本發(fā)明涉及航空發(fā)動(dòng)機(jī)，更具體的說(shuō)，涉及一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的風(fēng)扇噪聲預(yù)測(cè)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、民用適航標(biāo)準(zhǔn)對(duì)飛機(jī)噪聲排放有嚴(yán)格的規(guī)定，且飛機(jī)的噪聲水平也是其在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中比較重要的一項(xiàng)因素。其中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲占了較大貢獻(xiàn)量，隨著現(xiàn)代高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇噪聲逐漸成為了發(fā)動(dòng)機(jī)乃至整個(gè)飛機(jī)的最主要噪聲源。

2、風(fēng)扇噪聲是航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇部件產(chǎn)生的噪聲，又依據(jù)產(chǎn)生機(jī)理及對(duì)應(yīng)的頻譜表現(xiàn)分為風(fēng)扇單音噪聲、風(fēng)扇寬頻和高轉(zhuǎn)速下的風(fēng)扇激波噪聲。

3、如果能在早期設(shè)計(jì)階段依據(jù)有限的結(jié)構(gòu)參數(shù)及氣動(dòng)參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲水平有快速且準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，將大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲測(cè)試成本，對(duì)適航噪聲評(píng)估工作起到關(guān)鍵的支撐性作用。

4、為了在盡量短的時(shí)間內(nèi)得到盡可能準(zhǔn)確的風(fēng)扇適航噪聲預(yù)測(cè)結(jié)果，nasa于1975年發(fā)展了heidmann風(fēng)扇噪聲工程經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型(以下簡(jiǎn)稱heidmann模型)，并將其整合到anopp飛機(jī)適航噪聲評(píng)估軟件中用于支撐飛機(jī)的適航噪聲評(píng)估工作。

5、heidmann模型是通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇部件開(kāi)展大量試驗(yàn)，結(jié)合風(fēng)扇噪聲產(chǎn)生機(jī)理，在氣動(dòng)聲學(xué)理論指導(dǎo)下逐步完善發(fā)展出的風(fēng)扇噪聲經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)預(yù)測(cè)模型。heidmann模型將風(fēng)扇噪聲分為五部分的噪聲分量來(lái)分別進(jìn)行預(yù)測(cè)，風(fēng)扇噪聲分量包括：

6、風(fēng)扇前傳寬頻噪聲、風(fēng)扇前傳單音噪聲、風(fēng)扇前傳激波噪聲(只出現(xiàn)于馬赫數(shù)大于1時(shí))、風(fēng)扇后傳寬頻噪聲和風(fēng)扇后傳單音噪聲；

7、每一部分的噪聲分量由一個(gè)形式統(tǒng)一的經(jīng)驗(yàn)公式求得：

8、

9、式中，δt為風(fēng)扇級(jí)總溫升，δt0為風(fēng)扇級(jí)參考總溫升(0.555k)，m為質(zhì)量流量，m0為參考質(zhì)量流量(0.453kg/s)；

10、f1為葉尖相對(duì)馬赫數(shù)修正函數(shù)，mtr為風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉尖相對(duì)馬赫數(shù)，(mtr)d為風(fēng)扇設(shè)計(jì)葉尖相對(duì)馬赫數(shù)；

11、f2為轉(zhuǎn)靜間距修正函數(shù)，rss為轉(zhuǎn)靜間距和風(fēng)扇葉片弦長(zhǎng)的比值；

12、f3為指向性修正函數(shù)，θ為指向角；

13、f4為頻譜形狀修正函數(shù)，f為tob中心頻率(50hz到10000hz共24個(gè))，fb為葉片通過(guò)頻率(bpf)。

14、三分之一倍頻程(one-third?octave?band，tob)是將窄帶譜連續(xù)的頻率范圍劃分為若干個(gè)頻段，頻段上下限的頻率比值為即為三分之一倍頻程頻帶，將相應(yīng)頻帶內(nèi)的聲能求和即得到三分之一倍頻程譜。

15、上述五部分噪聲分量的f1、f2、f3、f4函數(shù)具體的參數(shù)設(shè)置均不同，取值源自于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和最基本聲學(xué)理論。

16、以heidmann框架為基礎(chǔ)，結(jié)合各風(fēng)扇構(gòu)型實(shí)際的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，就可以更新五部分噪聲分量的f1、f2、f3、f4函數(shù)的參數(shù)，以適應(yīng)該風(fēng)扇構(gòu)型及其衍生構(gòu)型的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲初步評(píng)估。

17、其中，f3函數(shù)對(duì)各指向角下的頻譜整體形狀及指向性精度都有較大的影響，保證f3函數(shù)的合理更新設(shè)置是提升預(yù)測(cè)精度的重要一環(huán)。

18、現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)f3函數(shù)的常規(guī)更新方法并不區(qū)分工況，因此在實(shí)際應(yīng)用中，采用這種常規(guī)修正方法得到的模型預(yù)測(cè)精度受限，尤其是指向性的預(yù)測(cè)在實(shí)際評(píng)估中表現(xiàn)并不好。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的風(fēng)扇噪聲預(yù)測(cè)方法及系統(tǒng)，解決對(duì)現(xiàn)有的heidmann模型對(duì)風(fēng)扇噪聲預(yù)測(cè)精度差的問(wèn)題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的風(fēng)扇噪聲預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：

3、步驟s1、輸入傳聲器陣列布置參數(shù)、風(fēng)扇氣動(dòng)及結(jié)構(gòu)參數(shù)、大氣環(huán)境參數(shù)；

4、步驟s2、分別對(duì)每個(gè)特定指向角下的heidmann模型參數(shù)進(jìn)行更新計(jì)算，獲得特定指向角下風(fēng)扇前傳噪聲和風(fēng)扇后傳噪聲的頻譜和oaspl頻譜指向性；

5、其中，所述heidmann模型參數(shù)包括指向性修正函數(shù)f3；

6、所述步驟s2中，基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法生成各個(gè)噪聲分量的擬合模型，通過(guò)各個(gè)噪聲分量的擬合模型對(duì)指向性修正函數(shù)f3進(jìn)行更新。

7、在一實(shí)施例中，所述heidmann模型參數(shù)，還包括與溫升相關(guān)的機(jī)械功、與流量相關(guān)的比功、葉尖相對(duì)馬赫數(shù)修正函數(shù)f1、轉(zhuǎn)靜間距修正函數(shù)f2、頻譜形狀修正函數(shù)f4；

8、所述風(fēng)扇前傳噪聲包括風(fēng)扇前傳寬頻噪聲、風(fēng)扇前傳單音噪聲、風(fēng)扇前傳激波噪聲；

9、所述風(fēng)扇后傳噪聲包括風(fēng)扇后傳寬頻噪聲和風(fēng)扇后傳單音噪聲。

10、在一實(shí)施例中，所述步驟s2，進(jìn)一步包括以下步驟：

11、步驟s21、計(jì)算與溫升相關(guān)的機(jī)械功、與流量相關(guān)的比功；

12、步驟s22、分別計(jì)算風(fēng)扇前傳寬頻噪聲、風(fēng)扇前傳單音噪聲、風(fēng)扇前傳激波噪聲、風(fēng)扇后傳寬頻噪聲和風(fēng)扇后傳單音噪聲的葉尖相對(duì)馬赫數(shù)修正函數(shù)f1；

13、步驟s23、分別計(jì)算風(fēng)扇前傳寬頻噪聲、風(fēng)扇前傳單音噪聲、風(fēng)扇后傳寬頻噪聲和風(fēng)扇后傳單音噪聲的轉(zhuǎn)靜間距修正函數(shù)f2；

14、步驟s24、分別計(jì)算風(fēng)扇前傳寬頻噪聲、風(fēng)扇前傳單音噪聲、風(fēng)扇前傳激波噪聲、風(fēng)扇后傳寬頻噪聲和風(fēng)扇后傳單音噪聲的指向性修正函數(shù)f3；

15、步驟s25、分別計(jì)算風(fēng)扇前傳寬頻噪聲、風(fēng)扇前傳單音噪聲、風(fēng)扇前傳激波噪聲、風(fēng)扇后傳寬頻噪聲和風(fēng)扇后傳單音噪聲的頻譜形狀修正函數(shù)f4；

16、步驟s26、計(jì)算大氣衰減以及球面距離擴(kuò)散修正參數(shù)；

17、步驟s27、將步驟s21-步驟s26獲得的參數(shù)進(jìn)行求和，得到風(fēng)扇前傳寬頻噪聲、風(fēng)扇前傳單音噪聲、風(fēng)扇前傳激波噪聲、風(fēng)扇后傳寬頻噪聲和風(fēng)扇后傳單音噪聲；

18、步驟s28、將風(fēng)扇前傳寬頻噪聲和風(fēng)扇前傳單音噪聲進(jìn)行能量求和，得到風(fēng)扇前傳噪聲在各指向角下的頻譜和oaspl頻譜指向性，將風(fēng)扇后傳寬頻噪聲和風(fēng)扇后傳單音噪聲進(jìn)行能量求和，得到風(fēng)扇后傳噪聲在各指向角下的頻譜和oaspl頻譜指向性。

19、在一實(shí)施例中，所述步驟s28，進(jìn)一步包括：

20、當(dāng)馬赫數(shù)大于1時(shí)，將風(fēng)扇前傳寬頻噪聲、風(fēng)扇前傳單音噪聲和風(fēng)扇前傳激波噪聲進(jìn)行能量求和，得到風(fēng)扇前傳噪聲在各指向角下的頻譜和oaspl頻譜指向性。

21、在一實(shí)施例中，所述基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法生成各個(gè)噪聲分量的擬合模型，進(jìn)一步包括以下步驟：

22、輸入各工況下噪聲時(shí)域數(shù)據(jù)；

23、將數(shù)據(jù)劃分為訓(xùn)練集與測(cè)試集；

24、對(duì)每個(gè)音頻采集設(shè)備采集的時(shí)域樣本數(shù)據(jù)求功率譜；

25、對(duì)功率譜進(jìn)行單音寬頻分離，得到寬頻功率譜和前若干個(gè)軸頻單音功率譜；

26、根據(jù)寬頻功率譜和/或單音功率譜對(duì)應(yīng)軸頻單音數(shù)據(jù)，完成對(duì)指向性修正數(shù)據(jù)的提取；

27、選取氣動(dòng)特征并結(jié)合指向角生成特征矩陣，將特征矩陣與提取的指向性修正數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)；

28、基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對(duì)特征矩陣與指向性修正數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，生成對(duì)應(yīng)噪聲分量的擬合模型，所述擬合模型用于響應(yīng)輸入的特征矩陣并輸出對(duì)應(yīng)噪聲分量的spl修正值。

29、在一實(shí)施例中，所述根據(jù)寬頻功率譜和/或單音功率譜對(duì)應(yīng)軸頻單音數(shù)據(jù)，完成對(duì)指向性修正數(shù)據(jù)的提取，進(jìn)一步包括以下步驟：

30、根據(jù)寬頻功率譜求出矩陣形式的tob-spl數(shù)據(jù)，對(duì)矩陣的行進(jìn)行能量求和，得到的數(shù)據(jù)中減去其中的最大值，得到風(fēng)扇前傳寬頻噪聲數(shù)據(jù)或風(fēng)扇后傳寬頻噪聲數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，完成對(duì)風(fēng)扇前傳寬頻噪聲分量或風(fēng)扇后傳寬頻噪聲分量的指向性修正數(shù)據(jù)的提取。

31、在一實(shí)施例中，所述根據(jù)寬頻功率譜和/或單音功率譜對(duì)應(yīng)軸頻單音數(shù)據(jù)，完成對(duì)指向性修正數(shù)據(jù)的提取，進(jìn)一步包括以下步驟：

32、根據(jù)葉片通過(guò)頻率倍數(shù)，提取單音功率譜對(duì)應(yīng)軸頻單音數(shù)據(jù)，計(jì)算spl數(shù)據(jù)，得到的數(shù)據(jù)中減去其中的最大值，得到風(fēng)扇前傳單音噪聲數(shù)據(jù)或風(fēng)扇后傳單音噪聲數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，完成對(duì)風(fēng)扇前傳單音噪聲分量或風(fēng)扇后傳單音噪聲分量的指向性修正數(shù)據(jù)的提取。

33、在一實(shí)施例中，所述根據(jù)寬頻功率譜和/或單音功率譜對(duì)應(yīng)軸頻單音數(shù)據(jù)，完成對(duì)指向性修正數(shù)據(jù)的提取，進(jìn)一步包括以下步驟：

34、根據(jù)葉片通過(guò)頻率倍數(shù)的倒數(shù)，提取單音功率譜對(duì)應(yīng)軸頻單音數(shù)據(jù)，計(jì)算spl數(shù)據(jù)，得到的數(shù)據(jù)中減去其中的最大值，得到風(fēng)扇前傳激波噪聲數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，完成對(duì)風(fēng)扇前傳激波噪聲分量的指向性修正數(shù)據(jù)的提取。

35、在一實(shí)施例中，所述噪聲時(shí)域數(shù)據(jù)為若干組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)為d*n的矩陣，d為音頻采集設(shè)備數(shù)量，n為每個(gè)音頻采集設(shè)備時(shí)域采樣總數(shù)。

36、在一實(shí)施例中，所述葉片通過(guò)頻率倍數(shù)，進(jìn)一步包括1bpf、2bpf和3bpf。

37、在一實(shí)施例中，所述葉片通過(guò)頻率倍數(shù)的倒數(shù)，進(jìn)一步包括1/8bpf、1/4bpf和1/2bpf。

38、在一實(shí)施例中，所述對(duì)特征矩陣與指向性修正數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，進(jìn)一步包括：

39、訓(xùn)練期間利用網(wǎng)格搜索結(jié)合k折交叉驗(yàn)證進(jìn)行超參數(shù)優(yōu)化。

40、在一實(shí)施例中，所述氣動(dòng)特征包括：

41、環(huán)境壓力pamb、環(huán)境濕度rh、相對(duì)換算轉(zhuǎn)速ncorr、物理轉(zhuǎn)速rpm、葉片通過(guò)頻率bpf、葉尖馬赫數(shù)mr、外涵壓比prb、流量管總溫t0、外涵換算流量

42、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的風(fēng)扇噪聲預(yù)測(cè)系統(tǒng)，包括：

43、存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)可由處理器執(zhí)行的指令；

44、處理器，用于執(zhí)行所述指令以實(shí)現(xiàn)如上述任一項(xiàng)所述的方法。

45、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)指令，其中當(dāng)計(jì)算機(jī)指令被處理器執(zhí)行時(shí)，執(zhí)行如上述任一項(xiàng)所述的方法。

46、本發(fā)明提出的一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的風(fēng)扇噪聲預(yù)測(cè)方法及系統(tǒng)，創(chuàng)新地將試驗(yàn)數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合對(duì)f3函數(shù)進(jìn)行更新，可以有效區(qū)分工況和特定單音頻率的改變帶來(lái)的指向性修正數(shù)值的差異，模型預(yù)測(cè)精度得到有效提升。