表面脉动压波数域波束形成阵列风洞测量装置及安装方法与流程

本发明涉及风洞试验领域，具体涉及表面脉动压波数域波束形成阵列风洞测量装置及安装方法。

背景技术：

1、表面湍流边界层脉动压力是流体力学领域极为关注的问题，一方面会向外直接辐射噪声，另一方面会引起壁面结构流激振动，形成二次声源，因此受到飞机、高铁、潜艇等工程实践领域的高度关注。风洞模型试验是获得表面湍流边界层脉动压力特征的重要手段，其中开展二维波数域波束形成测量可有效支撑相关脉动压力波数-频率谱获取，特别是波数域波束形成对于整个波数段具有较好的适应能力，可以实现声学区、迁移脊区等不同特征同步测量。在同等测量阵列点数情况下，波数域波束形成技术对脉动压力测量具有更强的全波数段适用性。开展模型表面脉动压力二维波数域波束形成测量，需配套二维表面阵列测量装置。现有装置设备存在以下几个不足：1. 缺少专门表面阵列装置，现有方法以采用单点传感器自行布置搭建为主；2. 阵列阵元集成度不高，无法实现表面高空间分布律采样；3. 缺少专门的阵列阵型设计方法，无法有针对性的提高二维波数域波束形成测量能力。综上，当前还缺少一种专门用于风洞模型表面脉动压力二维波数域波束形成的阵列测量装置。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有测量设备的不足，设计一种测量装置，从而提升风洞试验领域中的表面脉动压力二维波数域波束形成测试能力。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、表面脉动压波数域波束形成阵列风洞测量装置，包括蒙皮，在蒙皮上分布有若干呈阵列排布的通孔，阵列包括由内至外同心的若干个均匀环形阵列，和由环形阵列相互之间从内至外构成的若干个螺旋支臂阵型，在蒙皮的焊接面上每一个通孔的外侧同轴设置有一个阻焊盘，

4、在蒙皮下方设置有能够弯曲的fpc，所述fpc上设置有与蒙皮上通孔一一对应的通孔，在fpc上的每一个通孔内设置有一个mems传感器，在mems传感器的测压孔穿过fpc通孔后在测压孔外侧设置有一个同轴的阻焊盘，所述蒙皮与mems传感器通过阻焊盘焊接为一体，所述mems传感器与fpc电连接，

5、与fpc上电路连接的转接板，所述转接板上设置为iepe供电电路与每一个mems传感器独立连接。

6、在上述技术方案中，所述阻焊盘设置在蒙皮与fpc之间，所述mems传感器与蒙皮通过阻焊盘焊接为一体，所述mems传感器的电路引脚与fpc上的电路焊接。

7、在上述技术方案中，所述fpc的焊接面上设置有封装层，所述封装层将mems传感器与fpc表面密封为一体。

8、在上述技术方案中，所述fpc与蒙皮连接为一体。

9、在上述技术方案中，所述mems传感器的测压孔与对应蒙皮的通孔中心对齐。

10、在上述技术方案中，该装置中蒙皮、fpc和mems传感器的封装焊接采用如下步骤：

11、步骤一：按照设计要求，在蒙皮与fpc上的对应位置设置直径相同的通孔；

12、步骤二：将mems传感器的测压孔穿过fpc的通孔；

13、步骤三：在蒙皮的焊接面一侧，沿着每一个通孔的直径向外蚀刻一个阻焊盘，阻焊盘的直径大于通孔的直径，在mems传感器的测压孔上沿着直径向外蚀刻一个阻焊盘；

14、步骤四：将蒙皮上通孔的阻焊盘与mems传感器测压孔的阻焊盘焊接为一体，焊接后的阻焊盘构成mems传感器测压孔与蒙皮通孔之间的密封圈；

15、步骤五：在fpc的焊接面上，将mems传感器的引脚与fpc上的电路进行焊接；

16、步骤六：在fpc与蒙皮之间填充粘胶，将fpc与蒙皮粘接为一体；

17、步骤七：对fpc焊接表面进行密封胶填充，填充密封胶后的元器件与fpc板之间密闭。

18、在上述技术方案中，通过图像预设标记点方法，使得mems传感器测压孔与蒙皮通孔保持中心对齐。

19、在上述技术方案中，将fpc上呈阵列排布的mems传感器通过密封胶填充为条形状，所有条形状的下表面呈平齐状态。

20、本发明的装置基于对表面脉动压力波数域波束形成花式阵列的设计，设计原理为：

21、首先，根据传感器数量确定阵型，根据二维脉动压力波数-频率谱测量需求，确定面向波数域波束形成方法二维阵列坐标适应度函数。假设有一阵列，共有 ｍ个传感器，其中 ｍ号、 ｎ号传感器坐标为、。设１号传感器上方高度 l处有一无衰减简谐声源，位置坐标为，则其到各压力信号为：

22、    （1）

23、其中为压力幅值，分别为时间延迟、角频率、波数矢量和相对位置向量。

24、其中：

25、     （2）

26、对式（1）进行时间傅里叶变换得到。

27、设互谱矩阵表示为,即为维矩阵，其元素为互谱函数，t表示压力信号的周期，e为数学期望，为的共轭函数，得到阵列各传感器之间互谱函数为：

28、   （3）。

29、根据波数域波束形成算法要求，设阵列的波数指向向量（wavenumber steeringvector）为维向量，其元素对应为各传感器的，则：

30、  （4）

31、其中，代表第 m个传感器的坐标，为x方向上的波数向量，为z方向上的波数向量,是虚数单位。

32、因此，某个角频率下阵列波数域波束形成结果可表示为：

33、   （5）

34、其中：

35、   （6）。

36、为优化二维脉动压力传感器阵列分布，设定式（5）、（6）中t表示矩阵装置，以传感器位置为未知数，建立如下方程：

37、     （7）

38、其中，与取决于二维脉动压力传感器阵列的设计要求，取决于传感器阵列的直径，取决于阵列识别的最大频率。

39、在计算中，由于阵列可测得的信号最小频率（最大波长）由阵列孔径决定，波数与波长成反比，故所取最小波数与阵列孔径成反比，由波数与频率关系可知，频率越高，波数越大，所以可对与取值如下：

40、    （8）

41、其中， d为传感器阵列直径，为所测的最大频率，是波传播速度。

42、结合式（7）可改写为：

43、  （9）

44、其中:

45、   （10）

46、代表阵列极坐标的半径与角度坐标。

47、利用贝塞尔函数，可求得：

48、   （11）

49、其中， j 0为零阶贝塞尔函数，为的一阶导数，式（11）作为传感器布局最优化的函数形式，当其取得最小值时所对应的 x n及 y n即为所需要的传感器位置坐标，该坐标值将通过后续步骤进行求解。

50、构建阵列阵型优化目标。

51、本发明主要针对多臂螺旋型的二维脉动压力阵型声学区测量进行设计优化，由于多臂螺旋型是周期型阵列，能保证分辨率处于较好的水平，所以对动态范围进行优化。优化都是以多臂螺旋阵列为优化对象，优化时规定阵列的最小内径及最大外径，每个臂上的麦克风数目相同且布置位置相同，在相同数目麦克风的条件下寻找最优的阵列布置方式，优化设计可以表达为如下公式：

52、  （12）

53、其中 m=54为阵列中麦克风的总数， l=9为阵列的臂数， a=6为每个臂上的麦克风数目，与分别为阵列的最小内径及最大内径，为粒子运动边界的最小限制，为粒子运动边界的最大限制。

54、粒子群用x表示，通过迭代算法来逐步逼近最优的阵型：

55、  (13)

56、其中：n是粒子群中粒子数目，其中表示第n个粒子，每个粒子都代表一种麦克风阵列的阵型。

57、每个粒子在迭代过程中的最优值用p表示；所有粒子坐标均与种群里最优粒子坐标相同，用g表示种群最优：

58、  （14）

59、其中：d表示粒子维度，表示第n个粒子的第d维。

60、因此，粒子群中粒子速度和坐标更新公式为

61、  （15）

62、其中，，为设定的最大的迭代次数，与为第t次迭代后的粒子速度及粒子坐标位置。通过不断迭代，如果到达最大迭代次数还没有达到收敛条件，则以最后一次迭代的结果为初始值，继续进行迭代，直到找到最优解。

63、初始化粒子群

64、设置种群个数x=100，空间维数n=6，最大迭代次数t=2000，位置边界设置为rmin=0.015m、rout=0.075m，速度边界vmin=-0.001m/次、vmax=0.001m/次，惯性权重，自我学习因子c1=2，群体学习因子c2=2。生成初始种群首先随机生成初始种群位置，然后随机生成种群初始位置，初始化个体历史最佳位置以及个体历史最佳适应度，最后初始化群体历史最佳位置以及群体历史最佳适应度。

65、计算粒子适应度并更新个体历史最佳位置与群体历史最佳位置。更新粒子位置速度，并对其进行边界处理，进行约束条件判断并重复。

66、循环上述过程，待最大迭代次数或全局最优位置满足最小界限，获得阵列阵型。通过以上步骤，即获得所需阵型，即图 2。

67、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

68、本发明在有效的被测空间里，将测量单元集中在可弯曲的fpc上，同时电路设计时需要兼顾高效与稳定，在窄小和有限空间中合理堆嵌大量精密元件，在fpc上实现电路功能，将信号通过fpc传递给转接板，经过长线传输至数采板卡。同时，采用iepe供电方式，直接通过采集板卡供电，降低系统复杂度。同时iepe供电能够做到与阵元一一对应供电，如果阵列中某一个阵元损坏，不影响其他阵元正常工作；

69、本发明中的蒙皮与fpc电路板之间通过焊接方式实现密闭，通过灌胶封装的形式将电子元器件与fpc进行封装，能够保护iepe接口电路、mems元器件、fpc电路板等器件，避免其受外界应力的拉伸变形等情况；能够保持阵列的弯曲程度，能够更好的贴合被测曲面；填充后可保持阵列下表面呈平齐状态，有利于阵列测量面的保形作用。

70、本发明对阵型面向二维波数域波束形成算法进行了优化，能够最大程度兼顾湍流边界层声学区与迁移脊区的测量使用。采用特殊密封蒙皮/电路及特制fpc/pcb转接板，实现了阵列阵元高密度集成同时各阵元相对独立工作，即其中某个阵元损坏不影响其它阵元工作。