一种空腔模态噪声驻波分解方法

摘要

本发明公开了一种空腔模态噪声驻波分解方法，包括如下步骤：步骤一、利用空腔底面的不同测点的脉动压力数据的频谱特征对模态噪声进行分解，获得不同模态噪声幅值的空间分布；步骤二、利用空腔底面模态噪声幅值的空间分布确定模态驻波的形式。与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明针对空腔内壁面的脉动压力数据，提出了一种新的模态噪声驻波分析方法，本发明方法利用空腔壁面测点处的声压频谱提取出不同模态噪声在腔内的空间分布，并通过驻波理论分析模态噪声的驻波分布规律。

权利要求

1.一种空腔模态噪声驻波分解方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、利用空腔底面的不同测点的脉动压力数据的频谱特征对模态噪声进行分解，获得不同模态噪声幅值的空间分布；

步骤二、利用空腔底面模态噪声幅值的空间分布确定模态驻波的形式：(1)利用空腔底面模态噪声幅值的空间分布，绘制出各阶模态噪声幅值的变化曲线；

(2)根据模态噪声幅值的变化曲线，构造模态噪声的分布函数：y＝(aX+b)·cos(cX+d)+eX+f，其中y代表模态噪声的幅值变化，单位为dB，X代表空间的变化,a、b、c、d、e和f为待求参数；

(3)通过Matlab软件内置的拟合工具，利用分布函数对模态噪声幅值的空间分布进行拟合,从而确定分布函数中各待求参数，以及各阶模态噪声在腔内的分布形式。

2.根据权利要求1所述的一种空腔模态噪声驻波分解方法，其特征在于：步骤一所述对模态噪声进行分解的方法为：(1)利用傅里叶变换将空腔底面的不同测点的时域脉动压力数据转换为频域的声压频谱，并绘制成频谱曲线；

(2)从频谱曲线中提取不同模态噪声的频率和幅值；

(3)结合脉动压力测点的位置，获取不同模态噪声幅值的空间分布。

3.根据权利要求2所述的一种空腔模态噪声驻波分解方法，其特征在于：从频谱曲线中提取不同模态噪声的频率和幅值的方法是利用频谱曲线的峰值特征进行提取。

4.根据权利要求1所述的一种空腔模态噪声驻波分解方法，其特征在于：所述X＝x/L，使用无量纲化长度，其中L为空腔长度,x为实际位置，单位均为mm。

说明书

一种空腔模态噪声驻波分解方法

技术领域

[0001] 本发明涉及实验流体力学领域，具体涉及一种空腔模态噪声驻波分解方法，通过对空腔驻波的形成与传播物理过程的分解实现对空腔内模态噪声分布规律和辐射特征进行分析。

背景技术

[0002] 高速气流经过空腔时，因流动分离在腔上方形成剪切层，剪切层中存在多尺度旋涡的生成与运动，与空腔后缘撞击产生高强度的噪声，不仅会引起空腔结构的振动，带来结构疲劳破坏，进而影响结构的使用寿命和安全，而且还会影响飞行器内设备的正常运行，另外噪声污染还会导致人员的健康。因此，对空腔内模态噪声的产生机理和传播规律研究意义重大。

[0003] 空腔中的噪声主要包含了两部分，一部分是由于流体中的微团运动引发的流致噪声(湍流噪声)，属于宽频随机噪声；另一部分是剪切层中脱落涡对空腔后缘周期性撞击产生的的模态噪声，属于具有典型激振频率的峰值噪声，其中模态噪声的能量常常较高，频率特征较明显，易引起结构共振，也是研究和抑制的重点。湍流噪声主要产生于流场中的非定常扰动，主要通过剪切层向空腔内外辐射，而模态噪声则主要从后缘向前上行传播，因而两种噪声在腔内运动时相互作用并叠加，从而形成了腔内复杂的噪声分布特征和传播规律。

[0004] 风洞试验过程中，通过空腔壁面的脉动压力传感器采集附近流场中的压力脉动，其中包含了直流和交流两种成分。经过滤波处理去除直流成分，保留交流成分p(t)，通过下式计算其均方根：

[0005]

[0006] 从而获取脉动压力时域样本的总声压级SPL：

[0007]

[0008] 其中T为样本长度，pref为参考压力2.0×10-5Pa。不同测点处的总声压级反映了噪声强度在腔内的总体分布状况，可以为研究腔内噪声的传播和发展提供一定的支持。然而总声压级中既包含了流致宽频离散噪声，也包含了多阶模态噪声，从中无法反映出高强度噪声中主要的成分-模态噪声的分布状况。

[0009] 对于腔内模态噪声的分析，一般采用的方法是对脉动压力时域数据进行傅里叶变换，获得脉动压力在频域上的功率谱密度PSD,然后计算噪声在频域上的声压级分布即声压频谱SPFS：

[0010]

[0011] 声压频谱反映了噪声强度不同频率上的分布状况，其中由于纯音形式模态噪声的强度远大于宽频离散噪声，在频谱曲线中表现出强烈的峰值特征，因而从曲线中的峰值分布特征可以提取出不同模态噪声的频率和幅值。声压频谱反映了噪声在频率上的分布状况，然而其只针对单个测点的数据，因而无法反映模态噪声在空间上的分布状况。

发明内容

[0012] 为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种空腔模态噪声驻波分解方法。

[0013] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种空腔模态噪声驻波分解方法，包括如下步骤：

[0014] 步骤一、利用空腔底面的不同测点的脉动压力数据的频谱特征对模态噪声进行分解，获得不同模态噪声幅值在空间上的分布；

[0015] 步骤二、利用空腔底面模态噪声幅值的空间分布确定模态驻波的形式。

[0016] 与现有技术相比，本发明的积极效果是：

[0017] 本发明针对空腔内壁面的脉动压力数据，提出了一种新的模态噪声驻波分析方法，本发明方法利用空腔壁面测点处的声压频谱提取出不同模态噪声在腔内的空间分布，并通过驻波理论分析模态噪声的驻波分布规律。

附图说明

[0018] 本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

[0019] 图1为空腔模态声波叠加示意图；

[0020] 图2为空腔底面不同测点声压频谱分布；

[0021] 图3为空腔底面各阶模态噪声幅值的分布图；

[0022] 图4为各阶模态噪声幅值在空间上的曲线拟合。

具体实施方式

[0023] 本发明提出了一种空腔模态噪声驻波分解方法，利用驻波理论分析腔内模态噪声的分布规律，包括如下内容：

[0024] 1)模态噪声分解

[0025] 对于脉动压力传感器获得的时域信息进行频谱分析，由于模态噪声主要从后缘产生，因而从后缘测点处脉动压力的声压频谱中，通过曲线的峰值特性分辨出不同模态噪声的频率和声压幅值。模态噪声以声波的形式在腔内传播，其频率在传播过程中基本保持不变，因而腔内噪声中不同测点上同一模态频率的声压级均由该模态噪声引起，模态频率的声压级反映了该模态噪声在测点位置的强度。通过不同测点处模态频率的声压级，并结合测点的位置可以获得模态噪声强度在腔内的空间分布状况。针对不同模态频率噪声进行分析，利用各阶模态频率从不同测点处提取出模态噪声的声压级，即可获得不同模态噪声在腔内的分布状况，实现对腔内模态噪声的分解。

[0026] 2)模态噪声分布的驻波分析

[0027] 模态噪声主要从空腔后缘产生并向前上行传播，当与前壁碰撞时一部分声波会发生反射，反射后其频率和波速基本保持不变，上行模态波与反射的声波相叠加会在腔内形成驻波，因而可以通过驻波理论对模态噪声的分布规律进行分析。

[0028] 如图1所示，对某一模态声波在长度为L的腔内的传播过程进行简化分析，假设其频率为f，声波的幅值在传播和反射过程中不发生衰减，始终保持为A0。上行传播的模态声波简化为：

[0029]

[0030] 经前壁反射的模态声波简化为：

[0031]

[0032] 将上行声波与反射声波叠加可以获得模态噪声在腔内的分布：

[0033]

[0034] 其中A1为驻波的幅值：

[0035]

[0036] 驻波的幅值与时间无关，在空间上呈余弦分布，其中λ＝u/f代表驻波幅值在空间上的波长。

[0037] 通过对腔内噪声进行模态分解后发现，各阶模态噪声的幅值在腔内展向上则基本不变，而在流向上则呈波浪式分布，变化波长随模态频率的增加而减小。模态噪声幅值在流向上的分布与驻波特性一致，因而利用驻波公式对腔内模态噪声进行分析，从而获取模态噪声在腔内的驻波分布规律。

[0038] 以下通过Ma1.5来流条件下长度L＝200mm，长深宽比例为6:1:2空腔的风洞试验结果分析为例，介绍具体步骤来实现。

[0039] 步骤一、模态噪声的分解：

[0040] (1)对于空腔底面的不同测点的时域脉动压力数据结果，利用傅里叶变换将其转换为频域的声压频谱，并绘制成频谱曲线(图2)；

[0041] (2)根据频谱曲线中的峰值特征提取出不同模态噪声的频率和幅值(表1 和2)；

[0042] (3)结合脉动压力测点的位置，获取不同模态噪声幅值的空间分布。

[0043] 表1 Ma1.5时空腔内各阶模态频率

[0044]一阶模态频率 二阶模态频率 三阶模态频率
531Hz 1275Hz 2044Hz

[0045] 表2 Ma1.5时空腔内不同测点处各阶模态噪声的幅值

[0046]

[0047] 步骤二、确定模态驻波的形式：

[0048] (1)利用空腔底面模态噪声幅值的空间分布，绘制出各阶模态噪声幅值的变化曲线(图3)；

[0049] (2)根据模态噪声幅值的变化曲线，结合驻波分布规律，构造模态噪声的分布函数：y＝(aX+b)·cos(cX+d)+eX+f，其中y代表模态噪声的幅值变化，单位为dB，X代表空间的变化,使用无量纲化长度X＝x/L，L为空腔长度 200mm,x为实际位置，单位为mm，a、b、c、d、e和f为待求参数。

[0050] (3)通过Matlab软件内置的拟合工具，使用上述函数对模态噪声幅值的空间分布进行拟合,从而确定函数中各待求参数，以及各阶模态噪声在腔内的分布形式，结果如图4所示：

[0051] y1＝(-4.5X-4.0)·cos(7.6X+3.0)+3.78X+129.6

[0052] y2＝(-6.1X+9.57)·cos(14.23X+6.2)+8.6X+142.5

[0053] y3＝(4.5X+1.4)·cos(-18.51X-13)+10.3X+124.1 。