試驗風速分別為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[12]介紹的計算方法對陣列數據進行處理和成像。圖9給出了風速70m/s、模型著陸狀態下迎角0°時相控陣列在3150Hz頻率段(1/3倍頻程)的分析結果。在此頻率下時襟翼滑軌處出現明顯噪聲源，而且縫翼與機身交接處的缺口也開始出現噪聲，但強度相對較弱，此狀態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 論

根據氣動聲學試驗的特殊要求，結合現代聲學測量技術的特點，研制了1套高性能聲學測量系統。即插即用智能測試技術的應用簡化了大型測量系統構建的復雜度，提高了系統的靈活性和穩定性；軟件的合理設計實現了海量數據的實時流盤和分組管理，為后續數據處理分析提供了便利。通過性能測試和風洞驗證性試驗表明，該系統能夠可靠地完成聲學風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. 風洞聲學測量系統研制. 實驗流體力學, 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