一种面向闭口风洞的防风透声整流罩及其声学测量方法

本发明属于风洞声学测试，具体为一种面向闭口风洞的防风透声整流罩及其声学测量方法。

背景技术：

1、随着低空经济兴起，以电动垂直起降飞行器（evtol）为代表的现代低空飞行器加速融入城市交通、物流配送、应急救援等场景，其噪声主要来源于由多个旋翼组成的分布式动力系统，在人口稠密区低空运行、尤其起降阶段贴近居民区时，已成为制约其规模化运营的关键瓶颈，开展低空飞行器气动噪声控制与优化研究具有重要意义。

2、风洞试验是开展上述研究的重要手段，大型闭口式气动声学风洞则是研究飞行器气动噪声特性的关键基础设施。然而，现有闭口风洞声学测量技术方案仍存在以下亟待解决的技术缺陷：

3、1、传声器阵列等声学传感器直接暴露于高速气流中时，易受流场扰动而产生测量伪迹，声学织物或透声结构的流致振动亦会引入附加噪声，导致测量信噪比下降、声源识别精度受限。

4、2、闭口风洞刚性壁面的反射效应显著影响声场测量精度，现有方案对边界层折射、透声结构阻抗变化及壁面反射等复杂效应的修正能力不足，难以实现旋翼声源的高精度识别与定位。

5、3、现有技术方案均对风洞设施进行较大程度的结构性改造或专门建设，成本高、周期长，且难以在不同闭口风洞之间移植复用，普适性受限。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种可在闭口风洞中使用且声场测量精度高的面向闭口风洞的防风透声整流罩及其声学测量方法。

2、本发明提供的这种面向闭口风洞的防风透声整流罩，包括沿来流方向依次设置且相互可拆卸连接的上游整流部件、中部透声壳体和下游整流部件；中部透声壳体的上表面为平面，上表面设置有复合透声结构，所述复合透声结构包括穿孔板和覆盖于穿孔板外表面的凯夫拉布，穿孔板作为刚性骨架支撑并约束凯夫拉布；中部透声壳体的内部设置有吸声尖劈和传声器阵列，吸声尖劈减小中部透声壳体内部的声反射和背景噪声，传声器阵列采集穿过复合透声结构的声波信号。

3、上述整流罩的一种实施方式中，所述上游整流部件和所述下游整流部件均具有光滑曲线型面，且二者与所述中部透声壳体之间相切过渡衔接，以减小气流沿整流罩表面流动时的阻力。

4、上述整流罩的一种实施方式中，所述上游整流部件和所述下游整流部件的光滑曲线型面由如下五次多项式型线方程确定：

5、

6、式中，l为上游整流部件或下游整流部件沿来流方向的长度，y为垂直于来流方向的型面高度，x为沿来流方向的坐标。

7、上述整流罩的一种实施方式中，所述穿孔板的穿孔方向倾斜布置，位于穿孔板中心处的穿孔的倾角为零，由中心向外穿孔的倾角逐渐增大。

8、上述整流罩的一种实施方式中，所述穿孔板的穿孔率、孔径和板厚满足使亥姆霍兹共振频率高于目标测量频带的条件。

9、上述整流罩的一种实施方式中，所述传声器阵列的布置范围与所述穿孔板上的穿孔的分布范围保持一致。

10、上述整流罩的一种实施方式中，还包括小型喷管部件，小型喷管部件用于替换所述上游整流部件；所述小型喷管部件包括依次设置的圆形风机、喷管和等直段，喷管的入口与风机匹配对接，喷管的出口为扁平矩形，其矩形宽度小于入口直径的两倍，等直段设置于喷管的下游，等直段内布置有倾斜的三棱柱群。

11、一种基于上述整流罩的声学测量方法，包括以下步骤：

12、s1、在消声室中，将已知声源和传声器阵列布置于预定位置，测量从声源到传声器的声压信号，基于自由空间格林函数采用波束成形方法，得到声源所在平面的第一定位结果b1；

13、s2、将所述上游整流部件替换为小型喷管部件，以在复合透声结构上方构造具有不同来流速度的边界层流动，测量从声源到传声器的声压信号；

14、s3、将复合透声结构视为无限薄的阻抗界面并给定初始阻抗值，采用基于线化欧拉方程的声散射预测方法，得到同时考虑风洞出口边界层对声波的折射效应和复合透声结构透声效应的数值格林函数；

15、s4、基于数值格林函数采用波束成形方法，得到不同来流速度下声源所在平面的第二定位结果b2，以第一定位结果b1与第二定位结果b2之间的相对l2范数差异为目标函数，采用遗传算法对阻抗分布进行循环优化，得到目标阻抗分布，目标函数为：

16、min ||b1-b2||/|| b1||

17、s5、采用镜像声源方法在数值格林函数中计入实际闭口风洞的壁面反射效应，得到修正后的数值格林函数，基于所述修正后的数值格林函数实现声源的高精度识别与定位。

18、步骤s3中，将计算域沿高度方向自上而下依次划分为静止空气区、风洞边界层区和静止空气区，其中风洞边界层的速度分布由实验或数值计算获得；在相邻区域的交界面处采用ingard–meyer边界条件处理剪切层或边界层的影响，并采用透射边界条件处理声波在复合透声结构处的传播；通过求解如下频域线化欧拉方程获得传声器位置处的声压，作为所述数值格林函数：

19、

20、

21、

22、式中，表示密度；表示速度即实验或者数值获得的速度分布；表示压力；，表示比热比；为密度扰动量，满足；为速度扰动矢量，满足；为压力扰动量，满足；为角频率； 为虚数单位，满足；为连续性方程中的质量源项，用于描述质量或密度扰动；为动量方程中的动量源项矢量，用于描述动量扰动；为压力方程中的压力源项，用于描述压力扰动。

23、步骤s5中，基于线化欧拉方程求得在风洞气流和穿孔板阻抗条件下的传递矩阵，分别获得真实声源以及镜像声源、、的分量，将真实声源与镜像声源的分量叠加后作为修正后的数值格林函数，即。

24、本发明的有益效果如下：

25、1、本发明通过将整流罩设计为流线型低阻气动外形并相切过渡，减小气流沿表面流动的阻力与扰动；中部采用凯夫拉布与穿孔板复合透声结构，穿孔板作为刚性骨架抑制凯夫拉布流致振动附加噪声，同时保证目标噪声的低损透射；穿孔板倾斜角度由中心向外逐渐增大，实现对目标声源的空间滤波与信号增强、抑制旁侧干扰噪声传入，从而有效隔绝外部高速气流对内部声场的扰动，显著提升闭口风洞内声学测量的信噪比与测量精度；

26、2、采用置于闭口风洞内部的便携式、可拆卸整流罩装置，分上游、中部、下游三部分设计，安装、组合与拆卸方便，无需对风洞壁面进行铺设吸声材料、重构壁面轮廓或开孔等直接声学改造，可在不同闭口风洞间移植复用，从而在保证测量功能的同时显著降低改造成本与建设周期，普适性强；

27、3、通过将整流罩上游部件替换为小型喷管以构造边界层流动，基于线化欧拉方程进行声散射预测，并采用遗传算法反演透声结构在有气流条件下的阻抗分布，同时耦合镜像声源法修正闭口风洞壁面反射效应，获得与实际风洞环境匹配的数值格林函数，从而准确表征边界层折射、透声结构阻抗变化与壁面反射等复杂效应，实现复杂环境下旋翼声源的高精度识别与定位。

1.一种面向闭口风洞的防风透声整流罩，其特征在于：包括沿来流方向依次设置且相互可拆卸连接的上游整流部件、中部透声壳体和下游整流部件；

2.如权利要求1所述的面向闭口风洞的防风透声整流罩，其特征在于：所述上游整流部件和所述下游整流部件均具有光滑曲线型面，且二者与所述中部透声壳体之间相切过渡衔接，以减小气流沿整流罩表面流动时的阻力。

3.如权利要求2所述的面向闭口风洞的防风透声整流罩，其特征在于：所述上游整流部件和所述下游整流部件的光滑曲线型面由如下五次多项式型线方程确定：

4.如权利要求1所述的面向闭口风洞的防风透声整流罩，其特征在于：所述穿孔板的穿孔方向倾斜布置，位于穿孔板中心处的穿孔的倾角为零，由中心向外穿孔的倾角逐渐增大。

5.如权利要求1所述的面向闭口风洞的防风透声整流罩，其特征在于：所述穿孔板的穿孔率、孔径和板厚满足使亥姆霍兹共振频率高于目标测量频带的条件。

6.如权利要求1所述的面向闭口风洞的防风透声整流罩，其特征在于：所述传声器阵列的布置范围与所述穿孔板上的穿孔的分布范围保持一致。

7.如权利要求1所述的面向闭口风洞的防风透声整流罩，其特征在于：还包括小型喷管部件，小型喷管部件用于替换所述上游整流部件；所述小型喷管部件包括依次设置的圆形风机、喷管和等直段，喷管的入口与风机匹配对接，喷管的出口为扁平矩形，其矩形宽度小于入口直径的两倍，等直段设置于喷管的下游，等直段内布置有倾斜的三棱柱群。

8.一种基于权利要求1～7之一项所述的面向闭口风洞的防风透声整流罩的声学测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.如权利要求8所述的声学测量方法，其特征在于，步骤s3中，将计算域沿高度方向自上而下依次划分为静止空气区、风洞边界层区和静止空气区，其中风洞边界层的速度分布由实验或数值计算获得；在相邻区域的交界面处采用ingard–meyer边界条件处理剪切层或边界层的影响，并采用透射边界条件处理声波在复合透声结构处的传播；通过求解如下频域线化欧拉方程获得传声器位置处的声压，作为所述数值格林函数：

10.如权利要求8所述的声学测量方法，其特征在于，步骤s5中，基于线化欧拉方程求得在风洞气流和穿孔板阻抗条件下的传递矩阵，分别获得真实声源以及镜像声源、、的分量，将真实声源与镜像声源的分量叠加后作为修正后的数值格林函数，即。