許瑋健，楊明綏，武卉，王萌，梁寶逵

中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽 110015

湍流控制屏是保障航空發(fā)動機及風扇部件噪聲測試與研究的關(guān)鍵設備，其功用主要是對地面進氣中存在的渦流進行整流，消除渦流與風扇干涉誘發(fā)的二次噪聲，模擬發(fā)動機或風扇部件在飛行狀態(tài)下的噪聲特性[1]。國外相關(guān)資料表明，在進行發(fā)動機或風扇地面噪聲試驗時，如果不使用湍流控制屏會導致葉片離散噪聲比真實值高10 dB以上，不能真實模擬發(fā)動機或風扇在空中飛行時的噪聲特性。因此，在發(fā)動機或風扇進行地面試驗時，需要使用湍流控制屏來消除“虛假”噪聲。同時由于湍流控制屏復雜的結(jié)構(gòu)特征，會使發(fā)動機或風扇噪聲向遠場傳播時產(chǎn)生傳遞損失[1]，使得遠場噪聲試驗結(jié)果無法真實模擬發(fā)動機或風扇的噪聲特性。因此，對湍流控制屏進行聲學校準，對于發(fā)動機/風扇遠場噪聲試驗評估及風扇部件低噪聲設計等問題具有重要意義。

湍流控制屏一般由厚度1 mm左右的穿孔板與壁厚0.5～0.1 mm的蜂窩結(jié)構(gòu)構(gòu)成，進氣湍流在通過湍流控制屏時會迅速衰減，達到抑制“虛假”風扇噪聲的效果。并且這種結(jié)構(gòu)不會顯著吸收、衍射或反射發(fā)動機噪聲。國外早在20世紀70年代就開展了大量關(guān)于湍流控制屏機理及工程研制方面的研究。研究內(nèi)容主要涉及以下幾個方面：① 如何采用最好的結(jié)構(gòu)控制進氣湍流產(chǎn)生的二次噪聲？② 如何使用湍流控制屏達到獲取“真實”狀態(tài)下風噪聲特性的目的？③ 如何通過標定獲取湍流控制屏的聲學特性，達到工程領(lǐng)域精確評價風扇或發(fā)動機噪聲的效果等。

1976年NASA[2]試驗室在進行風扇地面噪聲試驗時，發(fā)現(xiàn)不均勻的進氣氣流會使風扇產(chǎn)生額外的噪聲。Hanson[3]利用風扇試驗件，對風扇試驗件在地面試驗狀態(tài)下的進氣湍流開展研究，發(fā)現(xiàn)蜂窩結(jié)構(gòu)能夠?qū)Σ痪鶆虻膩砹鬟M行整流，奠定了湍流控制屏結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)。Shaw等[4]發(fā)現(xiàn)了在湍流控制屏進口位置增加帆布結(jié)構(gòu)可以顯著降低試驗件的遠場葉片通過頻率(Blade Pass Frequency,BPF)噪聲。Koehler[5]基于風扇增壓級試驗件，研究了湍流控制屏對風扇后傳噪聲的影響。研究結(jié)果表明，湍流控制屏對風扇后傳噪聲的影響主要表現(xiàn)在1階BPF噪聲，在不同換算轉(zhuǎn)速下，均可使風扇后傳的1階BPF噪聲降低10 dB。 Jones等[6-11]基于JT15D發(fā)動機，設計、分析了多種構(gòu)型及尺寸的湍流控制屏對發(fā)動機聲學特性的影響。1983年, Homyak等[12]基于此前研究成果，設計了一個造價低廉、更小、更輕、更簡易的湍流控制屏，并通過整機試驗對該湍流控制屏的傳聲特性進行驗證，結(jié)果證明該湍流控制屏的傳聲特性滿足設計要求。NASA試驗室的Woodward和Balombin[13]對比分析了安裝湍流控制屏工況下戶外整機噪聲試驗和消聲室內(nèi)風扇噪聲特性，試驗結(jié)果表明，通過數(shù)據(jù)修正，2種工況下的噪聲試驗結(jié)果重復性較好，驗證了湍流控制屏對發(fā)動機噪聲試驗的必要性和工程可用性?；谝陨涎芯砍晒瑖庠赟AE1848A[14]、ICAO[15]等國際標準中進一步明確了發(fā)動機或風扇地面噪聲試驗過程中使用湍流控制屏的必要性，同時提出了0～10 kHz頻率范圍、露天試車臺(聲學半自由場)條件下湍流控制屏的聲學校準要求。標準中僅提出了湍流控制屏聲學校準的必要性，但在實際工程應用中，湍流控制屏的聲學校準存在著聲源穩(wěn)定性/重復性、溫濕度修正精度、湍流控制屏重復安裝位置偏差等一系列影響湍流控制屏聲學修正值精度的問題，國外鮮有公開資料發(fā)表。國內(nèi)對工程領(lǐng)域的部件級風扇噪聲試驗研究工作剛剛起步，此前由于缺少試驗平臺和相關(guān)試驗硬件設施等基礎(chǔ)條件，對湍流控制屏的研究較為滯后。

工程領(lǐng)域進行風扇部件試驗時，風扇往往縮尺，導致湍流控制屏的工作頻率范圍激增，甚至達到20～40 kHz頻率范圍的超聲頻段。這時會出現(xiàn)聲波波長變短、聲傳播過程中的空氣吸收效果十分顯著、聲學反射和散射現(xiàn)象加劇等一系列新問題。而且全消聲室內(nèi)的聲環(huán)境近似于聲學自由場，湍流控制屏的聲學校準方案應如何調(diào)整，如何準確獲取湍流控制屏的聲學特性，才能保證縮尺風扇部件聲學試驗的研究需求，都是新的技術(shù)難題。2006年，Genoulaz和Julliard[16]在RACE風扇噪聲試驗器上進行了這方面的探索，他們在消聲室內(nèi)利用聲源對湍流控制屏100 Hz～20 kHz 頻率范圍的傳聲特性進行試驗分析，校準結(jié)果顯示：100 Hz～10 kHz時，聲學校準值低于1 dB，10～20 kHz的聲學校準值大于1.5 dB。文中僅給出湍流控制屏100 Hz～20 kHz 頻率范圍的聲學校準值，但并未涉及20～40 kHz的超聲頻段，并未給出湍流控制屏聲學特性的影響因素分析、校準誤差分析、風扇噪聲試驗數(shù)據(jù)修正等用于風扇噪聲精確測試的研究內(nèi)容。

本文基于中國首個自主研制的湍流控制屏，在中國首次開展了湍流控制屏在全消聲室內(nèi)的聲學校準研究。通過結(jié)合工程應用，總結(jié)了工程應用中不同影響因素對湍流控制屏聲學校準精度的影響，分析了160 Hz～40 kHz校準頻率下，湍流控制屏聲學修正量的特征，總結(jié)了工程應用中湍流控制屏高精度聲學校準的注意事項，提出了湍流控制屏的聲學校準應包含測量不確定度，為湍流控制屏的工程校準及應用提供借鑒。

1 湍流控制屏聲學校準原理

基于聲學插入損失原理可實現(xiàn)對湍流控制屏的聲學校準。工程試驗中，校準聲源的尺寸遠小于聲源至受聲點的距離，因此校準聲源可以看成是點聲源，校準原理可以用點聲源入射無限大平板的插入損失表示，如圖1所示。

圖1 點聲源入射無限大平板插入損失的示意圖Fig.1 Schematic of insertion loss for infinite panel at point source incident

(1)

式中：ρ1和ρ2分別為平板和空氣中的聲傳播速度。

假設波矢量在未插入平板前，A點的聲壓為

(2)

式中:k為波數(shù)。插入平板后，A點的聲壓為

p1=pt=

(3)

變換坐標，令

dq1dq2=

qdqdθ，x=dcosφ，y=dsinφ

可以得到

(4)

式中：J0為點聲源輻射的平均聲功率，則點聲源入射無限大平板的插入損失表示為

(5)

2 試驗設備及方法

湍流控制屏的聲學校準在中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所(606所)的風扇/增壓級氣動聲學試驗器完成。利用球聲源作為激勵源，獲取有、無湍流控制屏工況，不同角向位置聲學測點的聲壓級響應特征，對工程試驗條件下湍流控制屏的傳聲特性開展深入研究。

2.1 試驗及測試校準設備

(1)風扇/增壓級氣動聲學試驗器

風扇/增壓級氣動聲學試驗器[17]主要用于開展風扇/增壓級聲學性能試驗測試及評估技術(shù)研究如圖2所示。606所的風扇氣動聲學試驗器占地面積1 150 m2，凈空高14 m，消聲室本底噪聲小于10 dBA、設備空載運行時的本底噪聲低于45 dBA，可滿足160 Hz～40 kHz頻率范圍的噪聲測試，可同時完成228 個聲學動態(tài)信號的記錄及實時處理分析。

圖2 航空發(fā)動機風扇/增壓級氣動聲學試驗器Fig.2 Aero acoustic test facility for aero engine fans

(2)湍流控制屏

湍流控制屏是風扇/增壓級噪聲試驗測試必備的試驗設施。606所自主設計研發(fā)的湍流控制屏，直徑3.8 m，采用246面體設計，可以很好地保證試驗件進氣來流的湍流度，且壓力損失處于很低的水平。湍流控制屏結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 湍流控制屏Fig.3 Turbulence control screen

(3)校準傳感器及聲源設備

校準傳聲器采用B&K公司4191自由場傳聲器，頻率范圍3.15 Hz～40 kHz，聲壓級測試范圍20 ～162 dB。

校準聲源采用高、低頻2個聲源，低頻聲源的穩(wěn)定發(fā)聲頻率為160 Hz～10 kHz；高頻聲源的穩(wěn)定發(fā)聲頻率為8～40 kHz。聲源結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 校準聲源Fig.4 Calibration acoustic source

2.2 校準方案及數(shù)據(jù)處理方法

由于SAE[14]、ICAO[15]等標準中僅給出露天環(huán)境(聲學半自由場)針對整機的湍流控制屏校準需求，而且使用頻率范圍僅為0～10 kHz。因此，需要針對消聲室內(nèi)應用于縮尺風扇部件的湍流控制屏，校準時需考慮聲學自由場的特殊性、風扇縮尺后噪聲頻率范圍激增(可達20～40 kHz超聲頻段)等因素對校準方案及校準結(jié)果的影響等，制定校準方案。

消聲室內(nèi)湍流控制屏聲學校準方案如圖5所示。將校準聲源置于風扇試驗件進口截面，遠場噪聲測點采用弧形陣列布置，以校準聲源位置為中心，每個傳聲器間隔5°，覆蓋角向位置為0°～120°。結(jié)合工程條件，需考慮校準過程中聲源重復性、湍流控制屏安裝位置重復性、測量不確定度、環(huán)境溫濕度等因素對校準的影響。校準試驗如圖6所示。

校準數(shù)據(jù)處理流程如圖7所示。利用快速傅立葉變換方法對校準數(shù)據(jù)進行處理，選取、重疊率50%、平均次數(shù)200 次。平均后的試驗結(jié)果為

圖5 湍流控制屏校準試驗方案Fig.5 TCS calibration test method

圖6 風扇噪聲試驗器和湍流控制屏Fig.6 Aero acoustic test facility and turbulence control screen

圖7 試驗數(shù)據(jù)處理方法Fig.7 Method for experimental data treatment

(6)

式中：Yi為每個Δt傅立葉變換后的頻譜結(jié)果；n為平均次數(shù)。

平均次數(shù)n，重疊率β與所需平均數(shù)據(jù)的總時長T對應關(guān)系為

T=n(1-β)Δt+(1-β)Δt

(7)

根據(jù)ARP866A標準[18]中的空氣弛豫效應理論對校準過程中試驗環(huán)境的弛豫效應進行計算。

3 校準精度影響因素分析

國內(nèi)外可查閱的標準及文獻中，僅針對湍流控制屏聲學校準的方案及聲學修正量特征進行了簡單的闡述，并未結(jié)合實際工程應用，對湍流控制屏的聲學校準精度及不確定度開展研究。

實際工程應用中，湍流控制屏的聲學校準應考慮聲源重復安裝帶來的位置偏差、環(huán)境溫濕度變化、工程試驗中重復安裝湍流控制屏等因素對湍流控制屏聲學修正量的影響。

3.1 測試系統(tǒng)穩(wěn)定性對修正值精度的影響

3.1.1 輸入電壓對校準結(jié)果影響

工程試驗中，受到大型試驗器運轉(zhuǎn)、試驗廠房供電等外界因素的影響，墻壁電源的輸出電壓會在一定范圍內(nèi)波動。當校準聲源和功率放大器接入墻壁電源時，電壓的波動會直接影響校準聲源的發(fā)聲狀態(tài)，進而對湍流控制屏的聲學修正量產(chǎn)生影響。

圖8給出不同角向位置聲學測點在不同輸入電壓v、不同校準頻率f下的聲壓級響應特征。從圖中可以看出，不同校準頻率下，不同角向位置的聲壓級響應特征曲線呈線性趨勢變化。輸入電

圖8 不同頻率下輸入電壓對試驗測試結(jié)果影響Fig.8 Influence of input voltage for test result at different frequencies

壓變化較大時，不同校準頻率、不同角向位置測點的聲壓級變化較大，但不同校準頻率下的變化量與輸入電壓無明顯規(guī)律。從圖中可以看出：微小的輸入電壓(0.6 V)變化也會對不同校準頻率、不同角向位置的聲壓級響應特征產(chǎn)生約0.5 dB的影響。

3.1.2 聲學校準系統(tǒng)重復性對修正值精度的影響

聲學校準系統(tǒng)的重復性也是影響湍流控制屏聲學校準精度的因素之一。圖9給出3次校準工況下(溫濕度、校準聲源位置、輸入電壓等均未發(fā)生變化)，不同角向位置聲學測點的聲壓級響應特征。

從圖9中可以看出：除部分角向位置存在0.1～0.2 dB的偏差外，其余角向位置的聲壓級響應完全一致，說明聲學校準系統(tǒng)重復性對湍流控制屏聲學校準精度的影響可忽略不計。

圖9 低頻聲源重復性試驗Fig.9 Repeatability test on low frequency acoustic source

3.2 聲源位置偏差對校準精度的影響

由于現(xiàn)有技術(shù)條件限制，單個校準聲源無法滿足“160 Hz～40 kHz穩(wěn)定發(fā)聲”要求。因此，校準過程中需對校準聲源進行更換。校準聲源更換時，很難保證聲源重復安裝時位置完全重合，而聲源位置微小的偏差都會對湍流控制屏聲學修正值的精度產(chǎn)生較大的影響。

圖10為校準聲源重復安裝位置偏差對聲學修正量的影響。其中x=0°為校準過程中聲源位置不發(fā)生變化時，湍流控制屏不同角向位置的聲學修正量；x=3°為有、無湍流控制屏工況時，聲源角向位置發(fā)生了3°偏轉(zhuǎn)。

從湍流控制屏的聲學修正量結(jié)果中可以看出，聲源位置偏差會對湍流控制屏的聲學修正量產(chǎn)生較大的影響，且隨著校準頻率的增大，聲源位置偏差對修正量的影響有明顯增大的趨勢。1 000 Hz 時，2種工況下，湍流控制屏聲學修正量的結(jié)果基本重合；隨著校準頻率的增大，聲源位置偏差對修正量的影響逐漸變大，2 500 Hz時，聲源位置偏差對湍流控制屏聲學修正量的影響最大達到4 dB，且修正量的指向性發(fā)生了明顯變化，x=3°工況下相鄰測點的最大差值達到4.5 dB。

圖10 聲源角向位置偏轉(zhuǎn)對試驗結(jié)果影響Fig.10 Influence of acoustic source rotation on test results

上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要是由校準聲源的指向性問題導致。理想情況下，校準聲源應為無指向性聲源，在各方向的聲壓應是相同的，在校準空間內(nèi)可看作點聲源。但實際工程應用中，保證聲源全頻段的無指向性是很難實現(xiàn)的。由于聲源存在指向性，導致聲源位置出現(xiàn)偏差時，湍流控制屏在某角向位置的聲學修正量并不是該角向位置下有、無湍流控制屏試驗結(jié)果的差值。因此，校準試驗中，要保證每次校準結(jié)果是在相同聲源位置和角度下進行，一旦聲源安裝位置和角度發(fā)聲變化，用于校準的數(shù)據(jù)需重新組合。

圖11為x=3°工況有、無湍流控制屏各角向位置聲學測點的聲壓級響應特征。從圖中可以看出，1 kHz時，除部分測點外，有、無湍流控制屏工況下各角向位置聲學測點的聲壓級響應幅值基本重合，且無湍流控制屏工況時，各角向位置的聲壓級響應幅值差別不大。此時，校準聲源近似于無指向性聲源，在此校準頻率下，校準聲源位置發(fā)生微小變化對湍流控制屏聲學修正值的精度影響較??；2.5 kHz時，有、無湍流控制屏工況下，各角向位置聲學測點的聲壓級響應特征出現(xiàn)明顯的“偏移”現(xiàn)象，且有/無湍流控制屏工況下，聲源存在明顯的指向性，某些相鄰角向位置聲壓級幅值的差值超過3 dB。在此校準頻率下，校準聲源的位置發(fā)生微小的變化都會使湍流控制屏的聲學修正量產(chǎn)生較大的誤差。

圖11 聲源發(fā)生3°偏轉(zhuǎn)時有/無湍流控制屏遠場噪聲試驗結(jié)果對比Fig.11 Influence of 3°rotation of acoustic source on for field noise test results with and without turbulence control screen

實際工程應用中，要保證校準聲源是理想的無指向性聲源是很難實現(xiàn)的。因此實際工程校準中，應保證校準過程中校準聲源位置完全一致，避免聲源指向性影響湍流控制屏聲學校準精度。

3.3 湍流控制屏重復安裝帶來的空間位置偏差對修正值的影響

國內(nèi)外可查閱的標準及文獻中，僅針對湍流控制屏聲學校準的方案進行了簡單的闡述。但實際工程應用中，在進行試驗件、試驗件轉(zhuǎn)接段、測試儀表的更換時，都需要對湍流控制屏進行重復的拆卸、安裝。目前國內(nèi)對湍流控制屏的拆卸、安裝仍是通過人工手段進行，安裝位置精度僅能控制在一定范圍之內(nèi)。工程應用中，“湍流控制屏重復安裝，聲學修正量是否仍然適用”，是風扇/增壓級聲學性能精準、量化評估面臨的問題。

圖12中，A、B、C、D距墻壁和湍流控制屏中心的距離是工程中用以確定湍流控制屏安裝位置的指標，分別用x1～x8分別代表A、B、C、D距墻壁和湍流控制屏中心的“實際距離”與“標準距離”的差值。

圖13為2種安裝工況下各角向聲學測點的聲壓級響應特征，2種工況下，湍流控制屏的安裝位置如表1所示。從圖中各角向位置的聲響應特征可以看出，湍流控制屏30 mm的安裝位置偏差會給某些角向位置帶來3 dB的校準偏差，且隨著校準頻率的增大，湍流控制屏位置偏差對各角向位置的聲壓級響應偏差影響有增大的趨勢。

國內(nèi)目前現(xiàn)有的技術(shù)手段僅能將湍流控制屏安裝位置的偏差控制在5 mm之內(nèi)。圖14給出了湍流控制屏重復安裝位置精度控制在5 mm之內(nèi)的3種工況下，各角向位置聲學測點的聲壓級響應特征，3種工況下湍流控制屏的空間位置如表2所示。

圖12 湍流控制屏測點Fig.12 Test point of TCS

圖13 湍流控制屏位置偏差對試驗結(jié)果影響Fig.13 Influence of TCS positional deviation for test results

表1 2種工況下湍流控制屏實際安裝位置與理想安裝位置差值

圖14 空間位置精度對校準結(jié)果影響Fig.14 Influence of positional deviation for calibration results

從圖14中可以看出，湍流控制屏的位置安裝精度控制在5 mm之內(nèi)時，各角向位置的聲壓級幅值重復性在0.2 dB之內(nèi)。

工程試驗中，湍流控制屏聲學修正量用以對風扇遠場噪聲性能進行修正，從而達到獲取風扇“真實”的遠場噪聲特性的目的，而聲學修正量的精度直接影響對風扇遠場噪聲性能評估精度。因此，校準時應考慮實際工程試驗中湍流控制屏重復安裝精度對聲學修正量精度的影響，從而實現(xiàn)對風扇遠場噪聲特性的精確修正。

表2 3種工況下湍流控制屏實際安裝位置與理想安裝位置差值

3.4 溫濕度修正對校準結(jié)果影響

聲波在大氣中傳播時，聲能量會由于空氣分子的耗散而衰減，用吸收系數(shù)表示，直接取決于大氣的溫度和相對濕度。由于湍流控制屏的聲學校準通常無法在同一天內(nèi)完成，因此，要保證湍流控制屏聲學修正量的精度，需考慮不同次校準時環(huán)境溫濕度的變化。

圖15給出2組溫濕度條件下不同角向位置聲學測點的聲響應特征。從測量結(jié)果中可以看出，校準頻率較低時，溫濕度變化對試驗結(jié)果影響較小，可忽略不計；隨著校準頻率的增大，溫濕度變化對試驗結(jié)果的影響變大。由于試驗環(huán)境的溫濕度場近似均勻，不同校準頻率下，溫濕度變化對不同角向位置聲響應幅值的影響基本相同。

根據(jù)當前校準工況對應的環(huán)境溫度和相對濕度，對聲吸收系數(shù)進行計算，其中，第j個頻帶上的大氣聲衰減系數(shù)：

α(j)=10[2.05lg(f0/1 000)+1.139 4×10-3θ′-1.191 698 4]+

η(δ)×10[lg(f0)+8.429 94×10-3θ′-2.755 624]

(8)

單位為dB/100 m；

式中:θ′為溫度，單位是℃；f0為1/3倍頻程中心頻率。

δ=

(9)

其中:H為相對濕度，用%表示。

η(δ)與δ的關(guān)系如表3所示。

對不同溫度、相對濕度、校準頻率下的聲吸收

圖15 溫濕度變化后遠場噪聲曲線Fig.15 Curves of far field noise at different temperature and humidity

表3 η(δ)的值Table 3 Values of η(δ)

系數(shù)進行計算，從而獲取不同校準頻率在標準工況(溫度25°、濕度70%)下的修正結(jié)果。

表4給出圖15所示的2種溫濕度條件下，不同角向位置聲壓級響應基于標準工況下的修正值。圖16給出溫濕度修正后的結(jié)果。從圖16中可以看出，溫濕度修正后，不同校準頻率、不同角向位置的聲壓級響應吻合度較好，但由于試驗環(huán)境溫濕度場只是近似均勻，實際工程應用中，無法針對試驗環(huán)境中存在的溫度、濕度梯度，對各角向位置的聲響應特征進行精細化修正，會導致聲學修正量存在一定的偏差。從校準結(jié)果中可以看出，溫濕度修正會對湍流控制屏的聲學修正量產(chǎn)生±0.2 dB的偏差。

表4 試驗測試環(huán)境溫濕度及基于標準溫濕度的遠場聲壓級修正結(jié)果Table 4 Test temperature and humidity and modification values of modification results of far field sound pressure level

圖16 溫濕度修正后遠場噪聲曲線Fig.16 Curves of far field noise after modification of temperature and humidity

4 測量不確定度

工程應用中，湍流控制屏重復安裝精度、溫濕度修正、測量精度等因素都會影響湍流控制屏聲學修正量的精度，而國外標準、文獻中均未提出湍流控制屏的聲學修正量應包含測量不確定度。

前文已經(jīng)對湍流控制屏重復安裝、溫濕度修正等因素對湍流控制屏聲學修正量的影響進行了分析，并基于試驗研究，給出誤差范圍。本部分內(nèi)容針對影響湍流控制屏校準精度的影響因素，對實際工程應用中湍流控制屏的校準不確定度開展研究。

4.1 原理及分析方法

測量不確定度[19]一般由多個分量組成，其中根據(jù)一系列測量值的統(tǒng)計分布進行測量的不確定度用A類評定，根基經(jīng)驗或其他信息假設的概率分布進行測量的不確定度用B類評定。

根據(jù)前文分析，工程應用中湍流控制屏校準的不確定度主要由以下分量引入：① 湍流控制屏重復安裝帶來的位置偏差引入的不確定度分量uA；② 溫濕度修正引入的不確定度分量uB；③ 傳聲器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準不確定度uC、uD；其中，uA、uB的標準不確定度分量按A類評定，uC、uD的標準不確定度分量按B類評定。

標準不確定度的A類評定方法如下：

對測量結(jié)果進行次獨立的重復觀測，測量值為：，從測量數(shù)據(jù)中找出最大值和最小值，根據(jù)測量次數(shù)查表得到極差系數(shù)和自由度，按式(10)計算標準偏差

s(x)=(xmax-xmin)/dn

(10)

式中：dn為極差系數(shù)；v為自由度。dn與v關(guān)系如表5所示。

表5 極差系數(shù)dn與自由度vTable 5 dn and v

(11)

標準不確定度的B類評定方法主要依據(jù)設備的校準證書、檢定證書或手冊中給出的參考不確定度獲取。

uB=a/k′

(12)

式中：a為輸入量的可能值的區(qū)間半寬度；k′為包含因子或置信因子。當測試設備的最大允許誤差為±Δ，則：

a=Δ

(13)

置信因子k′根據(jù)置信水平p來確定，假設為正態(tài)分布時，p與k′滿足表6關(guān)系。

表6 正態(tài)分布置信因子與概率的關(guān)系Table 6 Relation of k′ and p

通過測量模型由輸入量估計值的標準不確定度適當合成可以獲取被測量的估計值的合成不確定度，當測量模型為線性模型時，合成不確定度可以通過式(14)計算得出：

(14)

當各輸入量均不相關(guān)時，r(xi,xj)為0，則合成不確定度可以簡化為

(15)

4.2 湍流控制屏聲學校準不確定度

3次試驗下，湍流控制屏不同角向位置的聲學修正量如表7所示。根據(jù)式(11)，得到：ui=0.27 dB。同理，由溫濕度修正引入的不確定度ui=0.07 dB。

根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準規(guī)范[20]、傳聲器校準規(guī)范[21]及標準不確定度的B類評定方法，傳聲器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的校準不確定度u3、u4=0.07 dB； 根據(jù)式(15)，得到湍流控制屏聲學校準的合成不確定度u=0.29 dB。

表7 湍流控制屏不同角向位置的聲學修正量(3 150 Hz)Table 7 Modification acoustic values of TCS at different angular positions (3 150 Hz)

5 湍流控制屏的聲學修正量

依據(jù)湍流控制屏聲學校準原理，結(jié)合本文總結(jié)的工程應用中控制湍流控制屏校準精度的事項，獲取湍流控制屏高精度的聲學修正量。

圖17給出部分校準頻率下湍流控制屏各角向位置的聲學修正量特征。從圖中可以看出：校準頻率在1 000 Hz以下時，除部分角向位置外，湍流控制屏的聲學修正量可控制在±1.5 dB；校準頻率在1 000 Hz～20 kHz時，湍流控制屏的聲學修正量可控制在±2 dB；校準頻率在20～40 kHz 時，除部分測點外，湍流控制屏的聲學修正量范圍為-0.5～+3 dB。

圖17 湍流控制屏校準結(jié)果Fig.17 Modification results of TCS

與國外文獻中的結(jié)果相比，本文充分考慮了湍流控制屏校準過程中影響聲學修正量精度的因素，首次給出了湍流控制屏在20～40 kHz的聲學修正量特征。

6 工程應用中湍流控制屏高精度聲學校準注意事項

工程應用中，湍流控制屏的聲學修正量是獲取風扇、整機前傳噪聲“真實”特性的必備途徑，而聲學修正量的精度直接影響風扇、整機前傳噪聲性能評估精度。因此工程應用中，應考慮校準過程中影響校準精度的因素，保證聲學修正量的精度，從而為風扇、整機前傳噪聲性能的精確評估提供技術(shù)保障。

通過上述分析內(nèi)容，影響湍流控制屏聲學修正量精度的因素主要有以下幾點：① 湍流控制屏重復安裝引入的安裝位置偏差；② 測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性、重復性；③ 溫濕度修正；④ 輸入電壓的穩(wěn)定性；⑤ 校準聲源指向性對校準的影響。

實際工程應用中，應結(jié)合校準環(huán)境及校準能力對上述影響湍流控制屏聲學校準精度的影響因素進行考慮，可通過工程手段避免的，如校準聲源指向性、輸入電壓的穩(wěn)定性等問題，應盡可能避免，無法避免的應針對影響因素對聲學修正量精度的影響開展研究，給出測量不確定度。

7 結(jié) 論

針對湍流控制屏高精度的聲學校準需求，本文對160 Hz～40 kHz頻率范圍內(nèi)，湍流控制屏校準過程中影響聲學修正量精度的因素進行了分析，并對不同校準頻率、不同角向位置下湍流控制屏聲學修正量的特征進行了歸納、總結(jié)，獲得如下結(jié)論：

1) 湍流控制屏重復安裝的位置精度、測試系統(tǒng)的重復性、穩(wěn)定性、校準環(huán)境溫濕度修正、校準聲源的指向性都會影響湍流控制屏聲學校準精度。

2) 針對影響湍流控制屏聲學校準精度的影響因素，需考慮湍流控制屏聲學校準的測量不確定度。

3) 校準頻率較低時，湍流控制屏各角向位置的聲學修正量在0 dB附近波動，20 kHz以下時，修正量可控制在±2 dB；校準頻率較高時，湍流控制屏各角向位置的聲學修正量在+1 dB附近波動，20～40 kHz時，聲學修正量的范圍為-0.5～+3 dB。

4) 工程應用中，需充分考慮影響湍流控制屏聲學校準精度的影響因素，可通過工程手段避免的應盡可能避免，無法避免的應針對影響因素對聲學修正量精度的影響開展分析，并給出測量不確定度。