基于FE-SEA混合法的機艙內中頻噪聲預測技術

(寶雞文理學院 物理與光電技術學院，陜西 寶雞 721016)

0 引言

機艙舒適性是評價飛機乘坐安全性及可靠性的重要指標，而機艙內的基礎噪聲水平，則是對乘坐舒適性產生直接影響的物理因素。受到飛行環(huán)境等條件的限制，飛機艙室的結構形式相對較為復雜，噪聲源物質種類較多，聲音在傳播過程中所觸及的任何物質，都可能對原始噪聲信號產生一定程度的放大促進作用。結合現(xiàn)有信息資料可知，存在于機艙內的噪聲信號大多表現(xiàn)為中頻噪聲，這類噪聲主要由機械設備旋轉或軸承零件的振動產生，在一定強度作用下，可推動接觸面或附著面上的物體發(fā)生滑移現(xiàn)象，進而觸發(fā)一定強度的干擾性聲響[1]。根據(jù)國家參考標準可知，中頻噪聲的振蕩頻率處于70～350 Hz之間，其中超過200 Hz的噪聲會對人體聽覺系統(tǒng)造成損傷性影響，而低于200 Hz的噪聲則被定義為安全性中頻噪聲。

為建立更加舒適的機艙乘坐環(huán)境，現(xiàn)有處理技術借助SEA方法統(tǒng)計原始噪聲中的頻段共節(jié)點數(shù)量，再根據(jù)噪聲腔子系統(tǒng)內預測孔洞的分布狀態(tài)，確定中頻噪聲對整個機艙體結構的影響控制作用。但隨著機艙中頻噪聲振蕩頻率的不斷提升，人工頻段波的統(tǒng)計分析精度始終不能達到預期標準水平。為解決上述問題，引入FE-SEA混合法，在機艙子系統(tǒng)重新劃分建模的基礎上，密封所有已存在的中頻孔洞，再根據(jù)預應連接標準，確定該方法對于機艙內中頻噪聲預測量的控制能力水平。最后模擬中頻噪聲在機艙內的傳輸行為，根據(jù)噪聲振蕩頻率的變換情況，確定這種新型預測手段對頻段波精確分析的促進效果。

1 FE-SEA混合法建模

FE-SEA混合法是機艙內中頻噪聲預測技術實現(xiàn)的基礎環(huán)節(jié)，按照原理參數(shù)獲取、機艙子系統(tǒng)劃分的處理流程，其具體建模操作方法如下。

1.1 基本原理參數(shù)獲取

(1)

其中:p代表機艙內的最大中頻噪聲流量條件，δ代表FE-SEA混合原理的“確定”性約束分子，w1、w0代表兩個不同的中頻噪聲頻段提取節(jié)點向量，e、r分別代表兩個不同的冪次項提取數(shù)值，i代表FE-SEA混合法的常性建模向量，u代表目標噪聲頻段的基參數(shù)，e、γ分別代表最大和最小的中頻噪聲節(jié)點數(shù)據(jù)。

1.2 機艙子系統(tǒng)劃分及建模

在FE-SEA混合法的約束作用下，機艙環(huán)境應該滿足Y-7結構的搭建原理，除保留必要的聲學傳播組織外，還需要在兩端的噪聲腔之間，設置一個獨立的頻段共聚區(qū)域，用于抑制由孔洞密封不完全而產生的中頻振蕩頻率攀升行為，如圖1所示。

圖1 FE-SEA混合法中的飛機艙室

由圖1可知，滿足中頻噪聲預測原理飛機艙室的頻段共聚區(qū)域必須位于兩條頻段共節(jié)帶之間，且每條頻段共節(jié)帶上都應具有相同數(shù)量的篩查共節(jié)點。隨著飛機航行時間的增加，整個艙室始終保持勻速傳輸?shù)倪\動狀態(tài)，兩端中頻噪聲腔內的噪聲元素大量累計，迫使頻段共聚區(qū)域及頻段共節(jié)帶出現(xiàn)相同的微振動行為，而在此過程中，頻段共節(jié)帶內的篩查共節(jié)點不斷移動，直至整個腔體結構內的所有中頻噪聲信號均達到標準化分布狀態(tài)。

機艙子系統(tǒng)是以FE-SEA混合法飛機艙室作為理論基礎的建模結構，在遵從FE-SEA混合法飛機艙室模型結構的基礎上，增添了下級噪聲腔及子體空隙腔，可在維持原有機艙中頻噪聲振蕩頻率的基礎上，充分過濾其中的峰值及谷值篩查節(jié)點，進而使所有共節(jié)點噪聲量能夠完全貼合FE-SEA混合法的應用需求標準[3]。

分析圖2所示的機艙子系統(tǒng)建模結構可知，F(xiàn)E-SEA混合法飛機艙室中的噪聲腔對應子系統(tǒng)中的子頻率噪聲腔，頻段共聚區(qū)域對應機艙噪聲信號聚合子區(qū)域，頻段共節(jié)帶對應子系統(tǒng)共節(jié)帶，篩查共節(jié)點對應噪聲共節(jié)點。隨著FE-SEA混合法的應用，下級噪聲腔與字體空隙腔可聯(lián)合整個機艙子系統(tǒng)建模結構，在妥善處置機艙內中頻噪聲信號的同時，根據(jù)頻段共節(jié)點的篩查情況，實施后續(xù)的空洞密封與預測處理行為。

圖2 機艙子系統(tǒng)建模結構

2 機艙中頻噪聲預處理

遵照FE-SEA混合法建模原理，篩查噪聲頻段中的共節(jié)點，再通過密封中頻孔洞的方式，建立完整的噪聲腔子系統(tǒng)，最后根據(jù)預應連接的生成步驟，實現(xiàn)機艙中頻噪聲的基礎預處理。

2.1 頻段共節(jié)點篩查

頻段共節(jié)點篩查的處理對象為整個FE-SEA混合法飛機艙室，需要在確保中頻噪聲源保持穩(wěn)定振動的基礎上，查探連接零件間的搭載方式，進而使預測主機能夠完整獲取噪聲頻段的共節(jié)點識別數(shù)據(jù)，復原被頻段波振蕩行為更改的共節(jié)點頻段接入狀態(tài)[4]。常見的頻段共節(jié)點篩查手段分為平滑篩查(如圖3)和覆蓋篩查(如圖4)兩類(出于保密性考慮，除了必要位置外，其它機艙結構不能得到清晰展示)。

圖3 頻段共節(jié)點平滑篩查原理

圖4 頻段共節(jié)點覆蓋篩查原理

頻段共節(jié)點平滑篩查主要發(fā)生在機艙內的中頻噪聲交匯處，即機艙拐角連接處。篩查前的連接表面相對較為粗糙，極利于中頻噪聲信號的粘連或附著，可加重噪聲預測過程中誤差回聲波所占比重。篩查后的連接表面相對較為光滑，不合理附著的于中頻噪聲信號得到有效清除，對穩(wěn)定機艙內的噪聲振蕩頻率起到極強促進作用。

頻段共節(jié)點覆蓋篩查主要發(fā)生在機艙內中頻噪聲的遍布分置區(qū)域內，即機艙的彎曲表面。篩查前的連接表面被大量誤差中頻噪聲信號占據(jù)，導致機艙內噪聲振蕩頻率不斷提升，引發(fā)了嚴重的信號量錯誤傳輸行為。篩查后連接表面的誤差中頻噪聲信號得到有效清除，機艙內噪聲振蕩頻率在短時間內回歸理想數(shù)值水平，有助有后續(xù)中頻孔洞密封操作的實施。

2.2 中頻孔洞密封

中頻孔洞是機艙內噪聲參量的唯一傳輸通道，在FE-SEA混合法處于持續(xù)實施應用的條件下，這些中頻孔洞會隨噪聲振蕩頻率的增加，而呈現(xiàn)持續(xù)擴張的變化趨勢，最終導致整個機艙環(huán)境中的中頻噪聲分子總數(shù)不斷提升，使噪聲腔子系統(tǒng)中的頻段波開始產生壓力形變量。而中頻孔洞密封則是緩解頻段波形變量，控制機艙環(huán)境內中頻噪聲分子分子總數(shù)的有效手段[5]。組成機艙體結構的板材大多保持良好的聲腔包絡性，其中一部分板件內部已經具有一定數(shù)量的中頻孔洞，例如艙門隔板等。這些中頻機艙孔洞的密封應以填補空隙作為主要操作，一方面可在傳輸噪聲信息的同時，形成完全密閉的聲腔包絡結構，另一方面也能促進待篩查共節(jié)點快速形成頻段組織。

圖5 機艙內中頻噪聲孔洞密封原理

2.3 噪聲腔子系統(tǒng)建立

噪聲腔子系統(tǒng)是FE-SEA混合法飛機艙室結構的分支屬性模型，由儀表板中頻實體、中通實體、行李架實體、艙門實體等多個物理結構共同組成，如表1所示。其中，一個行李架實體分別對應左右行李傳輸、左右構架傳輸、左右控制傳輸三類中頻噪聲類型，在FE-SEA混合法作用下，可形成6個符合預測需求的噪聲腔子系統(tǒng)。艙門實體分別對應左右前艙門傳輸、左右后倉門傳輸兩類中頻噪聲類

表1 機艙內中頻噪聲腔子系統(tǒng)匯總表

型，在FE-SEA混合法作用下，可形成4個符合預測需求的噪聲腔子系統(tǒng)。艙內前部實體分別對應頭部傳輸、腰部傳輸、腳部傳輸三類中頻噪聲類型，在FE-SEA混合法作用下，可形成6個符合預測需求的噪聲腔子系統(tǒng)。艙內后部實體分別對應頭部傳輸與尾部傳輸兩類中頻噪聲類型，在FE-SEA混合法作用下，可形成4個符合預測需求的噪聲腔子系統(tǒng)。

2.4 預應連接的生成

預應連接是判斷FE-SEA混合法在機艙噪聲腔子系統(tǒng)內實施有效性的重要指標，完整的生成過程需要SEA接線等物理成分的共同配合。為保證頻段波的穩(wěn)定傳輸，滿足中頻噪聲預測標準的機艙子系統(tǒng)應保持良好的規(guī)范性連接狀態(tài)，即每一個處于起點位置的頻段共節(jié)點都應連接多條SEA接線，在傳輸噪聲參量的過程中，這些接線組織間可以存在覆蓋或交叉行為，但所有接線最終只能回歸處于終點位置的頻段共節(jié)點，且不能在節(jié)點處繼續(xù)保持覆蓋或交叉屬性[6]。

圖6中的所有連接線都屬于SEA接線組織，被標注的空心圓結構都是頻段共節(jié)點。分析圖中接線的連接趨勢可知，在預應連接過程中，中頻噪聲的SEA接線并不一定始終保持直線傳播狀態(tài)，也會隨機艙結構的變化，而出現(xiàn)一定弧度的圓周傳播行為。

圖6 直升機艙內中頻噪聲的預應連接路徑

3 FE-SEA混合法對噪聲預測的控制

在機艙中頻噪聲預處理流程的支持下，確定頻段精度條件與子系統(tǒng)穩(wěn)定性，在確保噪聲損耗因子不超過理想限度條件的基礎上，統(tǒng)一信號參量的傳輸路徑，確定FE-SEA混合法對機艙內中頻噪聲預測控制結果的影響強度。

3.1 頻段精度

頻段精度是指機艙頻段波在FE-SEA混合法作用下，對中頻噪聲信號所表現(xiàn)出來的承載限度條件。按照中頻噪聲在機艙內的傳輸特性來看，完成篩查的共節(jié)點和未完成篩查的共節(jié)點可存在于同一條頻段結構內部，且隨著FE-SEA混合法應用時間的不斷延長，這些共節(jié)點組織會出現(xiàn)明顯的兩極化趨近行為，即所有完成篩查的共節(jié)點組織趨近頻段結構的一端，未完成篩查的共節(jié)點組織趨近頻段結構的另一端[7]。在此操作執(zhí)行的過程中，頻段結構的承載勁度k始終保持不變，利用該條權限性屬性，可將機艙內中頻噪聲頻段的預測精度條件表示為：

(2)

3.2 子系統(tǒng)穩(wěn)定性

子系統(tǒng)穩(wěn)定性是指在處理中頻噪聲信號時，機艙所具有的最高預測水平承載等級，可隨共節(jié)點所處頻段精度數(shù)值的改變而出現(xiàn)一定程度的增大或減小。隨著FE-SEA混合法應用時間的增加，機艙建模結構中的下級噪聲腔物理范圍不斷擴大，直至字體空隙腔能夠完全容納一條獨立的共節(jié)點頻段組織[8]。而在此過程中，中頻噪聲的原始振蕩幅值h0與預期振蕩時間t′均保持不變，聯(lián)立公式(2)可將機艙子系統(tǒng)的穩(wěn)定性數(shù)值參量表示為：

(3)

其中:H代表與中頻噪聲共節(jié)點原始振蕩行為相關的指向性參數(shù)，T代表預期振蕩過程中的時間行為標量。

3.3 噪聲損耗因子

噪聲損耗因子是影響機艙內中頻參量預測精確性的唯一指標，在短時間內可出現(xiàn)偏離原始數(shù)據(jù)結果的物理行為，但這種變化必須以FE-SEA混合法的施加程度作為參考標準。通常情況下，F(xiàn)E-SEA混合法的高水平施加，會導致噪聲損耗因子量的持續(xù)上升；FE-SEA混合法的低水平施加，會導致噪聲損耗因子量的持續(xù)下降[9]。故確定噪聲損耗因子的原始數(shù)值結果，是提升機艙內中頻噪聲預測準確性的有效手段。

3.4 傳輸路徑

傳輸路徑確定是機艙內中頻噪聲預測處理的末尾應用環(huán)節(jié)，在FE-SEA混合法的促進下，機艙發(fā)動機、前懸架及后懸架都會出現(xiàn)明顯的振動激勵行為。而前縱梁、前指梁、前柱體、后縱梁、后橫梁、后柱體中原始存在的中頻噪聲共節(jié)點會快速集合在一條頻段組織內，進而加速噪聲參量在其它機艙設備中的傳輸速率[10]。最終將這些已具備預測能力的頻段共節(jié)點整合到獨立的子系統(tǒng)聲腔結構中，實現(xiàn)一次完整的機艙內中頻噪聲預測處理操作。

圖7 機艙內中頻噪聲的預測傳輸路徑

4 檢測應用分析

聯(lián)合SEA方法與FE-SEA混合法，在相同實驗平臺中，模擬飛機的航行狀態(tài)，分別對兩組機艙施加相同影響效果的噪聲波，其中前者作為對照組、后者作為實驗組。截取其中符合中頻要求的噪聲波頻段，將各項監(jiān)測指標輸入相同分析軟件中，根據(jù)軟件結構的物理分析結果，確定實驗組、對照組機艙內中頻噪聲振蕩頻率的變化情況。

4.1 頻段波分析環(huán)境

利用虛擬控制軟件模擬飛機的航行狀態(tài)，再利用噪聲制造儀器對模擬飛機施加一定程度的噪聲波，借助傳輸導線連接兩臺操作主機。觀察聲波主機中噪聲頻段的變化情況，截取完整的中頻影響區(qū)間，再利用監(jiān)測軟件記錄模擬主機中機艙噪聲振蕩頻率在該段時間內的變化數(shù)值。改變監(jiān)測記錄方法，分別獲取實驗組、對照組的真實操作數(shù)值。

圖8 頻段波監(jiān)測環(huán)境

4.2 機艙中頻噪聲振蕩頻率比對

振蕩頻率是反應機艙中頻噪聲頻段波分析精度的重要因素，在不發(fā)生外力干擾的情況下，機艙中頻噪聲振蕩頻率越低，頻段波分析精度越趨于穩(wěn)定；機艙中頻噪聲振蕩頻率越高，頻段波分析精度的動蕩行為越明顯。改變接入監(jiān)測軟件中的影響方法，確定實驗組、對照組機艙中頻噪聲振蕩頻率的具體變化情況，如圖9所示。

圖9 機艙中頻噪聲振蕩頻率對比圖

按照由上至下的順序，圖9中曲線依次代表對照組機艙中頻噪聲振蕩頻率、理想機艙中頻噪聲振蕩頻率、實驗組機艙中頻噪聲振蕩頻率。前30 min的監(jiān)測時間內，三條曲線基本呈現(xiàn)逐漸上升的變化趨勢，30～60 min內，機艙中頻噪聲振蕩頻率開始逐漸下降，60 min后，曲線變化狀態(tài)基本保持穩(wěn)定。分析圖9可知，理想機艙中頻噪聲振蕩頻率最大值可達132 Hz，但實驗組機艙中頻噪聲振蕩頻率僅達到100 Hz，與理想極值相比下降了32 Hz，對照組機艙中頻噪聲振蕩頻率達到145 Hz，與理想極值相比上升了13 Hz，更遠高于實驗組數(shù)值水平。綜上可認為，基于FE-SEA混合法的機艙內中頻噪聲預測技術可穩(wěn)定降低噪聲信號的振蕩頻率，使頻段波分析精度在一段監(jiān)測時間內始終保持穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結束語

隨著FE-SEA混合法的應用，機艙子系統(tǒng)得到有效的規(guī)劃建模處理，而頻段共節(jié)點在此條件下，密封了所有中頻孔洞，并根據(jù)噪聲腔的的建立標準，完善了預應連接的生成要求。從預測控制的角度來看，頻段精度得到精確細化，并且可以在提升子系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，減少噪聲損耗因子的實施用量，最終完善中頻噪聲信號在機艙環(huán)境內的傳輸路徑。從實際監(jiān)測效果的角度來看，中頻噪聲振蕩頻率出現(xiàn)明顯降低，從根本上解決了機艙噪聲頻段波分析精度過于動蕩的問題。