基于压缩感知联合稀疏重构的起落架气动噪声源分析研究

The aim for the study on aeroacoustic sources of the landing gear is to locate the positions of the main aeroacoustic sources, and support semi-experiential methods and the design for the landing gear.The using of microphone array and beamforming algorithms in closed wind tunnel and open jet anechoic chamber has become the important approach for the study on aeroacoustic sources of the landing gear. In this project, according to the spatial sparsity and wide frequency band of aeroacoutic sources, the study on aeroacoustic sources of landing gears based on compressed sensing joint sparsity recovery is proposed.The researcing findings can solve the aeroacoustic sources in low frequency band, extended aeroacoustic sources, and avoid the negative sources and false sources in beamforming methods. In the project, we will concentrate on researching the building the measured cross spectrum matrix, the method of removing the affact of background noise, the joint sparsity expressing model, joint sparsity recovery algorithm, the optimization algorithm for the layout of microphones and the theroy for recovering conditions. the final goal of the project is to build one integrated system including the microphone array and the compressed sensing joint sparity recovery algorithm for the study on the aeroacoustic sources of landing gears. The reseach findings also can provide the technical and theory support for the study on the aeroacoutic sources of the flow structure.

起落架气动噪声源分析的目的是为了能够准确定位主要气动噪声源，为基于试验数据的半经验方法及起落架设计提供理论支撑和技术依据。在闭口风洞或开口射流消音实验室中使用麦克风阵列和波束成形算法是目前起落架气动噪声源分析的重要手段。本项目运用现代信号处理最新研究成果，并根据起落架气动噪声源的空间稀疏性和宽频带特性，提出研究基于压缩感知联合稀疏重构的起落架气动噪声源分析，能够解决现有波束成形算法不能处理低频带噪声源和扩展噪声源、会产生违背物理规律的负噪声源和假噪声源等问题。集中研究：建立噪声源到麦克风阵列的测量互谱矩阵、去除背景噪声影响方法、联合稀疏重构表达模型和重构算法、麦克风阵列布局优化算法等关键技术、探索噪声源数目超过麦克风数目的可重构条件理论。最终目标是：建立一整套集麦克风阵列、压缩感知联合稀疏重构算法的起落架气动噪声源分析系统。研究成果还能为绕流结构体的气动噪声源分析奠定较好的技术和理论基础。

随着民航客机数目以及机场飞机起落密度的不断增加，飞机噪声与环境要求之间的矛盾日益严重。特别是在飞机起落过程中，民航客机的机体噪声已占据主导地位。本项目主要针对机体噪声中产生机理最为复杂的起落架进行气动噪声源的分析研究。项目已完成了计划内的研究工作，并建立了一整套包含有麦克风阵列、压缩感知联合稀疏重构算法的起落架气动噪声源分析系统。本项目的研究内容主要包括：建立噪声源到麦克风阵列的测量互谱矩阵、去除噪声的方法研究、噪声源定位稀疏表达模型以及重构算法的建立、麦克风阵列布局优化等关键技术研究。项目采用插孔式的方式完成了对麦克风阵列的设计及制作，所制作的平面阵列采用优化处理后的随机布局方式。基于声传播模型，通过自由场格林函数建立了测量平面与麦克风阵列之间的测量矩阵，并通过蒙塔卡洛仿真以及相干性计算对测量互谱矩阵的RIP性能进行了分析。通过麦克风阵列分别对起落架安装前后的试验数据进行测量。根据噪声叠加原理，完成了不含噪声下测量互谱矩阵的建立。研究中将起落架宽频噪声划分为低、中、高三段频率带，分别建立了各频带的声源定位联合稀疏表达模型。通过DCS-SOMP算法对低频起落架的气动噪声源进行定位。中频以及高频带的研究中，采用精度更高的宽带BP算法对主要噪声源进行定位。除此之外，项目中还进行了麦克风阵列优化的研究工作。通过对不同麦克风布局方式的平面阵列性能进行对比，获得最优的随机麦克风布局平面阵列。最终，通过风洞试验对所建立的相关理论以及重构算法进行了验证。除了计划内的研究工作外，项目组开展了包括窄带声源定位方法的研究、基于卡尔曼滤波的远近场声源融合定位方法研究、基于加权l1范数稀疏重构的DOA估计方法以及基于压缩感知宽带声源DOA定向与跟踪的其他相关研究工作。项目组还将所建立的压缩感知重构算法拓展应用于气体泄漏源定位、内埋弹舱气动噪声源定位以及反“黑飞”声探测预警系统的研究中。