Testy akustyczne w polu bezpośrednim

Konfiguracja testowa statku kosmicznego

Testy akustyczne w bezpośrednim polu lub DFAT to technika stosowana do testowania akustycznego konstrukcji lotniczych poprzez poddanie ich działaniu fal dźwiękowych wytwarzanych przez szereg przetworników akustycznych. Metoda wykorzystuje elektrodynamiczne głośniki akustyczne rozmieszczone wokół badanego przedmiotu w celu zapewnienia jednolitego, dobrze kontrolowanego, bezpośredniego pola dźwiękowego na powierzchni badanego urządzenia. System wykorzystuje przetworniki akustyczne o wysokich możliwościach, potężne wzmacniacze audio, wąskopasmowy kontroler MIMO (multiple input-multiple-output) oraz precyzyjne mikrofony laboratoryjne do stworzenia środowiska akustycznego, które może symulować dźwięk helikoptera, samolotu, silnika odrzutowego lub rakiety nośnej pole ciśnieniowe . System wysokiego poziomu jest w stanie osiągnąć ogólny poziom ciśnienia akustycznego w zakresie 125–147 dB przez ponad minutę w zakresie częstotliwości od 25 Hz do 10 kHz.

Przegląd

Bezpośrednie pole jest generowane przez przetworniki audio rozmieszczone tak, aby otaczały badany artykuł. Do przeprowadzenia bezpośredniego testu w terenie można zastosować dwa różne schematy kontroli. Jedna metoda, znana jako jedno wejście-pojedyncze-wyjście lub SISO, wykorzystuje pojedynczy sygnał sterujący do wszystkich przetworników akustycznych z wieloma mikrofonami kontrolnymi uśrednionymi w celu uzyskania pomiaru kontrolnego. Ta metoda wytworzy zestaw skorelowanych fal płaskich, które mogą łączyć się, tworząc zmiany o dużej wielkości, tworząc lokalne fluktuacje na powierzchni badanego przedmiotu. Można doświadczyć wahań natężenia do +/-12dB. Druga metoda, znana jako MIMO, wykorzystuje wiele niezależnych sygnałów sterujących do sterowania wieloma niezależnymi lokalizacjami mikrofonów. Ta metoda daje bardziej nieskorelowane pole, które jest znacznie bardziej jednorodne niż pole SISO. Zmiany wielkości w zakresie +/-3dB są typowe przy stosowaniu sterowania MIMO.

Technika wykorzystuje normalne padające fale płaskie w ukształtowanym spektrum hałasu akustycznego, aby oddziaływać bezpośrednio na wszystkie eksponowane powierzchnie testowanego artykułu bez zewnętrznych odbić granicznych. W zależności od geometrii badanego przedmiotu może to powodować zmiany wielkości na powierzchniach z powodu różnic fazowych między falami płaskimi. W przypadku przedmiotów testowych o dużej powierzchni i małej gęstości różnica faz może wzbudzać mody struktury pierwotnej w inny sposób niż w bardziej konwencjonalnych testach pola pogłosowego . Tę fundamentalną różnicę i jej wpływ na konstrukcję należy porównać z zaletami metody DFAT.

Przewagą testów DFAT nad testami pogłosowymi jest przenośność systemu DFAT. Pozwala to na transport sprzętu testowego w dowolne miejsce, konfigurację, kalibrację, użycie do przeprowadzenia testu akustycznego o wysokim natężeniu, a następnie usunięcie go z miejsca testowego. Cały proces od załadunku do rozładunku można przeprowadzić w nie więcej niż 4 dni w przypadku dużego satelity lub podobnej konstrukcji lotniczej. System testowy wykorzystuje podejście „bloków konstrukcyjnych” do tworzenia kombinacji sprzętu w celu spełnienia wymagań środowiskowych. Systemy zazwyczaj obejmują ponad 500 głośników, ponad 2 miliony watów wzmacniacza, co najmniej 8 do 16 mikrofonów sterujących oraz system kontroli akustycznej MIMO i akwizycji danych w pętli zamkniętej. Podejście oparte na mobilności i „blokach konstrukcyjnych” pozwala dostosować tę metodę do każdej aplikacji i zapewnić bardziej terminowe i opłacalne rozwiązanie testowe. Ta metoda może być również przydatna do testowania przedmiotów, które są zbyt duże, aby zmieścić się w tradycyjnej akustycznej komorze pogłosowej.

Proces

Proces wymaga transportu i montażu koła głośnikowego wokół badanego artykułu. Wielkość koła zależy od wielkości badanego artykułu. Ogólnie wymagane jest koło o średnicy 12 stóp (3,7 m) większe i o 4 stopy (1,2 m) wyższe niż przedmiot testowy. Układ powinien unikać symetrii, aby zmniejszyć możliwość niekorzystnego sprzężenia fal płaskich. Artykuł testowy można zamontować na platformie lub zawiesić. Do sterowania za pomocą metody SISO lub MIMO powinno być używanych wiele mikrofonów, od ośmiu do szesnastu. Mikrofony należy rozmieścić losowo wokół badanego artykułu. Odległość od powierzchni przetworników do powierzchni mikrofonów sterujących powinna wynosić 1,0–1,5 metra (3,3–4,9 stopy). Odległość między mikrofonami kontrolnymi a powierzchnią badanego przedmiotu powinna wynosić 0,5–0,75 metra (1,6–2,5 stopy). Wysokość mikrofonów kontrolnych powinna być wyśrodkowana w połowie wysokości elementu testowego i losowo zmieniać się w górę iw dół o około jedną ósmą wysokości elementu testowego. Orientacja mikrofonów pola swobodnego w układzie testowym DFAT nie jest krytyczna. Jednak odbicia od przedmiotu testowego można zminimalizować, ustawiając mikrofon w kierunku źródła dźwięku z kątem padania 0 stopni. Większość współczesnych mikrofonów do pomiaru jakości w polu swobodnym jest fabrycznie dostosowana do kompensacji kąta padania. Zjawisko to jest najbardziej widoczne przy wysokich częstotliwościach, powyżej 10 kHz dla mikrofonu 1/4" i jest odwrotnie proporcjonalne do średnicy membrany mikrofonu.

Głośniki są napędzane przez serię wzmacniaczy audio, które są zwykle zasilane przez przenośny generator diesla. System jest bezpiecznie i dokładnie kontrolowany przez system kontroli ze sprzężeniem zwrotnym w zamkniętej pętli, który może być użyty do ograniczenia i/lub przerwania testu w przypadku wykrycia stanu nadmiernego testu.

Test wstępny jest zwykle wykonywany za pomocą symulatora, aby potwierdzić, że można osiągnąć określony ogólny poziom ciśnienia akustycznego i widmo. Test wstępny służy również do weryfikacji wszelkich specjalnych funkcji kontrolnych, takich jak; tolerancje przerwania, granice odpowiedzi, kształtowanie pola i procedury awaryjnego wyłączania. Odpowiedzi mikrofonów należy następnie zbadać, aby ocenić wynikowe pole pod kątem jednorodności, spójności i, jeśli jest to możliwe, odpowiedzi strukturalnej. Następnie symulator zostaje zastąpiony rzeczywistym przedmiotem testowym w kręgu głośników i proces testowy jest powtarzany.

Cała operacja jest zwykle zakończona w ciągu czterech dni, a artykuł testowy wymaga tylko jednego z tych dni. Cały sprzęt jest dostarczany do obiektu testowego, montowany, wstępnie testowany i sprawdzany pod kątem działania przed testowaniem artykułu przeznaczonego do lotu. Artykuł lotniczy jest zwykle wymagany tylko na jeden dzień testów, w zależności od złożoności planu testów. Po zakończeniu próby w locie artykuł jest usuwany, a cały sprzęt jest demontowany i transportowany z miejsca zdarzenia.

Cechy
  • Przenośność: można ustawić prawie wszędzie
  • Modułowość: dostosowuje się do wielu konfiguracji
  • Sterowalność: bezpieczna, powtarzalna kontrola w czasie rzeczywistym
  • Kontrola wąskopasmowa: może zapewnić kontrolę zgodnie ze specyfikacją zdefiniowaną przy stałych, wąskopasmowych (~ 3 Hz) przyrostach od 25 do 10 kHz
  • Ograniczanie odpowiedzi: limit wartości SPL, przyspieszenia, siły lub odpowiedzi na stres
  • Zabezpieczenie przed nadmiernym testem: przerwanie przy wartości szczytowej lub wartości skutecznej wejściowej

Możliwości

Wygoda, niski koszt i mobilność tej metody odróżniają ją od konwencjonalnych testów i są głównymi powodami jej rosnącej popularności. Metoda jest wygodna, ponieważ cały wymagany system dźwiękowy, wytwarzanie i dystrybucja energii oraz sprzęt do zbierania danych i sterowania są dostarczane na miejsce testowe. Sprzęt jest zwykle wynajmowany na każde wydarzenie testowe. Nie ma dużych inwestycji w obiekt, sprzęt lub personel wymagany ze strony klienta. Preferowanym źródłem zasilania jest generator diesla, który zapewnia czystą energię elektryczną na miejscu w spójnej konfiguracji do podłączenia do sprzętu dystrybucji energii MSI. Eliminuje to zapotrzebowanie na duże ilości energii z obiektu testowego. Ponadto testy można przeprowadzić przy znacznie niższych kosztach w porównaniu z instalacją, obsługą i konserwacją bardziej standardowego systemu komór akustycznych o dużym natężeniu pogłosu. Wreszcie mobilność pozwala na wykonanie tej metody testowej w niemal dowolnym czasie i miejscu w ramach normalnej integracji artykułów testowych i przebiegu testów. Sprzęt testowy jest całkowicie przenośny i nie jest wymagany żaden specjalny obiekt ani infrastruktura.

Chronologia zasobów

  1. Pomiar współczynników korelacji w polach dźwiękowych pogłosu, Cook, Waterhouse, Berendt, Edelman, Thompson, J-ASA, tom 27, nr 6, 11/11/1955
  2. Rozwój dźwiękowych testów środowiskowych, John Van Houten, IEST, 1966
  3. Połączone obciążenia, wibracje i testy modalne statku kosmicznego QuickScat, Scharton(JPL), Vujcich(Ball), 18th ATS, 3/16-18/1999
  4. Combining Spacecraft Vibration & Acoustic Tests, Terry Scharton, S/C & L/V Dynamic Environments Workshop, czerwiec 1999
  5. Direct, Near-Field Acoustic Tests, Larkin & Tsoi, S/C & L/V Dynamic Environments Workshop, czerwiec 1999
  6. Spójność pogłosowych pól dźwiękowych, Jacobson & Rosin, J-ASA, tom 108, nr 1, 21.03.2000
  7. Bezpośrednie testy akustyczne w pobliżu pola w Orbital Sciences Corporation, Paul Larkin, IEST/ESTECH 2000, maj 2000
  8. Direct Near-Field Acoustic Testing – Update, Larkin, S/C & L/V Dynamic Environments Workshop, czerwiec 2000
  9. Bezpośredni test akustyczny statku kosmicznego QuickSCAT, D. Anthony, T. Scharton, A. Leccese, SAE/AIAA World Aviation Congress, 19/19-21/00
  10. Direct, Near Field Acoustic Testing, Larkin & Whalen, SAE/AIAA World Aviation Congress, 19/19-21/00
  11. Innowacyjna metoda badań akustycznych dla szybszego, lepszego, tańszego środowiska, Paul Larkin, 19. seminarium testowe w przemyśle lotniczym, październik 2000 r.
  12. Direct Near-Field Acoustic Testing – Work-in-Progress, Paul Larkin, S/C & L/V Dynamic Environments Workshop, czerwiec 2001
  13. High Intensity Acoustics Testing, IEST-RP-DTE040.1, Instytut Nauk o Środowisku i Technologii, styczeń 2003.
  14. Sterowanie systemem głośników akustycznych w komorze pogłosowej, Paul Larkin i Dave Smallwood, 21. Seminarium Testów Lotniczych, październik 2003
  15. Prostokątna kontrola systemów Muli-Shaker: teoria i niektóre praktyczne wyniki, Underwood i Keller, Spectral Dynamics, Inc., San Jose, CA, 2003
  16. Nota operacyjna JAGUAR Random Acoustic Control and Analysis, 2560-0122/A, Spectral Dynamics, Inc., San Jose, CA, 2003
  17. Direct Field Acoustic Test and Simulation Analysis, Fred Hausle, Steve Johnston, John Stadille, S/C & L/V Dynamic Environments Workshop, czerwiec 2004
  18. Sterowanie systemem głośników akustycznych w komorze pogłosowej, Paul Larkin i Dave Smallwood, 21. Seminarium Testów Lotniczych, 21.10.2004
  19. Direct Acoustic Verses Reverberant Testing of the Cloud Profiling Radar Instrument, Michael O'Connell & Fred Hausle, S/C & L/V Dynamic Environments Workshop, czerwiec 2005
  20. Direct Field and Reverberant Chamber Test Acoustic Test Comparisons, Michael O'Connell, S/C & L/V Dynamic Environments Workshop, czerwiec 2007
  21. Investigations Toward Development of Standard Practices for Direct Field Acoustic Testing, Michael B. Van Dyke, 24th Aerospace Testing Seminar, kwiecień 2008
  22. Toward Development of Standard Practices in Direct Field Acoustic Testing, Michael B. Van Dyke, S/C & L/V Dynamic Environments Workshop, czerwiec 2008.
  23. Direct Field Acoustic Testing, Paul Larkin i Bob Goldstein, 25. konferencja AIAA/Space Simulation, październik 2008.
  24. Direct Field vs Reverberant Field Acoustic Testing, Gordon Maahs, warsztaty dotyczące dynamicznych środowisk statków kosmicznych i pojazdów startowych, czerwiec 2009 r.
  25. Bezpośredni test akustyczny pola (DFAT) — zalecane praktyki, Paul Larkin, warsztaty dotyczące dynamicznych środowisk statków kosmicznych i pojazdów nośnych, czerwiec 2009 r.
  26. Akustycznie indukowane wibracje konstrukcji, pogłosowe vs. bezpośrednie testy akustyczne, Koliani, O'Connell, Tsoi, 25th Aerospace Testing Seminar, październik 2009.
  27. Direct Field Acoustic Test – Rekomendowana praktyka, Larkin i Goldstein, 25th Aerospace Testing Seminar, październik 2009.
  28. Direct Field Acoustic Test (DFAT), Paul Larkin, AIAA/Working Group on Dynamic Space Simulation, maj 2010.
  29. Direct Field vs. Reverberant Field DFAT, Larkin i Maahs, SC & LV Dynamic Environments Workshop, czerwiec 2010.
  30. Ostatnie osiągnięcia w bezpośrednich testach akustycznych w terenie, Larkin i Goldstein, 26. Konferencja symulacji kosmicznych. październik 2010.
  31. Direct Field Acoustic Testing of a Flight System: Logistics, Challenges and Results, Babuska, Gurule, Skousen, Stasiunas, 81. sympozjum wstrząsów i wibracji, październik 2010 r.
  32. Analityczne modelowanie pola akustycznego podczas testu akustycznego pola bezpośredniego, Mesh, Rouse, Stasiunas, 26th Aerospace Testing Seminar, marzec 2011.
  33. Small Direct Field Acoustic Noise Facility, Saggini, Tiani, Ribour, Poulain, Herzog, 26th Aerospace Testing Seminar, marzec 2011.
  34. Testowanie akustyczne sprzętu lotniczego za pomocą głośników: ile wiemy o tej metodzie , Kolaini i Kern, 26. Seminarium Testów Lotniczych, marzec 2011 r.
  35. Zagadnienia związane z testami kwalifikacji akustycznej sprzętu do dużych lotów, Kolaini, Kern i Perry, 26. Seminarium Testów Lotniczych, marzec 2011 r.
  36. Zmienność przestrzenna spowodowana interferencją fal akustycznych w testach akustycznych pola bezpośredniego z pojedynczym napędem, VanDyke i Peters, 26. seminarium testowe w przemyśle lotniczym, marzec 2011 r.
  37. Small Direct Field Acoustic Noise Test Facility, Saggini, Tiani, Ribour, Poulain i Herzog, 26. Seminarium Testów Lotniczych, marzec 2011.
  38. Direct Field Acoustic Testing (DFAT) Zalecana praktyka (RP) Development, Foss i Larkin, IEST/ESTECH 2011, maj 2011.
  39. Prognozy wibroakustyczne: bezpośrednie pola akustyczne a pogłosowe, Ali Kolaini, SC & LV Dynamic Environments Workshop, czerwiec 2011.
  40. MIMO Acoustic Control for DFAT, Larkin and Spicer, SC & LV Dynamic Environments Workshop, czerwiec 2011.
  41. Czasowa ocena jakości danych DFAT, Levi Smith, IEST/ESTECH 2012, maj 2012.
  42. Używanie różnicy wąskopasmowej jako metryki porównawczej dla pól akustycznych, Clinton Maldoon, IEST/ESTECH 2012, maj 2012.
  43. Bezpośredni test akustyczny statku kosmicznego RBSP, Gordon Maahs, 27. Seminarium Testów Lotniczych, październik 2012 r.
  44. Status bezpośrednich badań akustycznych w terenie, Hayes i Larkin, 27. Seminarium Testów Lotniczych, październik 2012 r.
  45. Niektóre pytania dotyczące aspektów testów akustycznych i obiektów testowych, Arloe Wesley Mayne III, 27. Seminarium Testów Lotniczych, październik 2012 r.
  46. Experiences in Performing a High-Intensity, Direct Field Acoustic Test on a Contamination-Sensitive System, Stasiunas, Babuska i Skousen, 27th Aerospace Testing Seminar, październik 2012.
  47. Impact of Acoustic Standing Waves on Structural Responses: Reverberant Acoustic Testing (RAT) vs. Direct Field Acoustic Testing (DFAT), Kolaini, Doty i Chang, 27th Aerospace Testing Seminar, październik 2012.
  48. Dalszy rozwój za pomocą MIMO Acoustic Control for DFAT, Paul Larkin, 27. konferencja Space Simulation, listopad 2012 r.