一種聲源幅值參數(shù)標(biāo)定方法?

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所 西安 710065）

1 引言

飛機(jī)的主要噪聲源是航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，航空發(fā)動(dòng)機(jī)既是飛機(jī)的動(dòng)力源，也是飛機(jī)巨大噪聲的產(chǎn)生源，飛機(jī)噪聲問(wèn)題是20世紀(jì)50～60年代噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始投入使用的時(shí)候才真正引起人們的關(guān)注［1］。2002年中國(guó)民航總局參考國(guó)外的相應(yīng)規(guī)范，頒布了《航空器型號(hào)和適航合格審定噪聲規(guī)定》（CCAR-36），明確了各類飛機(jī)的適航噪聲標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)的測(cè)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(duì)適航噪聲提出了更加嚴(yán)格的要求。根據(jù)CCAR-36-R1的規(guī)定，新研制飛機(jī)必須根據(jù)適航噪聲驗(yàn)證試驗(yàn)的程序規(guī)范，驗(yàn)證該型飛機(jī)噪聲一定要滿足適航噪聲第四階段的標(biāo)準(zhǔn)要求，從而頒發(fā)噪聲適航許可證［2～4］。

由于真實(shí)環(huán)境下的噪聲試驗(yàn)成本高、系統(tǒng)復(fù)雜且無(wú)法進(jìn)行大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室通過(guò)研究模擬噪聲源來(lái)進(jìn)行相關(guān)聲學(xué)試驗(yàn)［5～12］。揚(yáng)聲器作為噪聲試驗(yàn)中最常用的聲源模擬設(shè)備，是噪聲試驗(yàn)的輸入，其發(fā)聲精度直接影響整個(gè)試驗(yàn)結(jié)果精度，因此研究揚(yáng)聲器試驗(yàn)參數(shù)的標(biāo)定具有重要意義。

本文根據(jù)相關(guān)定義及理論，對(duì)揚(yáng)聲器的幅值參數(shù)與試驗(yàn)要求聲壓級(jí)之間的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行分析，提出了一種基于二分法思想的程序算法，可對(duì)參數(shù)標(biāo)定過(guò)程進(jìn)行程序化控制，確保了揚(yáng)聲器幅值參數(shù)的標(biāo)定效率和精度要求。

2 標(biāo)定系統(tǒng)組成

參數(shù)標(biāo)定系統(tǒng)由波形發(fā)生及采集系統(tǒng)、功率放大器、揚(yáng)聲器、適調(diào)放大器和傳聲器組成。波形發(fā)生及采集系統(tǒng)根據(jù)配置的聲源參數(shù)由發(fā)生系統(tǒng)輸出正弦信號(hào)經(jīng)功率放大器放大信號(hào)激勵(lì)揚(yáng)聲器發(fā)聲，傳聲器在指定位置采集聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)適調(diào)放大器放大信號(hào)傳回系統(tǒng)采集時(shí)域數(shù)據(jù)，可通過(guò)FFT分析得到實(shí)際聲壓級(jí)。標(biāo)定系統(tǒng)工作原理圖見(jiàn)圖1。

圖1 標(biāo)定系統(tǒng)工作原理

聲源幅值標(biāo)定工作就是通過(guò)試驗(yàn)獲得采集端達(dá)到特定聲壓級(jí)SPLin時(shí)發(fā)生端所需的電壓幅值vout。根據(jù)標(biāo)定原理，二者存在如下函數(shù)關(guān)系：

3 理論公式

聲壓級(jí)計(jì)算公式為

式中p為聲壓；p0=2×10-5Pa，為基準(zhǔn)聲壓。

聲壓p計(jì)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(jì)算公式為

式中，vArms為采集系統(tǒng)測(cè)得的有效電壓（mV）；vA為采集系統(tǒng)測(cè)得的正弦電壓信號(hào)幅值（mV），β為適調(diào)放大器放大倍率。

根據(jù)式（2）、（3）、（4）可得

4 標(biāo)定程序關(guān)鍵過(guò)程

在標(biāo)定系統(tǒng)正常工作時(shí)，函數(shù)SPLin=f(vout)在vout∈［0，vmax］（vmax為最大許可電壓幅值參數(shù)）上嚴(yán)格單調(diào)遞增，函數(shù)的值域?yàn)椋踗(0)，f(vmax)］，根據(jù)嚴(yán)格單調(diào)函數(shù)及連續(xù)函數(shù)的性質(zhì)，對(duì)于某一標(biāo)定目標(biāo)聲壓級(jí)SPL∈[f(0)，f(vmax)]有且僅有一點(diǎn)vδ，使得

因此，可按以下程序步驟，標(biāo)定得到揚(yáng)聲器的試驗(yàn)幅值參數(shù)。

1）變量初始化（以參數(shù)120，1，0.001，0，vmax為例）

SPL=120；//目標(biāo)聲壓級(jí)

range=1；//幅度

etar=0.001；//設(shè)定標(biāo)定誤差

vlow=0；//目標(biāo)參數(shù)所在區(qū)間起點(diǎn)

vhigh=vmax；//目標(biāo)參數(shù)所在區(qū)間終點(diǎn)temp=0；//測(cè)量計(jì)算所得聲壓級(jí)

2）使用幅值參數(shù)v0發(fā)聲并采集

3）計(jì)算聲壓級(jí)結(jié)果賦值temp后計(jì)算誤差

4）條件語(yǔ)句

5）循環(huán)2）～4）步直至滿足條件e<=etar。

5 標(biāo)定試驗(yàn)驗(yàn)證

在某聲襯聲阻抗提取試驗(yàn)中，要求測(cè)試不同流速（0Ma、0.1Ma、0.2Ma、0.3Ma、0.4Ma、0.5Ma、0.6Ma）、不同聲壓級(jí)（120dB、130dB、140dB）下的掃頻（100Hz，200Hz，300Hz……，6000Hz）試驗(yàn)數(shù)據(jù)，聲源幅值參數(shù)標(biāo)定高達(dá)1260個(gè)，聲源標(biāo)定是該試驗(yàn)的重要基礎(chǔ)工作。

標(biāo)定試驗(yàn)所用設(shè)備如表1所示，以某工況0.3Ma、120dB的標(biāo)定為例，按上一小節(jié)所述方法程序進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)驗(yàn)證，初始化參數(shù)設(shè)定為SPL=120，range=1，etar=0.001，vmax=0.4，揚(yáng)聲器試驗(yàn)參數(shù)標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)表1，對(duì)應(yīng)聲壓級(jí)結(jié)果如圖2～圖10所示。

表1 聲壓級(jí)標(biāo)定設(shè)備清單

表2 揚(yáng)聲器試驗(yàn)參數(shù)標(biāo)定結(jié)果

頻率（Hz）初始參數(shù)（V）循環(huán)次數(shù)結(jié)果參數(shù)（V）聲壓級(jí)（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(jí)

圖3 第1次循環(huán)后聲壓級(jí)

圖4 第2次循環(huán)后聲壓級(jí)

圖5 第3次循環(huán)后聲壓級(jí)

圖6 第4次循環(huán)后聲壓級(jí)

圖7 第5次循環(huán)后聲壓級(jí)

圖8 第6次循環(huán)后聲壓級(jí)

圖9 第7次循環(huán)后聲壓級(jí)

圖10 第8次循環(huán)后聲壓級(jí)

標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果表明，程序能夠完成揚(yáng)聲器試驗(yàn)參數(shù)的標(biāo)定工作，本例在循環(huán)8次后全部標(biāo)定出了滿足精度為1‰的試驗(yàn)參數(shù)，說(shuō)明該程序標(biāo)定效率較高，能夠作為軟件算法集成到測(cè)控軟件中，將此類試驗(yàn)參數(shù)的標(biāo)定進(jìn)行自動(dòng)化。

6 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)相關(guān)定義及理論推導(dǎo)分析，提出了一種基于二分法思想的程序算法，可對(duì)揚(yáng)聲器試驗(yàn)參數(shù)的標(biāo)定過(guò)程進(jìn)行程序化控制。標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該算法的正確性，該方法能夠標(biāo)定揚(yáng)聲器試驗(yàn)參數(shù)，并能達(dá)到標(biāo)定精度要求，可以用作參數(shù)標(biāo)定自動(dòng)化算法，提高試驗(yàn)效率。