Акустическое тестирование в прямом поле , или DFAN , представляет собой метод, используемый для акустического тестирования аэрокосмических конструкций путем воздействия на них звуковых волн, создаваемых массивом акустических драйверов. [1] Метод использует электродинамические акустические громкоговорители, расположенные вокруг испытуемого изделия, чтобы обеспечить равномерное, хорошо контролируемое, прямое звуковое поле на поверхности испытуемого устройства. Система использует высокопроизводительные акустические драйверы, мощные аудиоусилители, узкополосный контроллер с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO) и прецизионные лабораторные микрофоны для создания акустической среды, которая может имитировать поле звукового давления вертолета, самолета, реактивного двигателя или ракеты-носителя . Высокоуровневая система способна обеспечивать общие уровни звукового давления в диапазоне 125–147 дБ в течение более одной минуты в диапазоне частот от 25 Гц до 10 кГц. [2]
Обзор
Прямое поле генерируется аудиодрайверами, расположенными так, чтобы окружить испытуемый образец. Для проведения прямого полевого теста можно использовать две различные схемы управления. Один метод, известный как один вход-один выход или SISO, использует один управляющий сигнал для всех акустических драйверов с несколькими управляющими микрофонами, усредненными для получения контрольного измерения. Этот метод создаст набор коррелированных плоских волн, которые могут объединяться для создания больших вариаций амплитуды, создавая локальные колебания на поверхности испытуемого образца. Могут быть испытаны вариации амплитуды до +/-12 дБ. Второй метод, известный как MIMO, использует несколько независимых управляющих сигналов для управления несколькими независимыми местоположениями микрофонов. Этот метод создает более некоррелированное поле, которое гораздо более однородно, чем поле SISO. При использовании управления MIMO типичны вариации амплитуды в диапазоне +/-3 дБ.
Метод использует нормальные падающие плоские волны в сформированном спектре акустического шума для прямого воздействия на все открытые поверхности тестового образца без внешних граничных отражений. В зависимости от геометрии тестового образца это может привести к изменениям величины на поверхностях из-за различий в фазировке плоских волн. В случае большой площади поверхности, низкой плотности тестовых образцов разница в фазировке может возбуждать первичные моды структуры иным образом, чем более традиционное испытание реверберационного поля. Это фундаментальное различие и его влияние на структуру необходимо сопоставить с преимуществами метода DFAN.
Преимуществом тестирования DFAN по сравнению с реверберационным тестированием является портативность системы DFAN. Это позволяет транспортировать испытательное оборудование в любое место, настраивать, калибровать, использовать для проведения высокоинтенсивного акустического теста, а затем вывозить его с испытательного полигона. Весь процесс от загрузки до выгрузки может быть выполнен не более чем за 4 дня для большого спутника или аналогичной аэрокосмической конструкции. Испытательная система использует подход «строительных блоков» для формирования комбинаций оборудования, удовлетворяющих требованиям к окружающей среде. Системы обычно включают в себя более 500 громкоговорителей, более 2 миллионов ватт усиления, не менее 8-16 контрольных микрофонов и замкнутую систему акустического управления и сбора данных MIMO. Мобильность и подход «строительных блоков» позволяют адаптировать этот метод для каждого приложения и обеспечить более своевременное и экономически эффективное решение для тестирования. Этот метод также может быть полезен для тестирования изделий, которые слишком велики для размещения внутри традиционной акустической реверберационной камеры.
Процесс
Процесс требует транспортировки и сборки круга громкоговорителей вокруг испытуемого образца. Размер круга зависит от размера испытуемого образца. Как правило, требуется круг на 12 футов (3,7 м) в диаметре больше и на 4 фута (1,2 м) выше, чем испытуемый образец. Расположение должно избегать симметрии, чтобы уменьшить потенциальную возможность неблагоприятного взаимодействия плоских волн. Испытуемый образец может быть установлен на платформе или подвешен. Для управления с помощью методов SISO или MIMO следует использовать несколько микрофонов, от восьми до шестнадцати. Микрофоны следует размещать случайным образом вокруг испытуемого образца. Расстояние от поверхности драйверов до поверхности контрольных микрофонов должно составлять 1,0–1,5 метра (3,3–4,9 фута). Расстояние от контрольных микрофонов до поверхности испытуемого образца должно составлять 0,5–0,75 метра (1,6–2,5 фута). Высота контрольных микрофонов должна быть отцентрирована по середине высоты тестового элемента и случайным образом изменяться вверх и вниз примерно на одну восьмую высоты тестового элемента. Ориентация микрофонов свободного поля в тестовой установке DFAN не имеет решающего значения. Однако отражения от тестового элемента можно свести к минимуму, если направить микрофон на источник звука с углом падения 0 градусов. [3] Большинство современных качественных микрофонов свободного поля настраиваются на заводе для компенсации угла падения. Это явление наиболее выражено на высоких частотах, выше 10 кГц для микрофона 1/4", и обратно пропорционально диаметру диафрагмы микрофона.
Громкоговорители приводятся в действие серией аудиоусилителей, которые обычно питаются от портативного дизельного генератора. Система безопасно и точно контролируется замкнутой системой обратной связи, которая может использоваться для ограничения и/или прерывания в случае обнаружения состояния перетестирования.
Предварительное испытание обычно выполняется с использованием симулятора для подтверждения того, что указанный общий уровень звукового давления и спектр могут быть достигнуты. Предварительное испытание также используется для проверки любых специальных функций управления, таких как: допуски прерывания, пределы реагирования, формирование поля и процедуры аварийного отключения. Затем следует проверить отклики микрофона, чтобы оценить полученное поле на однородность, когерентность и, если доступно, структурный отклик. Затем симулятор заменяется фактическим тестовым элементом в круге громкоговорителя, и процесс испытания повторяется.
Вся операция обычно завершается за четыре дня, и требует испытательного изделия только на один из этих дней. Все оборудование доставляется на испытательное изделие, собирается, предварительно тестируется и проверяется на работоспособность перед испытанием летного изделия. Летное изделие обычно требуется только на один день испытаний в зависимости от сложности плана испытаний. По завершении летного испытания изделие снимается, а все оборудование разбирается и вывозится с места.
Функции
Портативность: можно установить практически в любом месте
Модульность: адаптируется к нескольким конфигурациям
Управляемость: безопасное, повторяемое управление в реальном времени
Узкополосное управление: может обеспечивать управление в соответствии со спецификацией, заданной постоянными, узкополосными (~3 Гц) приращениями от 25 до 10 кГц
Ограничение реакции: ограничение значений SPL, ускорения, силы или напряжения
Защита от перегрузки: прерывание при пиковых или среднеквадратических входных значениях
Возможности
Удобство, низкая стоимость и мобильность этого метода отличают его от обычного тестирования и являются основными причинами его растущей популярности. Метод удобен, поскольку все необходимое звуковое оборудование, оборудование для генерации и распределения электроэнергии, а также для сбора и управления данными доставляются на испытательный полигон. Оборудование обычно арендуется для каждого испытательного мероприятия. Со стороны заказчика не требуется больших инвестиций в объект, оборудование или персонал. Дизельный генератор является предпочтительным источником питания, поэтому обеспечивает чистую электроэнергию на объекте в согласованной конфигурации для подключения к распределительному оборудованию MSI. Это устраняет потребность в большом количестве электроэнергии от испытательного полигона. Кроме того, тестирование может быть выполнено с гораздо более низкой стоимостью за тест по сравнению с установкой, эксплуатацией и обслуживанием более стандартной высокоинтенсивной реверберационной акустической камерной системы. Наконец, мобильность позволяет проводить этот метод тестирования практически в любое время и в любом месте в обычном процессе интеграции испытательного образца и испытательного потока. Испытательное оборудование полностью портативно, и не требуется никаких специальных помещений или инфраструктуры.
Ссылки
^ MIL-STD-810G , с изменением 1, октябрь 2012 г., МЕТОД 515.7, АКУСТИЧЕСКИЙ ШУМ
^ Состояние акустических испытаний в полевых условиях , Пол Ларкин и Дэнн Хейс, 27-й семинар по испытаниям в аэрокосмической технике, 16–18 октября 2012 г.
^ Контроль шума и вибрации , Лео Л. Беранек, Пересмотренное издание, 1988, Институт техники контроля шума, ISBN 0-9622072-0-9
Хронология ресурсов
Измерение коэффициентов корреляции в реверберирующих звуковых полях, Кук, Уотерхаус, Берендт, Эдельман, Томпсон, J-ASA, т. 27, № 6, 11/11/1955
Развитие звуковых испытаний на воздействие окружающей среды, Джон Ван Хаутен, IEST, 1966
Комбинированные нагрузки, вибрационные и модальные испытания космического корабля QuickScat, Шартон (JPL), Вуйчич (Ball), 18-е ATS, 16-18 марта 1999 г.
Объединение вибрационных и акустических испытаний космических аппаратов, Терри Шартон, семинар по динамическим средам S/C & L/V, июнь 1999 г.
Прямые акустические испытания в ближнем поле, Ларкин и Цой, семинар по динамическим средам S/C и L/V, июнь 1999 г.
Когерентность реверберирующих звуковых полей, Якобсон и Розин, J-ASA, том 108, № 1, 21.03.2000
Прямое акустическое тестирование в ближнем поле в корпорации Orbital Sciences, Пол Ларкин, IEST/ESTECH 2000, май 2000 г.
Прямое акустическое тестирование в ближнем поле – обновление, семинар Larkin, S/C & L/V Dynamic Environments, июнь 2000 г.
Прямой акустический тест космического корабля QuickSCAT, Д. Энтони, Т. Шартон, А. Леччезе, Всемирный авиационный конгресс SAE/AIAA, 19-21 октября 2000 г.
Прямое акустическое тестирование в ближнем поле, Larkin & Whalen, Всемирный авиационный конгресс SAE/AIAA, 19-21 октября 2000 г.
Инновационный метод акустических испытаний для более быстрой, лучшей и дешевой среды, Пол Ларкин, 19-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, октябрь 2000 г.
Прямое акустическое тестирование в ближнем поле – работа в процессе, Пол Ларкин, семинар по динамическим средам S/C & L/V, июнь 2001 г.
Испытания высокоинтенсивной акустики, IEST-RP-DTE040.1, Институт экологических наук и технологий, январь 2003 г.
Управление акустической системой громкоговорителей в реверберационной камере, Пол Ларкин и Дэйв Смоллвуд, 21-й семинар по испытаниям в аэрокосмической технике, октябрь 2003 г.
Прямоугольное управление многовибраторными системами: теория и некоторые практические результаты, Андервуд и Келлер, Spectral Dynamics, Inc., Сан-Хосе, Калифорния, 2003 г.
Эксплуатационная записка по случайному акустическому контролю и анализу JAGUAR, 2560-0122/A, Spectral Dynamics, Inc., Сан-Хосе, Калифорния, 2003 г.
Прямой полевой акустический тест и анализ моделирования, Фред Хаусл, Стив Джонстон, Джон Стэдилль, семинар по динамическим средам S/C & L/V, июнь 2004 г.
Управление акустической системой громкоговорителей в реверберационной камере, Пол Ларкин и Дэйв Смоллвуд, 21-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, 21 октября 2004 г.
Тестирование радара для профилирования облаков с использованием прямой акустики и реверберации, Майкл О'Коннелл и Фред Хаусл, семинар по динамическим средам S/C & L/V, июнь 2005 г.
Сравнение акустических испытаний в прямом поле и реверберационной камере, Майкл О'Коннелл, семинар S/C & L/V Dynamic Environments, июнь 2007 г.
Исследования по разработке стандартных методов для прямых полевых акустических испытаний, Майкл Б. Ван Дайк, 24-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, апрель 2008 г.
На пути к разработке стандартных методов проведения прямых полевых акустических испытаний, Майкл Б. Ван Дайк, семинар по динамическим средам S/C & L/V, июнь 2008 г.
Акустические испытания в прямом полевом пространстве, Пол Ларкин и Боб Голдштейн, 25-я конференция AIAA/Space Simulation, октябрь 2008 г.
Акустические испытания прямого и реверберационного поля, Гордон Маас, семинар по динамическим средам космических аппаратов и ракет-носителей, июнь 2009 г.
Прямое акустическое испытание в полевых условиях (DFAT) — рекомендуемая практика, Пол Ларкин, семинар по динамическим средам космических аппаратов и ракет-носителей, июнь 2009 г.
Акустически вызванная вибрация конструкций, реверберационные и прямые акустические испытания, Колиани, О'Коннелл, Цой, 25-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, октябрь 2009 г.
Прямое акустическое испытание в полевых условиях – рекомендуемая практика, Ларкин и Голдштейн, 25-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, октябрь 2009 г.
Прямой полевой акустический тест (DFAT), Пол Ларкин, AIAA/Рабочая группа по динамическому моделированию пространства, май 2010 г.
Прямое поле против реверберационного поля DFAT, Larkin and Maahs, SC & LV, семинар по динамическим средам, июнь 2010 г.
Последние разработки в области акустических испытаний в прямом полевом режиме, Ларкин и Голдштейн, 26-я конференция по космическому моделированию. Октябрь 2010 г.
Прямые полевые акустические испытания летательной системы: логистика, проблемы и результаты, Бабушка, Гуруле, Скоусен, Стасюнас, 81-й симпозиум по ударам и вибрации, октябрь 2010 г.
Аналитическое моделирование акустического поля во время прямого полевого акустического испытания, Меш, Раус, Стасюнас, 26-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, март 2011 г.
Малая установка для измерения акустического шума в прямом поле, Саггини, Тиани, Рибур, Пулен, Херцог, 26-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, март 2011 г.
Акустические испытания летательного оборудования с использованием громкоговорителей: как много мы знаем об этом методе, Колаини и Керн, 26-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, март 2011 г.
Вопросы, связанные с акустическими квалификационными испытаниями крупногабаритного летательного оборудования, Колаини, Керн и Перри, 26-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, март 2011 г.
Пространственная изменчивость, вызванная интерференцией акустических волн при акустических испытаниях в прямом полевом режиме с одним приводом, ВанДайк и Питерс, 26-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, март 2011 г.
Малая установка для испытаний на акустический шум в прямом поле, Саггини, Тиани, Рибур, Пулен и Херцог, 26-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, март 2011 г.
Разработка рекомендуемой практики (RP) для проведения прямых полевых акустических испытаний (DFAT), Foss and Larkin, IEST/ESTECH 2011, май 2011 г.
Виброакустические прогнозы: прямые акустические поля против реверберирующих акустических полей, Али Колаини, семинар по динамическим средам SC & LV, июнь 2011 г.
Акустический контроль MIMO для DFAT, Larkin and Spicer, семинар по динамическим средам SC и LV, июнь 2011 г.
Временная оценка качества данных DFAT, Леви Смит, IEST/ESTECH 2012, май 2012 г.
Использование узкополосной разности в качестве сравнительной метрики для акустических полей, Клинтон Малдун, IEST/ESTECH 2012, май 2012 г.
Прямое полевое акустическое испытание космического корабля RBSP, Гордон Маас, 27-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, октябрь 2012 г.
Статус прямых полевых акустических испытаний, Хейс и Ларкин, 27-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, октябрь 2012 г.
Некоторые вопросы, касающиеся аспектов акустических испытаний и испытательных установок, Арло Уэсли Мейн III, 27-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, октябрь 2012 г.
Опыт проведения высокоинтенсивного прямого полевого акустического испытания чувствительной к загрязнению системы, Стасюнас, Бабушка и Скоусен, 27-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, октябрь 2012 г.
Влияние акустических стоячих волн на структурные реакции: реверберационные акустические испытания (RAT) и прямые полевые акустические испытания (DFAT), Колаини, Доти и Чанг, 27-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, октябрь 2012 г.
Дальнейшие разработки с использованием акустического управления MIMO для DFAT, Пол Ларкин, 27-я конференция по космическому моделированию, ноябрь 2012 г.
