声衬试验段环境下航空声学定位试验技术研究

针对在风洞闭口试验段对 C919、MA700等民机进行航空声学定位试验的需求,首先采用声衬试验段、波束形成麦克风相位阵列算法、对角移除反卷积方法和声压级积分方法等措施,解决闭口试验段存在的背景噪声较高、气流对麦克风测量干扰问题,然后采用 MA60飞机模型进行了验证性风洞试验。风洞试验结果表明,声衬试验段有利于在闭口试验段内安装传声器相位阵列、传声器线阵等测量设备,同时背景噪声较常规闭口试验段显著降低,降噪量达5~10dB;MA60飞机模型航空声学定位试验结果量级合理、规律正确,主要声源集中在襟翼位置。这表明,在 FL-9风洞闭口试验段建立了航空声学试验环境和噪声源定位试验技术,可以承担机体气动噪声定位、降噪技术验证等民机型号研制急需的航空声学试验。     

焊缝声发射源二维时间反转成像定位方法研究

焊缝检测一直是工业无损检测的一个重点检测对象,但是目前还没有一种可靠准确的动态检测方法,而应用声发射检测技术实现焊缝动态监测的一个重要方面就是声源定位问题。本文提出采用时间反转成像理论进行声发射源定位,主要对两种成像方法处理结果进行探讨。根据声发射检测特点,结合时间反转聚焦理论,推导了损伤声源信号时间反转过程,有效提高了信号的信噪比;根据四点圆弧成像方法,理论分析了两种成像方式的特点;最后通过数值仿真验证定位方法,从仿真实验结果可知,该成像定位算法可准确确定声源位置,同时发现两种成像方式的时反成像图存在一定差异,但经过阈值化处理后,成像结果一致,对定位精度没有影响。     

常规闭口风洞相阵列气动声学试验

传统气动声学研究观点认为,精确的声学测量要求风洞背景噪声和洞壁反射足够低,传声器测量结果有足够高的信噪比,这是大多数风洞无法达到的要求.近些年,基于声纳和雷达技术发展起来的麦克风相阵列技术可以通过增加阵列的传声器数目从而大幅提高声学测量的信噪比,具有噪声源研究和定位能力,并被成功地应用于非声学固壁风洞噪声源测量和噪声物理机制研究.作者基于相阵列波束生成频域算法研制出常规闭口风洞相阵列系统及相关技术,在FD-09风洞尝试进行了相阵列校准试验和某民机噪声测量试验.结果表明:相阵列技术能够准确捕捉到真实的校准声源,并从技术上验证了相阵列系统在常规闭口风洞测量气动噪声是有效的.     

基于幅度补偿的混凝土合成孔径聚焦成像方法

合成孔径聚焦技术(Synthetic aperture focusing technique,SAFT)通过叠加邻近多道通的回波信息,可增强目标缺陷的信号特征,被广泛应用于超声无损检测领域。对于大深度混凝土结构的无损检测问题,由于超声波的衰减作用明显,传统B扫描及SAFT方法的成像效果均不理想。为提高混凝土超声成像的质量,测定了混凝土中超声波传播的相对衰减系数,引入幅度补偿技术对微弱回波信号进行幅度补偿,然后再对补偿信号进行SAFT成像处理,进一步增强了超声成像效果。人工混凝土块实验表明,本文所提方法比传统成像方法具有更高的成像分辨率,底部缺陷反射更加清晰,同时内嵌铁管及木块的实验均验证了本文方法的有效性。     

水下强声波脉冲引发的空化气泡运动和声辐射

通过建立由等离子体声源、PCB压力传感器和高速相机等构成的实验测量系统,研究了强声波脉冲引发的空化气泡运动和二次声辐射.通过实验,观察到了强声波脉冲特有的波形结构,空化气泡的成长、膨胀和坍缩过程以及气泡坍缩时辐射的声信号.其次,利用Gilmore方程和Bernoulli方程,从理论上对空化气泡的运动和声辐射进行了数值模拟和分析.研究结果表明:(1)在强声波脉冲正压区的作用下,空化气泡将受到压缩并围绕“准平衡态半径”振荡;在强声波脉冲负压区的作用下,空化气泡将出现膨胀、坍缩和回弹的物理过程.(2)空化气泡坍缩时周期性辐射的声脉冲持续时间极短,具有“冲击波”的特点.     

时序多相关-经验模式分解方法及其对车辆振动信号的分析

振动信号的特征提取由于受强背景噪声的干扰往往具有很大的困难。在作者提出的时序多相关-经验模式分解方法的基础上,提出了一种相应的改进方法,将其扩展到一般振动信号的特征提取。先对采集到的时间序列作多相关处理,在时序多相关处理时,为了达到克服噪声干扰的目的,取一段采样序列,对其作周期延拓,使得在多相关处理后,噪声仅仅体现在多相关序列的常数项里面。再对得到的多相关数据作经验模式分解,选择满足要求的本征模式函数并作边际谱分析,以达到提取强噪声背景下的特征信号的目的。仿真分析表明了该方法的有效性。最后将它应用到实际某特种车辆振动信号的特征提取中,得到了满意的结果。     

基于超声导波波束成形的缺陷反演方法研究

利用超声导波对板结构中的缺陷进行反演可以确定缺陷的位置和形状信息,针对走时成像方法在低频范围内效果不佳的问题,提出一种基于波动场的超声导波缺陷反演成像方法。根据波动方程推导出波束成形成像原理,利用Born近似下的散射场数据对成像区域像素点的值进行相干叠加,得到缺陷的位置和形状。再通过波束成形与傅里叶衍射定理在频域的映射关系,将波束成形的结果转化为衍射层析成像图像,得到了更为清晰的反演图像。针对衍射层析成像中存在伪影和噪声的问题,利用二维变分模态分解（Two-dimensional variational mode decomposition,2D-VMD）方法对图像进行降噪处理,有效去除了伪影和缺陷轮廓边缘的毛刺,进一步提高了成像分辨率。反演结果表明该方法可以较为准确地重构出铝板上减薄缺陷的位置、大小和形状,具有较高的分辨率。     

基于线性频散信号构建的复杂航空结构Lamb波高分辨率损伤成像

在对复杂航空结构的Lamb波损伤成像中,Lamb波频散容易使信号波包发生扩展和变形,从而降低信号的分辨率,并最终影响损伤监测结果,因此Lamb波频散补偿已成为急需解决的一个重要问题。目前常用的频散补偿方法需要理论计算Lamb波频散曲线,难以适用于复杂航空结构。本文利用现场直接测得的相对波数曲线进行线性频散信号构建(Linearly-dispersive signal construction,LDSC)的频散补偿处理,解决了航空复杂结构中Lamb波频散难以补偿的问题。然后,将LDSC用于延迟叠加损伤成像中,以实现高分辨率损伤成像。为了降低多反射的复杂航空结构形式对成像结果的影响,引入了1.5波峰正弦调制的准宽带Lamb波激励波形。最后通过在真实复杂的某型飞机大梁结构上的实验证明了所提方法的有效性。     

螺旋桨旋转噪声等价声源中心的实验研究

本文研究了互谱分析法在噪声源定位应用上的理论和实验技术。为了得到用于噪声控制的螺旋桨旋转噪声的等价声源中心,研究涉及到互谱分析法的理论以及时间平均和空间平均的实验技术。这是一种工程方法。该方法可用于识别各种螺旋浆旋转噪声的等价声源中心,且可推广到其他声源的声源定位、声源识别领域。作为实例,识别AD—200轻型飞机的螺旋桨旋转噪声等价声源中心的测量取得了非常好的结果。 另外,本文对互谱分析法在声源定位上应用的有效性进行了理论分析,指出互谱分析法在声源定位方面有着广阔的应用前景。     

噪声与共振环境下的数字助听器鲁棒声源定位法

提出了一种噪声与共振环境下的数字助听器鲁棒声源定位方法,该方法基于房间共振模型和多通道自适应特征值分解算法,利用自适应次梯度投影方法迭代地估计声源至各麦克风的脉冲响应系数,从而获得各麦克风对的时延差,并利用几何方法计算声源位置。针对眼镜数字助听器四元麦克风方阵的仿真表明,所提出的自适应次梯度投影方法在强噪声环境中的鲁棒性和定位精度优于传统NLMS算法。     

基于PID控制方法的模糊变增益振动主动控制试验研究

结合模糊控制方法智能化的特点,设计出一种不依赖模型参数且可以自动调节控制器增益的控制算法。该方法以比例、积分和微分(Proportional integral and derivative,PID)控制为基础,根据系统输出及输出变化率自动调节控制器增益,使控制系统具有更强的适应能力。同时针对振动测试信号中含有噪声干扰和直流分量的情况,构造依赖模型部分参数的二阶窗函数,在保证不改变受控模态信号特征的同时有效衰减非受控模态信号干扰及直流分量。建立悬臂梁模型进行试验验证。结果表明,该方法能够使受控系统的振动幅值减小到开环时的5%以下,其效果明显优于普通PID控制。并且,通过引入二阶窗函数,系统在具有非受控模态信号干扰的情况下能够保持有效控制,使算法具有更好的稳定性和鲁棒性。     

基于多级维纳滤波器的树型WSN分布式线性约束最小方差波束形成方法

为减少树型无线传感器网络(Wireless sensor network,WSN)中分布式线性约束最小方差(Linearly constrained minimum variance,LCMV)波束形成器的计算量,将多级分解技术用于WSN分布式波束形成技术中,提出基于多级维纳滤波器(Multistage Wiener filter,MSWF)的分布式LCMV波束形成器方法。该方法通过有效引入MSWF技术避免本地协方差矩阵估计及求逆运算,能以更少的计算量获得分布式LCMV波束形成器相同的输出性能,说明新方法继承了MSWF和分布式LCMV波束形成器的优点。计算机仿真结果验证了算法的优良性能。     

星载脉冲压缩降雨雷达的海面杂波分析

对于星载降雨雷达而言,降雨区域几乎贴在地球表面,地面特别是海面的后向散射回波要比雨水回波强得多.严重的海面杂波会通过天线波束以及脉冲压缩带来的距高旁瓣污染雨水回波.针对脉冲压缩雷达,首次综合分析了海面杂波通过天线主瓣、旁瓣和距离主瓣、旁辩对星载雷达降雨测量的干扰模型,推导出了考虑距离加权函数影响的雨水回波和地表杂波计算公式,模拟并计算了一台Ka波段星栽脉冲压缩降雨雷达所受的杂波干扰.分析结果表明,星载脉冲压缩降雨雷迭所受的杂波干扰比之前的研究结论更加严重,这也对天线旁瓣、压缩脉冲距离旁辩等雷达指标提出了更高的要求.     

构件在超音速气流环境下的辐射声场特性分析

在超音速环境中,构件所产生的辐射噪声往往容易被高强背景噪声所淹没,难以被提取出来,给结构的降噪设计带来困难。因此,提出了一种基于集合经验模态分解(EEMD)的构件辐射声场特性分析方法。首先,通过传声器阵列采集气流背景噪声;放入构件后,再次采集新的辐射噪声信号。然后,采用EEMD对采集的信号进行多尺度分解,根据各个尺度信号的相关性大小,提取出气流环境中有无构件情况下的差异性特征成分。最后,通过波束形成方法对提取出的信号成分进行声场重构,确定构件对气流的主要扰动位置和辐射噪声强度。在5Mach气流环境中,对平板件、尖劈件分别进行了实验分析,结果表明,新方法能够有效提取出放入构件后辐射噪声场的变化成分,并重构出构件扰动辐射噪声场的主要噪声源位置和辐射噪声的大小。     

超声相关加权合成断面成像检测方法研究

本文首先介绍了合成孔径聚焦超声成像的基本原理。针对提高成像的分辨率和信噪比问题，研究了原始采样信号的相关性，提出了一种基于信号相关度加权的合成新算法和原始数据预处理方法。利用改进方法对试样进行了断面成像实验，实验结果表明：与传统的延时一叠加合成孔径算法相比，新方法提高了图像的横向分辨率和信噪比，改善了图像质量。     

基于波叠加方法的可视化声源识别

介绍了一种基于波叠加方法的可视化声源识别技术。应用波叠加基本理论,采用Burton-Miller型组合层势法或复数失径方法克服解的非惟一性问题,并通过Tikhonov正则化方法求解这一反问题。对两脉动球声源和两摆动球声源进行数值仿真,并与解析解进行对比,仿真结果可以很好地识别出两声源的位置。另外,稳健性分析结果表明该方法具有较好的稳健性。最后,通过实验进一步验证了波叠加方法用于声源识别的可行性。     

全尺寸飞机疲劳试验过程中的无损检测及声发射监测技术研究

本文介绍了在全尺寸飞机疲劳试验过程中的无损检测和声发射监测的技术细节,说明了如何根据监测目标任务要求,确定传感器位置和安装方案、进行声传播通道性能测试、材料声发射(AE)性能研究和考证整个检测系统工作的平稳性。讨论了如何合理设置数据采集系统的参数,研究了背景噪声的变化规律,并特别研究了同疲劳裂纹形成和扩展有关的声发射信号的特征及如何从强背景噪声环境中获得有用AE信号。论文以中央翼-外翼连接区域和起落架上枢轴接头等关键部位为例,说明实施监测的方法。由于疲劳试验特别强调监测结果的实时性和及时性,在声发射信号处理方面,作者利用趋势分析,基于时间、空间的滤波和基于幅度和能量分布等多种信号处理方式,以及多参数综合识别技术对一些关键部位的状态进行了声发射连续跟踪监测,为保证全尺寸飞机机体部件疲劳试验的顺利进行起到了重要作用。     

圆形活塞声源声场的分析,计算与测试

幅射瞬态脉冲波的圆形活塞声源在超声检测中得到广泛应用。本文研究了圆形活塞声源幅射瞬态脉冲波时其声场的数值计算方法，设计了相应的计算软件并绘制出实用脉冲波源声轴线上的声压分布曲线。比较了连续波声场和脉冲波声场的分布特性及异同点。对脉冲波源声场的测试结果表明，理论计算和实测结果有较好的一致性．从而证实了计算方法的科学性。本研究结果为提高超声测控的准确性提供了依据。     

S模式前导脉冲过零点提取与TOA时间戳精确度研究

前导脉冲信号到达时间（Time of arrival，TOA）估计精确度直接影响多点定位精确度。在差分匹配滤波器数学模型基础上，分析理想脉冲信号差分匹配滤波器TOA精确度与采样频率的关系。讨论非理想脉冲信号之间的时间结构关系，提出基于S模式前导四脉冲信号构造差分匹配滤波器校准时间戳的改进算法，实现过零点的准确估计。从信噪比、采样频率和复杂度仿真数据输出的均方根误差对比可见，通过四脉冲滤波获得的TOA精确度要比单脉冲和双脉冲滤波获得TOA精确度高。匹配滤波器和差分匹配滤波器TOA精确度对比分析结果表明，修正的差分匹配滤波器算法有更好的效果。在采样频率 40 MHz、信噪比为40 dB时，四脉冲信号差分匹配滤波器TOA精确度为0.402 7 μs，远远小于国际民航组织规定的时间误差精度最大值25 μs。最后实际空管运行数据验证结果证明了本文修正算法估算TOA的精确度和可用性。     

地面反射和衰减效应对声源频谱的影响

噪声源辐射的声波在传播过程中,由于地面的存在会引起声波的反射和衰减,并产生地表面波使得声源频谱特性发生显著的变化。为利用观察点处实测声频谱来预估实际声源自由场频谱特性,必须适当地计及地面反射和衰减效应的影响。本文采用Chien—Soroka地面反射衰减效应理论模型以及Delany—Bazley地面导纳函数,在局部反应地面假设基础上,给出了存在地面反射和衰减时实测声源频谱与实际声源自由场频谱之间的换算公式,并编制了相应的计算程序。文中给出的算例与文献[3][7]中给出的测量结果进行了比较,两者基本吻合。最后还对地面流阻和接收点高度对地面反射和衰减效应的影响进行了数值计算,结果表明,随地面流阻增加和接收点高度的降低都会使得第一个声波干涉低谷向高频移动。因此,实际测量小,若地面流阻未知,可采用紧贴地面设置传声器的方法测量声源频谱,此时地面影响的修正量,在第一声波干涉低谷以下,均为6dB。