图 1 平面传声器阵列测量飞机过顶噪声原理图 Fig1 1 Principle of aircraft noise measurement with planar microphone array
时域“延迟与求和”波束成型算法是目前普遍采用的传声器阵列信号处理算法[16 ],聚焦的声源点在发声时间 tf的声压 p(tf )计算式为
M
pm (tf +tp m) wm
∑ rm
m= 1
p(tf )= Mrref =
rm
wm
∑ rref
m= 1 M
1 rm
pm (tf +tp m)wm (1)
G ∑ rref
m= 1
式中 :pm (tf+ tp m)为接受时间 tf+ tp m时刻计算的第 m个传声器的信号 ,对于运动声源 ,传播时间 tp m是发射时间 tf的函数 ;因子 rref / rm考虑在发射时刻参考声辐射距离 rref与实际的声辐射距离 rm的比值 ,其作用是把传声器信号都换算到参考距离 ;w m为加权因子 ,其作用是降低传声器阵列输出信号的空间混淆 ,增大波束主瓣与旁瓣的差值 ,从而提高传声器阵列的动态范围 ,针对阵列中每个传声器的加权因子 ,是经过对传声器阵列计算机模拟之后确定出来的 [16 ]。
传声器阵列测量的关键是其计算结果的空间分辨率 ,即阵列输出结果分辨空间相邻声源点的能力 ,也就是式 (1)输出结果不受其他位置声源影响的能力。当阵列聚焦点位于声源位置时传声器阵列输出函数达到最大值 ,声压级 (SPL)随聚焦点与声源的距离的函数关系就是传声器阵列的 “波束模式” ,波束宽度正比于波长与声源到传声器阵列距离的乘积 ,图 2 (a)是理想的传声器阵列性能。但是 ,由于阵列总是由有限个传声器构成 ,阵列的空间几何范围也有限 ,因此其对时空连续的声场的空间离散总会带来时空混淆 ,聚焦点的声压级并不是随着聚焦点与声源的距离增大而单调减小 ,而是将会产生二次峰值 ,通常称之为“旁瓣”或混淆 ,图 2(b)是实际的传声器阵列性能。
当用传声器阵列分辨空间分布的多声源时 ,传声器阵列的空间混淆就会产生虚假的声源。为了获得足够的声源空间识别精度 ,传统的方法是以波束成型后主瓣与旁瓣的差作为目标函数 ,测量信号的频率范围作为约束条件 ,在保证目标函数在约束范围内最大的条件下 ,利用随机优化的方法设计传声器阵列中每个传声器位置 ,以获得最佳的传声器性能 [ 16 ]。但是 ,声场是随时间和空间连续变化的连续信号 ,传声器阵列总是用有限个传声器离散无限变化的连续场 ,即使采用优化的传声器空间布局 ,空间混淆总是难免 [ 16222 ]。
本文对传声器阵列的数据处理方法和软件进行了改进和完善 ,发展了一种“洁净信号处理算法” ,目的是要尽量减少输出信号的空间混淆 ,从而提高对飞机噪声源的分辨率。“洁净信号处理算法”实际上就是对原有信号处理算法结果的二次处理 ,如图 3所示 ,当用波束成型算法完成噪声源的第 1次辨识之后 (图 3中虚线所确示的声源分布曲线 ),根据飞机表面各主要声源处最大声辐射 (图 3中 -5m和 5m两个位置为声源位置 ),应用点源假设 ,用计算机模拟传声器阵列对该声源的响应 ,得到传声器阵列对该声源相应的混淆旁瓣 ,之后 ,从第 1次计算的声源分布结果中减去计算机模拟的混淆旁瓣信号 ,就可以获得对空间分辨更加清晰的噪声源分布 (图 3中实线所示的声源分布曲线 )。
21 2 交错重叠 FFT算法
声学研究感兴趣的是声压信号的功率谱函数 ,而非时间历程。需要对传声器阵列波束成型得到的噪声时间历程进行等间隔的离散傅里叶变
图 3 洁净信号处理算法 Fig13 Clean Algorithm for microphone array 换
,获得噪声的频谱函数。在总的采样样本 N1
源点的噪声功率谱就可由 L次结果的平均值得到 ,即
L
L 1 ∑
W(f s ) = Wl(f s )(2)l= 1
为了增加声功率数据的稳定性 ,采用了交错重叠 FFT计算方法 ,就是在总的采样样本 N1个点内截取 N个采样点时 ,每一次截取的采样点可以有部分重叠 ,这样有部分重叠的连续截取采样点 ,就可以在总采样点 N1次内 ,采样远大于 L =
N1 /N个采样样本 ,进行远大于 L个的 FFT。
3 基于新算法的飞机机体噪声实验分析
以某型单通道支线客机为对象 ,基于传声器阵列测量结果[16 ,21] ,把平面传声器阵列的波束方向聚焦在飞机机体主要噪声源位置 ,采用改进了的传声器阵列数据处理新方法 ,对飞机机体噪声进行了计算 ,详细地分析了飞机机体主要噪声源 —
—起落架和襟翼的噪声频谱和方向特征。
飞机的飞行航迹采用了 GPS系统进行跟踪测量 ,传声器阵列位于飞机进场着陆飞行航迹下方、跑道起始位置外侧 90 m处。在实验测量中 ,飞机进场着陆过程中飞行高度是位于传声器阵列 35 m高空处 ,以 72 m/s的速度、按照 3°的下滑角度向跑道方向飞行。声压级的大小与声源到传声器之间的距离有关 ,在本文中 ,所有的测量结果均用参考距离规范化处理。
31 1 机体噪声源分布
图 4是应用 111个传声器组成阵列测量得到的某型客机机体表面噪声分布[16,21] ,飞机表面不同位置处声源的总声压级以不同灰度的颜色表示在该图中 ,最深色位置为最大声级位置。该图所示飞机位置相对传声器阵列中心位置在 90°的方向处 ,即飞机正好在测量位置的正上方。所有的噪声数据是用 100 m的参考距离进行了规格化。
如图 4所示 ,该飞机是一种典型的支线客机 ,两台喷气发动机安装在飞机的后机身。由图 4可看出 ,在飞机机翼外侧部有一个非常强的噪声源 ,这个声源在图 4所示的襟翼外侧缘噪声源之外 ,经进一步分析 ,发现这是一个很强的单音噪声源 ,频率是 490 Hz[16]。由图 4新老两种数据处理算 法结果的比较 ,可以看出 ,由于传声器阵列混淆的存在 ,原来的数据处理算法对机体表面噪声的分离很不清晰 ,两个主起落架的噪声源、叶尖强单音噪声源与襟翼外测缘噪声源、主起落架噪声源与发动机进口噪声源等不能很明确地分离开来。当采用了改进的洁净信号处理算法后 ,明显地改善了对飞机机体表面噪声源的识别和分离 ,如图 4
中国航空网 www.aero.cn
航空翻译 www.aviation.cn
本文链接地址：航空学报08大飞机专刊(85)
