本發(fā)明涉及一種高速列車模型在聲學(xué)風(fēng)洞內(nèi)的噪聲源定位方法。
背景技術(shù)：
在聲學(xué)風(fēng)洞內(nèi)，一般采取麥克風(fēng)陣列架來定位噪聲源。由于列車模型是細(xì)長(zhǎng)體，加上列車模型復(fù)雜，還有模擬地面的地板裝置對(duì)聲輻射產(chǎn)生反射和其他干擾。所以對(duì)高速列車噪聲源的定位帶來了新的困難和挑戰(zhàn)。
現(xiàn)有的高速列車氣動(dòng)噪聲源定位研究主要是通過數(shù)值計(jì)算和實(shí)車測(cè)量，數(shù)值計(jì)算在模擬湍流細(xì)節(jié)時(shí)其準(zhǔn)確性一直都需要以試驗(yàn)作為參考，而實(shí)車測(cè)量時(shí)列車是運(yùn)動(dòng)的，測(cè)量設(shè)備是固定的，因此存在一個(gè)多普勒效應(yīng)。在大型聲學(xué)風(fēng)洞內(nèi)，從高速列車氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生和傳播的原理出發(fā)，推導(dǎo)噪聲源定位的算法和實(shí)現(xiàn)手段，迫切需要系統(tǒng)化和正規(guī)化。而不是依賴經(jīng)驗(yàn)方法或單一頻率下的噪聲源標(biāo)定修正算法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種高速列車模型在聲學(xué)風(fēng)洞內(nèi)的噪聲源定位方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案：一種高速列車模型在聲學(xué)風(fēng)洞內(nèi)的噪聲源定位方法，將麥克風(fēng)陣列架布置在高速列車模型側(cè)面進(jìn)行吹風(fēng)試驗(yàn)；在試驗(yàn)中對(duì)所有傳聲器通道進(jìn)行同步采集，然后進(jìn)行如下數(shù)據(jù)處理：
步驟一、對(duì)傳聲器陣列形成的互譜矩陣中的每一個(gè)矩陣元素進(jìn)行快速傅里葉變換：
其中：mm’表示1～Mic任一麥克風(fēng)之間組合，K為傳聲器陣列數(shù)據(jù)分塊數(shù)，Mic表示陣列的傳聲器數(shù)目，Pm'k(f)表示第m'個(gè)傳聲器第k段數(shù)據(jù)塊的頻域信號(hào)，Ws為頻譜分析所選取的數(shù)據(jù)窗函數(shù)常數(shù)，上標(biāo)*號(hào)表示共軛，互譜矩陣下三角矩陣通過上三角對(duì)應(yīng)矩陣元素復(fù)共軛得到；
步驟二、計(jì)算對(duì)于聲學(xué)試驗(yàn)?zāi)Ｐ透浇鼟呙杵矫嫔系娜我粧呙椟c(diǎn)，陣列的指向向量：
式中，第m個(gè)傳聲器的指向向量為
其中：Am為第m個(gè)傳聲器的剪切層振幅修正因子，Rm表示聲波掃描點(diǎn)與傳聲器之間的傳播距離，Rc表示陣列中心點(diǎn)到掃描點(diǎn)之間距離，τm表示延遲時(shí)間，且
式中，表示聚焦位置到每m個(gè)傳聲器的距離，ω△tm,shear為第m個(gè)傳聲器在頻率為ω時(shí)剪切層影響的相位修正值；
步驟三、計(jì)算陣列對(duì)每一個(gè)掃描點(diǎn)的輸出功率譜如下：
式中，上標(biāo)T表示轉(zhuǎn)置，表示將陣列輸出功率譜轉(zhuǎn)化到單一傳聲器的量級(jí)，是G的歸一化，單個(gè)mic用p表示；
步驟四、計(jì)算任意需求掃描面內(nèi)的噪聲幅值，從而得到高速列車在聲學(xué)風(fēng)洞內(nèi)的噪聲源圖。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是：能在大型聲學(xué)風(fēng)洞內(nèi)，準(zhǔn)確快速定位高速列車模型的氣動(dòng)噪聲源位置，能準(zhǔn)確給出聲源傳播路徑，不依賴噪聲源標(biāo)定來修正風(fēng)漂移量。其結(jié)果比數(shù)值模擬更準(zhǔn)確、可信，比實(shí)車測(cè)量成本低、效率高，且不受鐵路地形和環(huán)境天氣等原因所限制。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明將麥克風(fēng)陣列架布置在高速列車模型側(cè)面，而不是模型下方。
模型安裝好后進(jìn)行吹風(fēng)試驗(yàn)。試驗(yàn)中，所有傳聲器通道進(jìn)行同步采集，采樣頻率102.4kHz，采樣時(shí)間30秒。
下面重點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)處理方法：
1.考慮地板反射的Beam-forming算法
對(duì)采集到的信號(hào)直接進(jìn)行處理，第一步的算法就是該測(cè)量的核心。第二步驟只是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，是穿插在第一步中完成的，直接應(yīng)用在公式2.5中。這種算法的原理就是通過一系列測(cè)量點(diǎn)的信號(hào)經(jīng)過互相關(guān)計(jì)算，反算模型區(qū)指定平面上各點(diǎn)的聲波幅值。從而找到聲源的位置。
首先采用傅里葉變換將傳聲器陣列中各個(gè)傳聲器的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域，并增加窗函數(shù)來減小“頻譜泄漏”。信號(hào)的互譜密度函數(shù)為：
對(duì)于由Mic個(gè)傳聲器組成的傳聲器陣列，可形成一個(gè)Mic×Mic的互譜矩陣，互譜矩陣中每一個(gè)矩陣元素可通過快速傅里葉(FFT)變換取得。將每一個(gè)通道的數(shù)據(jù)分塊，對(duì)每一塊進(jìn)行傅里葉變換得到頻域的噪聲信號(hào)，那么互譜矩陣計(jì)算如下：
其中
其中：mm’表示1～Mic任一麥克風(fēng)之間組合。
式中K為傳聲器陣列數(shù)據(jù)分塊數(shù)，Mic表示陣列的傳聲器數(shù)目，Pm'k(f)表示第m'個(gè)傳聲器第k段數(shù)據(jù)塊的頻域信號(hào)，Ws為頻譜分析所選取的數(shù)據(jù)窗函數(shù)常數(shù)。上標(biāo)*號(hào)表示共軛。互譜矩陣下三角矩陣通過上三角對(duì)應(yīng)矩陣元素復(fù)共軛得到。
對(duì)于聲學(xué)試驗(yàn)?zāi)Ｐ透浇鼟呙杵矫嫔系娜我粧呙椟c(diǎn)，陣列的指向向量為：
式中第m個(gè)傳聲器的指向向量為
其中Am為第m個(gè)傳聲器的剪切層振幅修正因子，Rm表示聲波掃描點(diǎn)與傳聲器之間的傳播距離，即Rm＝τmc0，Rc表示陣列中心點(diǎn)到掃描點(diǎn)之間距離，τm表示延遲時(shí)間。而
式中表示聚焦位置到每m個(gè)傳聲器的距離，ω△tm,shear為第m個(gè)傳聲器在頻率為ω時(shí)剪切層影響的相位修正值。
利用互譜矩陣和式(2.5)，陣列對(duì)每一個(gè)掃描點(diǎn)的輸出功率譜如下：
式中上標(biāo)T表示轉(zhuǎn)置，表示單位帶寬的聲壓的壓力均方值，除以傳聲器數(shù)量，表示將陣列輸出功率譜轉(zhuǎn)化到單一傳聲器的量級(jí)。實(shí)際應(yīng)用過程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳聲器傳感器等本身具有系統(tǒng)通道噪聲，它們與聲源噪聲不相關(guān)，因此為改進(jìn)陣列數(shù)據(jù)功率譜結(jié)果，可將通道噪聲扣除。扣除通道噪聲后的陣列輸出功率譜為：
其中：表示吹風(fēng)過程采集到的數(shù)據(jù)的互譜矩陣，扣初讀數(shù)時(shí)用區(qū)別于前文的Ge(扣后)，表示沒有吹風(fēng)時(shí)的初讀數(shù)，主要是用來扣除數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的系統(tǒng)噪聲。
在風(fēng)洞試驗(yàn)過程中，風(fēng)洞背景噪聲降低傳聲器陣列的信噪比，可通過扣除互譜矩陣對(duì)角線元素的方法來抑制風(fēng)洞背景噪聲的影響，改進(jìn)傳聲器陣列的動(dòng)態(tài)范圍。扣除對(duì)角線元素后陣列的輸出功率為:
其中：表示互譜矩陣對(duì)角線元素置0
式(2.8)和(2.9)都是針對(duì)窄帶信號(hào)求解的，對(duì)于寬頻信號(hào)，比如1/3倍頻程、倍頻程等，可采取對(duì)窄帶信號(hào)求和的方式求解。
2.開口風(fēng)洞的射流剪切層修正
該步驟是第一步中的一個(gè)公式的展開說明，通過還原聲波傳播路徑在剪切層處的折射影響，得到真實(shí)的路徑和真實(shí)的聲波幅值。使得測(cè)量結(jié)果真實(shí)可信。
在開口射流風(fēng)洞進(jìn)行氣動(dòng)聲學(xué)試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ臀挥谠囼?yàn)段射流內(nèi)部，傳聲器一般位于試驗(yàn)段射流外部，聲波通過風(fēng)洞剪切層時(shí)，剪切層對(duì)聲波產(chǎn)生折射效應(yīng)，折射效應(yīng)與聲波在剪切層的入射角和射流內(nèi)馬赫數(shù)有關(guān)。剪切層的折射效應(yīng)會(huì)改變聲波傳播方向和聲波聲壓大小。因此在射流外部采用傳聲器進(jìn)行氣動(dòng)聲學(xué)試驗(yàn)時(shí)，必須對(duì)剪切層效應(yīng)進(jìn)行修正。
根據(jù)Amiet理論，假設(shè)風(fēng)洞剪切層為無限薄的剪切層，并且假設(shè)射流內(nèi)外空氣是均勻的。設(shè)Rm為聲源到傳聲器之間距離，Rt聲源到剪切層距離，Θm為聲源到傳聲器位置向量的角度，Θ為流場(chǎng)中的聲波傳播角度，Θo為剪切層折射點(diǎn)到傳聲器位置向量的角度。
根據(jù)位置幾何關(guān)系，可得到：
RmcosΘm＝RtcotΘ+(RmsinΘm-Rt)cotΘ0 (2.10)
根據(jù)流場(chǎng)對(duì)聲波傳播的對(duì)流影響關(guān)系有：
其中Θ'為無風(fēng)環(huán)境中聲波的輻射角，M為開口射流馬赫數(shù)。
根據(jù)斯列爾(Snell)折射定律，剪切層內(nèi)外聲場(chǎng)在剪切層面上的相速度相等，可得到：
其中Utr表示沿剪切層傳播的相速度，它包含流動(dòng)速度和射流中聲速ct的影響，ct表示射流內(nèi)部聲速，c0表示射流外部聲速。無量綱化得到：
方程組(2.10)～(2.13)是非線性方程組，可采用迭代法求解。由此可求得聲波的傳播路徑，也即
振幅修正公式如下：
式中：
上式振幅修正包括了球面波傳播擴(kuò)張效應(yīng)，剪切層折射擴(kuò)張效應(yīng)以及多普勒對(duì)流放大效應(yīng)。
通過上述2步處理方法，就可得到任意需求掃描面內(nèi)的噪聲幅值，顏色代表大小。這也就是高速列車在聲學(xué)風(fēng)洞內(nèi)的噪聲源圖。
通過實(shí)施本發(fā)明方法得到了某型動(dòng)車組整車構(gòu)型(升弓)在風(fēng)速250km/h時(shí)的噪聲源圖：在1kHz頻率下，頭車轉(zhuǎn)向架為主要噪聲源，且量值很大，最大達(dá)到92dB以上；在2kHz頻率下，受電弓和頭車轉(zhuǎn)向架都是主要噪聲源，受電弓略大于頭車轉(zhuǎn)向架，最大值約為87dB左右；到3kHz和4kHz頻率下，受電弓噪聲已遠(yuǎn)大于頭車轉(zhuǎn)向架噪聲，成為主要噪聲源，且隨著頻率增加，聲壓級(jí)值明顯下降。測(cè)量結(jié)果符合理論預(yù)測(cè)和實(shí)車測(cè)量結(jié)果。