Акустические испытания в прямом поле

Установка для испытаний космического корабля

Акустическое тестирование в прямом поле , или DFAT , — это метод, используемый для акустического тестирования аэрокосмических конструкций путем воздействия на них звуковых волн, создаваемых набором акустических драйверов. В этом методе используются электродинамические акустические динамики, расположенные вокруг испытуемого объекта , чтобы обеспечить равномерное, хорошо контролируемое, прямое звуковое поле на поверхности испытуемого объекта. В системе используются мощные акустические драйверы, мощные аудиоусилители, узкополосный контроллер с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO) и прецизионные лабораторные микрофоны для создания акустической среды, которая может имитировать звук вертолета, самолета, реактивного двигателя или ракеты-носителя. поле давления . Система высокого уровня способна поддерживать общий уровень звукового давления 125–147 дБ в течение более одной минуты в диапазоне частот от 25 Гц до 10 кГц.

Обзор

Прямое поле генерируется аудиодрайверами, расположенными вокруг тестируемого объекта. Для проведения прямых полевых испытаний можно использовать две разные схемы управления. Один метод, известный как «один вход-один выход» или SISO, использует один сигнал возбуждения для всех акустических динамиков с несколькими контрольными микрофонами, усредненный для проведения контрольного измерения. Этот метод создает набор коррелированных плоских волн, которые могут объединяться, создавая большие вариации магнитуды, создавая локальные колебания на поверхности испытуемого образца. Могут наблюдаться колебания амплитуды до +/-12 дБ. Второй метод, известный как MIMO, использует несколько независимых сигналов возбуждения для управления несколькими независимыми местоположениями микрофонов. Этот метод создает более некоррелированное поле, которое гораздо более однородно, чем поле SISO. Изменения величины в диапазоне +/-3 дБ типичны при использовании управления MIMO.

В этом методе используются нормальные падающие плоские волны в сформированном спектре акустического шума, которые воздействуют непосредственно на все открытые поверхности испытуемого объекта без отражений от внешних границ. В зависимости от геометрии испытуемого объекта это может привести к изменениям амплитуды на поверхностях из-за разницы фаз между плоскими волнами. В случае испытуемых изделий с большой площадью поверхности и низкой плотностью разница фаз может возбуждать моды первичной структуры иным образом, чем при более традиционных испытаниях реверберирующим полем. Это фундаментальное различие и его влияние на структуру необходимо сопоставить с преимуществами метода DFAT.

Преимущество тестирования DFAT перед тестированием реверберации заключается в портативности системы DFAT. Это позволяет транспортировать испытательное оборудование в любое место, настраивать, калибровать, использовать для проведения акустических испытаний высокой интенсивности, а затем удалять с испытательной площадки. Весь процесс от загрузки до выгрузки может быть выполнен не более чем за 4 дня для крупного спутника или аналогичной аэрокосмической конструкции. В испытательной системе используется подход «строительных блоков» для формирования комбинаций оборудования, отвечающих экологическим требованиям. Системы обычно включают в себя более 500 динамиков, более 2 миллионов ватт усиления, как минимум от 8 до 16 контрольных микрофонов, а также систему акустического управления MIMO с замкнутым контуром и систему сбора данных. 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, чтобы поместиться в традиционную акустическую реверберирующую камеру.

Процесс

Этот процесс требует транспортировки и сборки акустического круга вокруг испытуемого изделия. Размер круга зависит от размера испытуемого изделия. Обычно требуется круг диаметром на 12 футов (3,7 м) больше и на 4 фута (1,2 м) выше, чем испытуемый образец. В конструкции следует избегать симметрии, чтобы уменьшить вероятность неблагоприятного взаимодействия плоских волн. Испытуемый объект может быть установлен на платформе или подвешен. Для управления методами SISO или MIMO следует использовать несколько микрофонов, от восьми до шестнадцати. Микрофоны должны быть расположены вокруг испытуемого изделия в случайном порядке. Расстояние от поверхности динамиков до поверхности контрольных микрофонов должно составлять 1,0–1,5 метра (3,3–4,9 фута). Расстояние от контрольных микрофонов до поверхности испытуемого объекта должно составлять 0,5–0,75 метра (1,6–2,5 фута). Высота контрольных микрофонов должна быть сосредоточена на середине высоты испытуемого объекта и произвольно изменяться вверх и вниз примерно на одну восьмую высоты испытуемого объекта. Ориентация микрофонов свободного поля в испытательной установке DFAT не имеет решающего значения. Однако отражения от испытуемого объекта можно свести к минимуму, если микрофон направлен на источник звука под углом 0 градусов. Большинство современных высококачественных микрофонов свободного поля настраиваются на заводе для компенсации угла падения. Это явление наиболее выражено на высоких частотах, выше 10 кГц для микрофона диаметром 1/4 дюйма, и обратно пропорционально диаметру диафрагмы микрофона.

Динамики приводятся в действие серией аудиоусилителей, которые обычно питаются от портативного дизельного генератора. Система безопасно и точно управляется системой управления с обратной связью с обратной связью, которую можно использовать для ограничения и/или прерывания работы в случае обнаружения состояния перепроверки.

Предварительное испытание обычно проводится с использованием симулятора для подтверждения возможности достижения заданного общего уровня и спектра звукового давления. Предварительное тестирование также используется для проверки любых специальных функций управления, таких как; допуски на прерывание, пределы реагирования, формирование поля и процедуры аварийного отключения. Затем следует изучить ответы микрофона, чтобы оценить полученное поле на предмет однородности, когерентности и, если возможно, структурного отклика. Затем симулятор заменяется реальным тестируемым объектом в кругу говорящих, и процесс тестирования повторяется.

Вся операция обычно завершается за четыре дня, и тестовый образец требуется только на один из этих дней. Все оборудование доставляется к испытательному изделию, собирается, проходит предварительные испытания и проверку работоспособности перед испытанием летного изделия. Летное изделие обычно требуется только на один день испытаний в зависимости от сложности плана испытаний. По завершении летных испытаний изделие снимается, все оборудование разбирается и вывозится с площадки.

Функции

• Портативность: можно установить практически где угодно.
• Модульность: адаптируется к нескольким конфигурациям.
• Управляемость: безопасное, повторяемое управление в реальном времени.
• Узкополосное управление: может обеспечивать управление в соответствии со спецификацией, определенной с постоянным узкополосным (~ 3 Гц) шагом от 25 до 10 кГц.
• Ограничение реакции: ограничение значений звукового давления, ускорения, силы или реакции на стресс.
• Защита от перепроверки: прерывание при пиковых или среднеквадратичных входных значениях

Возможности

Удобство, низкая стоимость и мобильность этого метода отличают его от обычного тестирования и являются основными причинами его растущей популярности. Метод удобен тем, что на испытательный полигон доставляется вся необходимая звуковая система, оборудование для генерации и распределения электроэнергии, сбора и управления данными. Оборудование обычно арендуется для каждого тестового мероприятия. Со стороны заказчика не требуется больших инвестиций в объект, оборудование или персонал. Дизельный генератор является предпочтительным источником энергии, поэтому он обеспечивает чистую электроэнергию на объекте в согласованной конфигурации для подключения к оборудованию распределения электроэнергии MSI. Это устраняет потребность в большом количестве энергии на испытательном стенде. Кроме того, тестирование может проводиться с гораздо меньшими затратами на одно испытание по сравнению с установкой, эксплуатацией и обслуживанием более стандартной системы реверберационной акустической камеры высокой интенсивности. Наконец, мобильность позволяет выполнять этот метод тестирования практически в любое время и в любом месте в рамках обычной интеграции тестируемого изделия и потока тестирования. Испытательное оборудование полностью портативно и не требует специального оборудования или инфраструктуры.

Хронология ресурса

1. Измерение коэффициентов корреляции в реверберирующих звуковых полях, Кук, Уотерхаус, Берендт, Эдельман, Томпсон, J-ASA, Том 27, № 6, 11 ноября 1955 г.
2. Разработка звуковых экологических испытаний, Джон Ван Хаутен, IEST, 1966 г.
3. Комбинированные нагрузки, вибрационные и модальные испытания космического корабля QuickScat, Шартон (ЛРД), Вуйчич (Болл), 18-я ОВД, 16-18 марта 1999 г.
4. Объединение вибрационных и акустических испытаний космического корабля, Терри Шартон, семинар по динамическим средам S/C и L/V, июнь 1999 г.
5. Прямые акустические испытания в ближнем поле, Ларкин и Цой, семинар по динамическим средам S/C и L/V, июнь 1999 г.
6. Когерентность реверберирующих звуковых полей, Джейкобсон и Розин, J-ASA, Том 108, № 1, 21 марта 2000 г.
7. Прямые акустические испытания в ближнем поле в Orbital Sciences Corporation, Пол Ларкин, IEST/ESTECH 2000, май 2000 г.
8. Прямые акустические испытания в ближнем поле - обновление, семинар Ларкина, S/C & L/V Dynamic Environments, июнь 2000 г.
9. Прямое акустическое испытание космического корабля QuickSCAT, Д. Энтони, Т. Шартон, А. Леччезе, Всемирный авиационный конгресс SAE/AIAA, 19–21 октября 2000 г.
10. Прямые акустические испытания в ближнем поле, Ларкин и Уэлен, Всемирный авиационный конгресс SAE/AIAA, 19–21 октября 2000 г.
11. Инновационный метод акустических испытаний для более быстрой, лучшей и более дешевой среды, Пол Ларкин, 19-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, октябрь 2000 г.
12. Прямые акустические испытания в ближнем поле – в стадии разработки, Пол Ларкин, Семинар по динамическим средам S/C и L/V, июнь 2001 г.
13. Акустические испытания высокой интенсивности, IEST-RP-DTE040.1, Институт экологических наук и технологий, январь 2003 г.
14. Управление акустической акустической системой в реверберационной камере, Пол Ларкин и Дэйв Смоллвуд, 21-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, октябрь 2003 г.
15. Прямоугольное управление многошейкерными системами: теория и некоторые практические результаты, Андервуд и Келлер, Spectral Dynamics, Inc., Сан-Хосе, Калифорния, 2003 г.
16. Эксплуатационная записка JAGUAR по случайному акустическому контролю и анализу, 2560-0122/A, Spectral Dynamics, Inc., Сан-Хосе, Калифорния, 2003 г.
17. Акустические испытания в прямом поле и анализ моделирования, Фред Хаусл, Стив Джонстон, Джон Стадилл, Семинар по динамическим средам S/C и L/V, июнь 2004 г.
18. Управление акустической акустической системой в реверберационной камере, Пол Ларкин и Дэйв Смоллвуд, 21-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, 21 октября 2004 г.
19. Прямое акустическое тестирование реверберационного радара для профилирования облаков, Майкл О'Коннелл и Фред Хаусл, семинар по динамическим средам S/C и L/V, июнь 2005 г.
20. Сравнение акустических испытаний в прямом поле и реверберационной камере, Майкл О'Коннелл, семинар по динамическим средам S/C и L/V, июнь 2007 г.
21. Исследования по разработке стандартных методов акустических испытаний в прямом поле, Майкл Б. Ван Дайк, 24-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, апрель 2008 г.
22. «На пути к разработке стандартных методов проведения акустических испытаний в прямых полевых условиях», Майкл Б. Ван Дайк, семинар по динамическим средам S/C и L/V, июнь 2008 г.
23. Прямые полевые акустические испытания, Пол Ларкин и Боб Гольдштейн, 25-я конференция AIAA/Space Simulation, октябрь 2008 г.
24. Акустические испытания в прямом и реверберационном поле, Гордон Маахс, Семинар по динамическим средам космических кораблей и ракет-носителей, июнь 2009 г.
25. Акустические испытания в прямом поле (DFAT) — рекомендуемая практика, Пол Ларкин, Семинар по динамическим средам космических кораблей и ракет-носителей, июнь 2009 г.
26. Акустически вызванная вибрация конструкций, реверберационные и прямые акустические испытания, Колиани, О'Коннелл, Цой, 25-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, октябрь 2009 г.
27. Акустические испытания в прямом поле – рекомендуемая практика, Ларкин и Гольдштейн, 25-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, октябрь 2009 г.
28. Акустические испытания в прямом поле (DFAT), Пол Ларкин, AIAA/Рабочая группа по динамическому космическому моделированию, май 2010 г.
29. Прямое поле и реверберирующее поле DFAT, Ларкин и Маахс, Семинар по динамическим средам SC и LV, июнь 2010 г.
30. Последние разработки в области акустических испытаний в прямом поле, Ларкин и Гольдштейн, 26-я конференция по космическому моделированию. Октябрь 2010.
31. Прямые полевые акустические испытания летной системы: логистика, проблемы и результаты, Бабушка, Гуруле, Скоусен, Стасюнас, 81-й симпозиум по ударам и вибрации, октябрь 2010 г.
32. Аналитическое моделирование акустического поля во время акустического испытания в прямом поле, Меш, Роуз, Стасюнас, 26-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, март 2011 г.
33. Малая установка по акустическому шуму прямого поля, Сагини, Тиани, Рибур, Пулен, Херцог, 26-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, март 2011 г.
34. Акустические испытания летного оборудования с использованием громкоговорителей: как много мы знаем об этом методе, Колаини и Керн, 26-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, март 2011 г.
35. Проблемы, связанные с квалификационными акустическими испытаниями крупного летного оборудования, Колаини, Керн и Перри, 26-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, март 2011 г.
36. Пространственная изменчивость, вызванная помехами акустических волн при акустических испытаниях в прямом поле с одним приводом, ВанДайк и Питерс, 26-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, март 2011 г.
37. Небольшая испытательная установка для акустического шума в прямом поле, Сагини, Тиани, Рибур, Пулен и Херцог, 26-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, март 2011 г.
38. Разработка рекомендуемой практики (RP) для прямых акустических испытаний (DFAT), Фосс и Ларкин, IEST/ESTECH 2011, май 2011 г.
39. Виброакустические прогнозы: прямая акустика и реверберирующие акустические поля, Али Колаини, семинар по динамическим средам SC и LV, июнь 2011 г.
40. Акустический контроль MIMO для DFAT, семинар Ларкина и Спайсера, семинар по динамическим средам SC и LV, июнь 2011 г.
41. Временная оценка качества данных DFAT, Леви Смит, IEST/ESTECH 2012, май 2012 г.
42. Использование узкополосной разницы в качестве сравнительного показателя акустических полей, Клинтон Малдун, IEST/ESTECH 2012, май 2012 г.
43. Прямые полевые акустические испытания космического корабля RBSP, Гордон Маахс, 27-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, октябрь 2012 г.
44. Статус прямых полевых акустических испытаний, Хейс и Ларкин, 27-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, октябрь 2012 г.
45. Некоторые вопросы, касающиеся аспектов акустических испытаний и испытательных установок, Арло Уэсли Мейн III, 27-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, октябрь 2012 г.
46. Опыт проведения высокоинтенсивных акустических испытаний в прямом поле чувствительной к загрязнению системы, Стасюнас, Бабушка и Скоусен, 27-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, октябрь 2012 г.
47. Влияние стоячих акустических волн на структурные реакции: реверберационные акустические испытания (RAT) и акустические испытания в прямом поле (DFAT), Колаини, Доти и Чанг, 27-й семинар по аэрокосмическим испытаниям, октябрь 2012 г.
48. Дальнейшие разработки с использованием акустического контроля MIMO для DFAT, Пол Ларкин, 27-я конференция по космическому моделированию, ноябрь 2012 г.