一種聲源幅值參數標定方法?

（中國飛機強度研究所 西安 710065）

1 引言

飛機的主要噪聲源是航空發動機噪聲，航空發動機既是飛機的動力源，也是飛機巨大噪聲的產生源，飛機噪聲問題是20世紀50～60年代噴氣式發動機開始投入使用的時候才真正引起人們的關注［1］。2002年中國民航總局參考國外的相應規范，頒布了《航空器型號和適航合格審定噪聲規定》（CCAR-36），明確了各類飛機的適航噪聲標準以及相關的測試方法和步驟，2007年4月15日頒布了第一次的修訂版（CCAR-36-R1），對適航噪聲提出了更加嚴格的要求。根據CCAR-36-R1的規定，新研制飛機必須根據適航噪聲驗證試驗的程序規范，驗證該型飛機噪聲一定要滿足適航噪聲第四階段的標準要求，從而頒發噪聲適航許可證［2～4］。

由于真實環境下的噪聲試驗成本高、系統復雜且無法進行大量重復實驗，實驗室通過研究模擬噪聲源來進行相關聲學試驗［5～12］。揚聲器作為噪聲試驗中最常用的聲源模擬設備，是噪聲試驗的輸入，其發聲精度直接影響整個試驗結果精度，因此研究揚聲器試驗參數的標定具有重要意義。

本文根據相關定義及理論，對揚聲器的幅值參數與試驗要求聲壓級之間的函數關系進行分析，提出了一種基于二分法思想的程序算法，可對參數標定過程進行程序化控制，確保了揚聲器幅值參數的標定效率和精度要求。

2 標定系統組成

參數標定系統由波形發生及采集系統、功率放大器、揚聲器、適調放大器和傳聲器組成。波形發生及采集系統根據配置的聲源參數由發生系統輸出正弦信號經功率放大器放大信號激勵揚聲器發聲，傳聲器在指定位置采集聲波信號經過適調放大器放大信號傳回系統采集時域數據，可通過FFT分析得到實際聲壓級。標定系統工作原理圖見圖1。

圖1 標定系統工作原理

聲源幅值標定工作就是通過試驗獲得采集端達到特定聲壓級SPLin時發生端所需的電壓幅值vout。根據標定原理，二者存在如下函數關系：

3 理論公式

聲壓級計算公式為

式中p為聲壓；p0=2×10-5Pa，為基準聲壓。

聲壓p計算公式為

式中，vrms為傳聲器反饋的有效電壓值（mV）；k為傳聲器靈敏度（mV/Pa）。

有效電壓計算公式為

式中，vArms為采集系統測得的有效電壓（mV）；vA為采集系統測得的正弦電壓信號幅值（mV），β為適調放大器放大倍率。

根據式（2）、（3）、（4）可得

4 標定程序關鍵過程

在標定系統正常工作時，函數SPLin=f(vout)在vout∈［0，vmax］（vmax為最大許可電壓幅值參數）上嚴格單調遞增，函數的值域為［f(0)，f(vmax)］，根據嚴格單調函數及連續函數的性質，對于某一標定目標聲壓級SPL∈[f(0)，f(vmax)]有且僅有一點vδ，使得

因此，可按以下程序步驟，標定得到揚聲器的試驗幅值參數。

1）變量初始化（以參數120，1，0.001，0，vmax為例）

SPL=120；//目標聲壓級

range=1；//幅度

etar=0.001；//設定標定誤差

vlow=0；//目標參數所在區間起點

vhigh=vmax；//目標參數所在區間終點temp=0；//測量計算所得聲壓級

2）使用幅值參數v0發聲并采集

3）計算聲壓級結果賦值temp后計算誤差

4）條件語句

5）循環2）～4）步直至滿足條件e<=etar。

5 標定試驗驗證

在某聲襯聲阻抗提取試驗中，要求測試不同流速（0Ma、0.1Ma、0.2Ma、0.3Ma、0.4Ma、0.5Ma、0.6Ma）、不同聲壓級（120dB、130dB、140dB）下的掃頻（100Hz，200Hz，300Hz……，6000Hz）試驗數據，聲源幅值參數標定高達1260個，聲源標定是該試驗的重要基礎工作。

標定試驗所用設備如表1所示，以某工況0.3Ma、120dB的標定為例，按上一小節所述方法程序進行標定試驗驗證，初始化參數設定為SPL=120，range=1，etar=0.001，vmax=0.4，揚聲器試驗參數標定結果見表1，對應聲壓級結果如圖2～圖10所示。

表1 聲壓級標定設備清單

表2 揚聲器試驗參數標定結果

頻率（Hz）初始參數（V）循環次數結果參數（V）聲壓級（dB）誤差（‰）3400 3500 3600 3700 3800 3900 4000 4100 4200 4300 4400 4500 4600 4700 4800 4900 5000 5100 5200 5300 5400 5500 5600 5700 5800 5900 6000 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 7 6 7 8 6 6 7 7 5 6 5 7 4 3 4 6 3 3 3 6 3 6 6 3 5 5 4 0.00898438 0.0164063 0.0335938 0.0253906 0.0515625 0.0390625 0.0445313 0.0953125 0.078125 0.103125 0.078125 0.0335938 0.06875 0.0875 0.08125 0.090625 0.125 0.175 0.125 0.103125 0.125 0.140625 0.121875 0.125 0.15625 0.25625 0.3125 120.00 119.89 120.06 120.01 120.12 120.08 120.00 120.00 120.00 119.94 119.95 120.01 120.00 120.00 120.02 119.94 120.09 120.03 119.93 120.09 120.00 120.02 120.10 119.89 119.96 119.92 120.03 0.02 0.88 0.49 0.07 0.98 0.65 0.03 0.04 0.03 0.47 0.38 0.09 0.01 0.00 0.15 0.48 0.76 0.26 0.59 0.71 0.04 0.18 0.85 0.95 0.37 0.70 0.25

圖2 初始聲壓級

圖3 第1次循環后聲壓級

圖4 第2次循環后聲壓級

圖5 第3次循環后聲壓級

圖6 第4次循環后聲壓級

圖7 第5次循環后聲壓級

圖8 第6次循環后聲壓級

圖9 第7次循環后聲壓級

圖10 第8次循環后聲壓級

標定試驗結果表明，程序能夠完成揚聲器試驗參數的標定工作，本例在循環8次后全部標定出了滿足精度為1‰的試驗參數，說明該程序標定效率較高，能夠作為軟件算法集成到測控軟件中，將此類試驗參數的標定進行自動化。

6 結語

本文根據相關定義及理論推導分析，提出了一種基于二分法思想的程序算法，可對揚聲器試驗參數的標定過程進行程序化控制。標定試驗結果驗證了該算法的正確性，該方法能夠標定揚聲器試驗參數，并能達到標定精度要求，可以用作參數標定自動化算法，提高試驗效率。