基于MIMO控制的直达声场噪声试验技术_范博超.pdf

基于 MIMO 控制的直达声场噪声试验技术范博超1，齐江龙1，呙道军1，荣吉利2，程修妍2，张博涵2（1.北京强度环境研究所，北京100076；2.北京理工大学 宇航学院，北京100081）摘 要：提出一种基于 MIMO 控制策略的直达声场噪声试验技术，比较了不同扬声器阵列形状内的声场均匀性，与混响场激励下的加速度响应差异进行了分析对比.研究表明，椭圆形扬声器阵列更适用于直达声场噪声试验，基于该阵列的直达声场与混响场相比在中低频段存在驻波，对于不同区域经受不同噪声环境的试验件，可以通过基于 MIMO 控制的直达声场噪声试验技术实现分布式加载.关键词：MIMO 控制；直达声场；分布式加载中图分类号：V416.5 文献标志码：A 文章编号：1001-0645(2023)03-0297-06DOI：10.15918/j.tbit1001-0645.2022.087Direct Acoustic Field Test Technology Based on MIMO ControlFAN Bochao1，QI Jianglong1，GUO Daojun1，RONG Jili2，CHENG Xiuyan2，ZHANG Bohan2（1.Beijing Institute of Structure and Environment Engineering,Beijing 100076,China;2.School of Aerospace Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China）Abstract：A noise test technology was proposed based on MIMO control strategy for direct acoustic field,com-paring the acoustic field uniformity in different speaker array shapes,analyzing and comparing the accelerationresponse difference under reverberation field excitation.The study results show that the elliptical speaker array ismore suitable for the direct acoustic field test.Compared with the reverberation field,the direct acoustic fieldbased on this array has standing waves in the low and middle frequency bands.For the test parts subjected to dif-ferent noise environments in different areas,distributed loading can be achieved through the direct field acoustictest technology based on MIMO control.Key words：MIMO control；direct acoustic field；distributed loading 飞行器等产品在发射与飞行过程中会经历严酷的噪声环境，包括气动噪声1以及发动机喷流噪声2等，易引起内部设备故障和结构破坏.因此，在地面进行噪声试验对产品进行环境适应性考核尤其重要，是产品研制过程中的重要环节之一.相较于混响场噪声试验与行波场噪声试验，直达声场噪声试验具有成本低、周期短、安全性高等优点3，因此成为验证设备等承受噪声环境适应性的试验方法之一.随着我国航空航天领域研制进程的快速提升，产品的设计、制造与试验并行性的要求越发迫切，同时高超声速飞行器的快速发展，使得能够根据迎背风面不同的噪声条件进行分布式加载变得尤为重要，基于 MIMO 控制可实现这一功能，研究基于 MIMO 控制的直达声场噪声试验技术对航空航天事业的发展具有重要意义.目前国内外对直达声场噪声试验系统已有部分研究.美国 Maryland Sound International（MSI）在 1999年使用 3 组扬声器模块产生声场激励进行直达声场噪声试验4，但未能产生均匀的声场，为了避免这种现象，随后将扬声器阵列以圆环的形式进行布置，产生了较为均匀的声场环境，声场内各测点的总声压级最大相差 3.4 dB.2004 年，美国喷气推进实验室（JPL）对 CloudSAT 航天器开展了直达声场噪声试验5 7，并且将其天线罩单独放入混响室开展了混响场噪声试验，经对比发现两种不同的试验方法获得的结构响应在大体上是相似的.2009 年，John Hop-收稿日期：2022 04 19作者简介：范博超（1993），男，工程师，E-mail：.第 43 卷第 3 期北 京 理 工 大 学 学 报Vol.43No.32023 年 3 月Transactions of Beijing Institute of TechnologyMar.2023kins 大学应用物理实验室8比较了直达声场噪声试验与混响场噪声试验在声场与试验件结构响应方面的差异，采用 8 个控制传声器进行了平均控制，试验表明直达声场试验件的结构响应略大于混响场，而通过改变控制点的布局能够提高两种声场下试验件结构响应的一致性.2010 年，Orbital Sciences Corpora-tion（OSC）在 Star-2 航天器直达声场噪声试验中重点研究了声场的一致性以及试验件与扬声器阵列的相对位置对试验结果的影响9，研究发现将试验件旋转 45过程中，结构响应出现了不同程度的变化.2017 年，Sandia 国家实验室10针对某飞行器仪器设备，搭建了一套小型的直达声场噪声试验系统，该系统使用了 24 个小型扬声器，分成 12 组间隔 30均匀排布在直径为 1.5 m 的圆周上，能够产生的最大总声压级为 110 dB，主要为某仪器设备复现更加真实的飞行环境.荣吉利等11提出了一种速度边界等效扬声器声源的方法，并基于该等效方法建立了直达声场有限元模型，比较了不同区域内声场响应.然而上述工作仅对扬声器布局进行了环形阵列研究，也从未对分布式加载进行探究.本文在环形阵列基础上进一步研究了圆形阵列和椭圆形阵列的声场差异，并依据 MIMO 控制策略，实现了直达声场噪声试验的分布式加载.1 直达声场噪声试验系统直达声场噪声试验系统主要包括：声源系统、MIMO 控制系统、数据采集系统以及测试传感器等.直达声场噪声试验系统示意图见图 1.电源时序器话筒放大器声卡控制传声器地面试件功率放大器噪声控制仪数据采集器信号调理器加速度传感器图 1 直达声场噪声试验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the direct acoustic field test system 声源系统由高中低频组合的扬声器阵列组成，包括 18 个 GTS312 扬声器，每个扬声器内部装有 2个低音单元、4 个中音单元、2 个高音单元，额定功率分别为 900 W、600 W、150 W，频率覆盖范围为 5020 000Hz.MIMO 控制系统由噪声控制仪、声卡、功率放大器、话筒放大器和控制传声器组成，为声源系统提供足够的驱动电流使其发声，并具有多通道声谱闭环控制能力.数据采集系统由数据采集器和信号调理器组成，对环境参量进行测试并实时记录，支持电压、噪声、振动等参数的采集.测试传感器包括传声器和加速度传感器.2 MIMO 控制原理MIMO 控制不仅能够提高声场一致性，而且能够有效降低声场的相关性.对于具有较低空间相关性的噪声环境，或试验件本身不同部位就经受不同噪声环境的情况，为了在直达声场噪声试验中准确复现，应采用 MIMO 控制.MIMO 控制原理示意图如图 2 所示.对于一个多输入多输出模型，假设其激励信号有 M 个，表示为向298北 京 理 工 大 学 学 报第 43 卷量 X，响应信号有 N 个，表示为向量 Y，则 X、Y 之间的关系为Y=HX=|H11(j)H12(j)H1M(j)H21(j)H22(j)H2M(j).HN1(j)HN2(j)HNM(j)|X（1）HHij(j)Yi(j)Xj(j)式中：被称为频率响应函数；表示输出与输入之间的幅值与相位关系.频率响应函数反映了系统对输入激励的传递能力，是描述动态系统特征的一种非参数估计模型.Y=HX根据线性振动理论，可以进一步写为YYH=(HD)(DHHH)（2）Syy=HSddHH（3）DSyy=YYH式中：为驱动信号矩阵；为响应的功率谱Sdd=DDHRSyy=R密度矩阵；为激励的功率谱密度矩阵.设定参考谱密度矩阵为，则.Z=(HTH)1HT记,由此可得Sdd=H1RHH=ZRZH（4）RR=LLH对参考谱密度矩阵进行 Cholesky 分解，得，则驱动信号为D=ZL（5）LLSyySyy=L1LH1频响函数矩阵的误差是影响 MIMO 控制效果的关键因素，为了消除误差，引入对 矩阵进行修正,对响应功率谱密度矩阵进行 Cholesky 分解，得，则|L=(LL1)Ln=L+LD=ZLn（6）式中 为常数.传声器1传声器n输入信号调节输入信号调节A/DA/D傅里叶变换傅里叶变换MIMO声学控制器逆傅里叶变换逆傅里叶变换D/AD/ATDRTDR输出信号调节输出信号调节扬声器1谱密度矩阵n倍频程转化为固定带宽 PSD声压级相干性相位多输入多输出扬声器nD/A图 2 MIMO 控制原理示意图Fig.2 Principle diagram of the MIMO control 3 扬声器阵列形状研究为研究阵列形状对声场均匀性的影响，搭建了圆形阵列与椭圆形阵列扬声器试验系统，测量内部声场响应，进行声场均匀性对比.为进行声场测量，进行传声器布置，传声器位置示意图如图 3 所示.中心轴向布置 10 支传声器（P1-P10），周向布置三层，上层（P11-P15）、中层（P16-P20）、下层（P21-P25）各 5 支传声器.其中 P11、P15、P16、P20、P21、P25 为声场控制点.搭建的试验系统如图 4 和图 5 所示，设置试验目标谱为宽带随机噪声试验谱型，总声压级为 130 dB.圆形阵列与椭圆形阵列控制谱型对比如图 6所示.可以发现，两种阵列扬声器布局控制点谱型均能满足允差要求，但椭圆形布局从整体而言与目标谱差值更小.圆形布局控制点各频带误差最大为4.6 dB（63 Hz）；椭圆形布局各频带误差最大为 1.6 dB（80 Hz）.在 MIMO 控制策略不变的情况下，椭圆形布局的控制效果优于圆形布局.圆形阵列与椭圆形阵列声场区域内各声测点的 P15P20P25P11P16P21P1P10图 3 传声器位置示意图Fig.3 Schematic diagram of microphone location第 3 期范博超等：基于 MIMO 控制的直达声场噪声试验技术299总声压级见表 1.可以发现，圆形阵列中心轴向测点总声压级均偏大，与目标总声压级最大相差 4.2 dB，周向测点总声压级整体偏小，与目标总声压级最大相差 2.7 dB.椭圆形阵列中心轴向与周向均与目标总声压级相差不大，最大相差 1.8 dB，从整体声场空间的均匀性来看，椭圆形阵列明显优于圆形阵列.从控制效果和声场均匀性来看，椭圆形阵列均优于圆形阵列，因此在搭建直达声场噪声试验系统时，扬声器阵列形状应避免完全对称，以减少平面波之间的不利耦合.表 1 两种布局各声测点的总声压级（dB）Tab.1 The OSPL of acoustic point in the two layouts（dB）测点编号圆形阵列总声压级误差椭圆形阵列总声压