直接音響場試験
MSI DFATテストセットアップ

直接音場音響試験（DFAT）は、一連の音響ドライバーによって生成された音波を航空宇宙構造物に当てる音響試験技術である。 [ 1 ]この方法では、試験物の周囲に配置された電気動圧型音響スピーカーを使用して、試験対象物の表面に均一で制御された直接音場を提供する。このシステムは、高性能音響ドライバー、強力なオーディオアンプ、狭帯域MIMO（多入力多出力）コントローラー、高精度実験室用マイクを採用し、ヘリコプター、航空機、ジェットエンジン、または打ち上げロケットの音圧場をシミュレートできる音響環境を作り出す。高水準のシステムは、15 Hzから31 kHzの周波数範囲にわたって、1分以上にわたり125～154 dBの総合音圧レベルを実現できる 。[ 2 ]

概要

直接音場は、試験対象物を囲むように配置されたオーディオドライバーによって生成されます。直接音場試験には、2 つの異なる制御方式を使用できます。1 つは、シングル入力シングル出力 (SISO) と呼ばれる方法で、複数の制御マイクを使用して、すべての音響ドライバーに単一の駆動信号を使用し、制御測定を平均化して生成します。この方法では、相関のある平面波のセットが生成され、それらが組み合わさって大きな振幅の変動が生じ、試験対象物表面に局所的な変動が生じる可能性があります。振幅の変動は最大 +/-12dB に達する可能性があります。2 つ目の方法は MIMO と呼ばれ、複数の独立した駆動信号を使用して、複数の独立したマイクの位置を制御します。この方法では、SISO フィールドよりもはるかに均一で、相関の低い音場が生成されます。MIMO 制御を使用する場合、振幅の変動は一般に +/-3dB 程度です。

この手法では、音響ノイズの整形スペクトルにおける垂直入射平面波を用いて、外部境界反射を伴わずに試験体のすべての露出面に直接入射させます。試験体の形状によっては、平面波間の位相差により、表面における振幅の変動が生じる可能性があります。表面積が大きく質量密度が低い試験体の場合、位相差により、従来の残響音場試験とは異なる方法で一次構造モードが励起される可能性があります。この根本的な違いとそれが構造に与える影響は、DFAT法の利点と比較検討する必要があります。

DFATが残響試験に勝る利点は、DFATシステムの可搬性です。これにより、試験機器を任意の場所に輸送し、セットアップ、校正を行い、音響試験に使用した後、試験場所から撤去することができます。大型衛星や同様の航空宇宙構造物の場合、搬入から搬出までの全プロセスは4日以内で完了します。試験システムは、「ビルディングブロック」アプローチを用いて機器を組み合わせ、環境要件を満たすように構成します。システムは通常、多数のスピーカー、200万ワット以上の増幅装置、少なくとも8～16個の制御マイク、そして閉ループMIMO音響制御およびデータ収集システムで構成されます。可搬性と「ビルディングブロック」アプローチにより、この方法は各アプリケーションに合わせてカスタマイズでき、よりタイムリーで費用対効果の高い試験ソリューションを提供できます。この方法は、従来の音響残響室に収まらないほど大きな物体の試験にも有効です。

プロセス

このプロセスでは、試験対象物の周囲にスピーカーサークルを運搬して組み立てる必要があります。サークルのサイズは、試験対象物のサイズによって異なります。一般的には、試験対象物より直径 12 フィート (3.7 メートル) 大きく、高さ 4 フィート (1.2 メートル) 高いサークルが必要です。平面波の悪影響結合の可能性を減らすため、配置は対称にならないようにする必要があります。試験対象物は、プラットフォームに取り付けるか、吊り下げることができます。SISO または MIMO 方式のいずれかで制御するには、8 ～ 16 個の複数のマイクを使用する必要があります。マイクは、試験対象物の周囲にランダムに配置する必要があります。ドライバーの表面から制御マイクの表面までの距離は、1.0 ～ 1.5 メートル (3.3 ～ 4.9 フィート) にする必要があります。制御マイ​​クから試験対象物の表面までの距離は、0.5 ～ 0.75 メートル (1.6 ～ 2.5 フィート) にする必要があります。コントロールマイクの高さは、試験対象物の高さの中央に配置し、試験対象物の高さの約8分の1ずつ上下にランダムに変化させる必要があります。DFAN配置における自由音場型マイクの向きは重要ではありません。しかし、マイクを音源に0度の入射角で向けることで、試験対象物からの反射を最小限に抑えることができます。[ 3 ]今日の高品質測定用自由音場型マイクのほとんどは、工場で入射角を補正するように調整されています。この現象は、1/4インチマイクの場合10kHzを超える高周波数で最も顕著になり、マイクのダイヤフラム径に反比例します。

スピーカーは、通常はポータブルディーゼル発電機から電力を供給される一連のオーディオアンプによって駆動されます。このシステムは、オーバーテスト状態が検出された場合に制限または中止できる閉ループフィードバック制御システムによって安全かつ正確に制御されます。

通常、シミュレータを用いて事前テストを実施し、規定の音圧レベルとスペク​​トルが達成できることを確認します。また、事前テストは、中断許容値、応答限界、音場形成、緊急停止手順といった特別な制御機能の検証にも用いられます。その後、マイクロホンの応答を検査し、結果として得られる音場の均一性、コヒーレンス、そして可能であれば構造応答を評価する必要があります。その後、シミュレータをスピーカーサークル内の実際の試験対象物に置き換え、テストプロセスを繰り返します。

作業全体は通常4日間で完了し、試験機はそのうち1日間のみ使用されます。すべての機器は試験機に持ち込まれ、組み立て、事前試験、性能確認が行われた後、飛行試験機として試験されます。試験計画の複雑さにもよりますが、飛行試験機は通常1日間のみ使用されます。飛行試験が完了すると、試験機は撤去され、すべての機器は分解されて現場から輸送されます。

特徴
  • 携帯性：ほぼどこにでも設置可能
  • モジュール性: 複数の構成に適応
  • 制御性: 安全、繰り返し可能、リアルタイム制御
  • 狭帯域制御: 25～10kHzの一定の狭帯域(約3Hz)の増分で定義された仕様に制御を提供できます。
  • 応答制限：SPL、加速度、力、または応力応答値の制限
  • オーバーテスト保護: ピークまたはRMS入力値で中止

機能

この方法は、従来の試験方法とは異なり、利便性、低コスト、そして可搬性に優れているため、人気が高まっています。必要な音響システム、発電・配電設備、データ収集・制御装置がすべて試験会場に持ち込まれるため、非常に便利です。機器は通常、試験イベントごとにリースされます。お客様側で施設、設備、人員に多額の投資を行う必要はありません。ディーゼル発電機が最適な電源であるため、配電設備への接続に必要なクリーンな電力を一貫した構成で現場に供給できます。これにより、試験施設に大量の電力を供給する必要がなくなります。さらに、より標準的な高強度残響音響チャンバーシステムの設置、運用、保守に比べて、試験1回あたりのコストを大幅に削減できます。さらに、可搬性が高いため、通常の試験対象物の統合および試験フローにおいて、ほぼいつでもどこでもこの試験方法を実行できます。試験機器は完全に持ち運び可能で、特別な施設やインフラは必要ありません。

参考文献

  1. ^ MIL-STD-810G、変更1付き、2012年10月、方法515.7、音響ノイズ
  2. ^直接音響試験の現状、ポール・ラーキン＆ダン・ヘイズ、第27回航空宇宙試験セミナー、2012年10月16～18日
  3. ^騒音と振動制御、レオ・L・ベラネク、改訂版、1988年、騒音制御工学研究所、 ISBN 0-9622072-0-9

リソースの年表

  1. 残響音場における相関係数の測定、クック、ウォーターハウス、ベレント、エデルマン、トンプソン、J-ASA、第27巻、第6号、1955年11月11日
  2. 音響環境試験の開発、ジョン・ヴァン・ホーテン、IEST、1966年
  3. QuickScat宇宙船の複合荷重、振動、モーダル試験、Scharton(JPL)、Vujcich(Ball)、第18回ATS、1999年3月16日～18日
  4. 宇宙船の振動と音響試験の統合、テリー・シャートン、S/C & L/V 動的環境ワークショップ、1999年6月
  5. 直接近距離音響試験、Larkin & Tsoi、S/C & L/V動的環境ワークショップ、1999年6月
  6. 残響音場のコヒーレンス、ジェイコブソン＆ロジン、J-ASA、Vol.108、No.1、2000年3月21日
  7. オービタル・サイエンシズ・コーポレーションにおける直接近距離音響試験、ポール・ラーキン、IEST/ESTECH 2000、2000年5月
  8. 直接近距離音響試験 - 最新情報、ラーキン、S/C & L/Vダイナミック環境ワークショップ、2000年6月
  9. QuickSCAT宇宙船の直接音響試験、D. Anthony、T. Scharton、A. Leccese、SAE/AIAA世界航空会議、2000年10月19日～21日
  10. 直接近距離音響試験、Larkin & Whalen、SAE/AIAA世界航空会議、2000年10月19日～21日
  11. より速く、より良く、より安価な環境のための革新的な音響試験方法、ポール・ラーキン、第19回航空宇宙試験セミナー、2000年10月
  12. 直接近距離音響試験 - 進行中、ポール・ラーキン、S/C & L/V 動的環境ワークショップ、2001年6月
  13. 高強度音響試験、IEST-RP-DTE040.1、環境科学技術研究所、2003 年 1 月。
  14. 残響室における音響スピーカーシステムの制御、ポール・ラーキン＆デイブ・スモールウッド、第21回航空宇宙試験セミナー、2003年10月
  15. マルチシェーカーシステムの矩形制御：理論といくつかの実際的な結果、アンダーウッドとケラー、スペクトルダイナミクス社、サンノゼ、カリフォルニア州、2003年
  16. JAGUARランダム音響制御および解析操作ノート、2560-0122/A、Spectral Dynamics, Inc.、サンノゼ、カリフォルニア州、2003
  17. 直接フィールド音響試験およびシミュレーション分析、フレッド・ハウスル、スティーブ・ジョンストン、ジョン・スタディル、S/C & L/V 動的環境ワークショップ、2004 年 6 月
  18. 残響室における音響スピーカーシステムの制御、ポール・ラーキン＆デイブ・スモールウッド、第21回航空宇宙試験セミナー、2004年10月21日
  19. 雲プロファイリングレーダー機器の直接音響試験と残響試験、マイケル・オコネルとフレッド・ハウスル、S/C & L/V ダイナミック環境ワークショップ、2005年6月
  20. 直接場と残響室音響試験の比較、マイケル・オコネル、S/C & L/V 動的環境ワークショップ、2007年6月
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  22. 直接フィールド音響テストにおける標準的実施方法の開発に向けて、Michael B. Van Dyke、S/C および L/V 動的環境ワークショップ、2008 年 6 月。
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  24. 直接フィールドと残響フィールドの音響テスト、Gordon Maahs、宇宙船および打ち上げロケットの動的環境ワークショップ、2009 年 6 月。
  25. 直接場音響テスト (DFAT) - 推奨される方法、Paul Larkin、宇宙船および打ち上げロケットの動的環境ワークショップ、2009 年 6 月。
  26. 構造物の音響誘起振動、残響音響テストと直接音響テストの比較、Koliani、O'Connell、Tsoi、第 25 回航空宇宙テストセミナー、2009 年 10 月。
  27. 直接フィールド音響テスト - 推奨される方法、Larkin および Goldstein、第 25 回航空宇宙テストセミナー、2009 年 10 月。
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  37. 小型直接場音響ノイズ試験施設、Saggini、Tiani、Ribour、Poulain、Herzog、第 26 回航空宇宙試験セミナー、2011 年 3 月。
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  47. 音響定在波の構造応答への影響: 残響音響試験 (RAT) と直接場音響試験 (DFAT)、Kolaini、Doty、Chang、第 27 回航空宇宙試験セミナー、2012 年 10 月。
  48. DFAT 向け MIMO 音響制御を使用したさらなる開発、Paul Larkin、第 27 回宇宙シミュレーション会議、2012 年 11 月。
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