Pruebas acústicas de campo directo

Las pruebas acústicas de campo directo (DFAT) son una técnica utilizada para evaluar acústicamente estructuras aeroespaciales mediante la aplicación de ondas sonoras generadas por una matriz de transductores acústicos. ^{[ 1 ]} Este método emplea altavoces electrodinámicos acústicos, dispuestos alrededor del elemento de prueba para proporcionar un campo sonoro directo, uniforme y bien controlado en la superficie de la unidad bajo prueba. El sistema utiliza transductores acústicos de alta capacidad, potentes amplificadores de audio, un controlador MIMO (múltiples entradas y múltiples salidas) de banda estrecha y micrófonos de laboratorio de precisión para generar un entorno acústico que puede simular el campo de presión sonora de un helicóptero, avión, motor a reacción o vehículo de lanzamiento . Un sistema de alto nivel es capaz de alcanzar niveles de presión sonora totales de entre 125 y 154  dB durante más de un minuto en un rango de frecuencias de 15  Hz a 31 kHz . ^{[ 2 ]} 

Un campo directo se genera mediante transductores de audio dispuestos para rodear el objeto de prueba. Se pueden utilizar dos esquemas de control diferentes para realizar una prueba de campo directo. Un método, conocido como entrada única-salida única (SISO), utiliza una única señal de excitación para todos los transductores acústicos, con múltiples micrófonos de control promediados para producir la medición de control. Este método produce un conjunto de ondas planas correlacionadas que pueden combinarse para producir grandes variaciones de magnitud, creando fluctuaciones locales en la superficie del objeto de prueba. Se pueden experimentar variaciones de magnitud de hasta ±12 dB. El segundo método, conocido como MIMO, utiliza múltiples señales de excitación independientes para controlar múltiples ubicaciones de micrófono independientes. Este método produce un campo menos correlacionado y mucho más uniforme que el campo SISO. Las variaciones de magnitud típicas en el rango de ±3 dB cuando se utiliza el control MIMO.

Esta técnica utiliza ondas planas de incidencia normal en un espectro de ruido acústico con forma definida para impactar directamente sobre todas las superficies expuestas del objeto de prueba, sin reflexiones en los límites externos. Dependiendo de la geometría del objeto, esto podría producir variaciones de magnitud en las superficies debido a diferencias de fase entre las ondas planas. En el caso de objetos de prueba de gran superficie y baja densidad de masa, la diferencia de fase puede excitar los modos estructurales primarios de una manera distinta a la de las pruebas de campo reverberante más convencionales . Esta diferencia fundamental y su impacto en la estructura deben sopesarse frente a las ventajas del método DFAT.

Una ventaja de DFAT sobre las pruebas reverberantes es la portabilidad del sistema DFAT. Esto permite transportar el equipo de prueba a cualquier lugar, instalarlo, calibrarlo, realizar una prueba acústica y luego retirarlo del sitio de prueba. Todo el proceso, desde la carga hasta la descarga, puede completarse en no más de 4 días para un satélite grande o una estructura aeroespacial similar. El sistema de prueba utiliza un enfoque modular para crear combinaciones de equipos que satisfagan los requisitos ambientales. Los sistemas suelen incluir varios altavoces, más de 2 millones de vatios de amplificación, al menos de 8 a 16 micrófonos de control y un sistema de adquisición de datos y control acústico MIMO de bucle cerrado . La movilidad y el enfoque modular permiten adaptar este método a cada aplicación y proporcionar una solución de prueba más rápida y rentable. Este método también puede ser útil para probar artículos demasiado grandes para caber dentro de una cámara reverberante acústica tradicional.

El proceso requiere el transporte y el montaje de un círculo de altavoces alrededor del artículo de prueba. El tamaño del círculo depende del tamaño del artículo de prueba. Generalmente, se requiere un círculo 3,7 m (12 pies) de diámetro más grande y 1,2 m (4 pies) más alto que el artículo de prueba. La disposición debe evitar la simetría para reducir el potencial de acoplamiento adverso de ondas planas. El artículo de prueba puede montarse en una plataforma o suspenderse. Se deben usar varios micrófonos, de ocho a dieciséis, para el control con los métodos SISO o MIMO. Los micrófonos deben colocarse aleatoriamente alrededor del artículo de prueba. La distancia desde la superficie de los transductores hasta la superficie de los micrófonos de control debe ser de 1,0 a 1,5 metros (3,3 a 4,9 pies) . La distancia desde los micrófonos de control hasta la superficie del artículo de prueba debe ser de 0,5 a 0,75 metros (1,6 a 2,5 pies) . La altura de los micrófonos de control debe estar centrada a la mitad de la altura del elemento de prueba y variar aleatoriamente hacia arriba y hacia abajo en aproximadamente un octavo de la altura del elemento de prueba. La orientación de los micrófonos de campo libre en una configuración DFAN no es crítica. Sin embargo, las reflexiones del elemento de prueba se pueden minimizar con el micrófono orientado hacia la fuente de sonido con una incidencia de 0 grados. ^{[ 3 ]} La mayoría de los micrófonos de campo libre de medición de calidad actuales vienen ajustados de fábrica para compensar el ángulo de incidencia. Este fenómeno es más pronunciado en altas frecuencias, por encima de 10 kHz para un micrófono de 1/4", y es inversamente proporcional al diámetro del diafragma del micrófono.   

Los altavoces son alimentados por una serie de amplificadores de audio, generalmente mediante un generador diésel portátil. El sistema se controla de forma segura y precisa mediante un sistema de control de retroalimentación de bucle cerrado que permite limitar o interrumpir la prueba si se detecta una sobrecarga.

Generalmente, se realiza una prueba preliminar con un simulador para confirmar que se puede alcanzar el nivel de presión sonora y el espectro especificados. Esta prueba también sirve para verificar las características de control especiales, como las tolerancias de interrupción, los límites de respuesta, la conformación del campo y los procedimientos de parada de emergencia. A continuación, se analizan las respuestas del micrófono para evaluar la uniformidad, la coherencia y, si está disponible, la respuesta estructural del campo resultante. Finalmente, se sustituye el simulador por el equipo de prueba real en el circuito de altavoces y se repite el proceso.

La operación completa suele durar cuatro días y solo requiere el prototipo durante uno de ellos. Todo el equipo se traslada al prototipo, se ensambla, se somete a pruebas preliminares y se verifica su rendimiento antes de realizar las pruebas de vuelo. Generalmente, el prototipo solo se requiere durante un día, dependiendo de la complejidad del plan de pruebas . Al finalizar las pruebas de vuelo , el prototipo se retira y todo el equipo se desmonta y se transporta fuera del lugar.

Características

• Portabilidad: se puede instalar prácticamente en cualquier lugar.
• Modularidad: se adapta a múltiples configuraciones.
• Controlabilidad: control seguro, repetible y en tiempo real.
• Control de banda estrecha: puede proporcionar control a una especificación definida en  incrementos constantes de banda estrecha (~3 Hz) de 25 a 10  kHz.
• Limitación de respuesta: limita los valores de respuesta de SPL, aceleración, fuerza o tensión.
• Protección contra sobrepruebas: abortar en valores de entrada máximos o RMS.

La conveniencia, el bajo costo y la movilidad de este método lo distinguen de las pruebas convencionales y son las principales razones de su creciente popularidad. El método es conveniente porque todo el sistema de sonido, la generación y distribución de energía, y el equipo de adquisición y control de datos necesarios se trasladan al lugar de la prueba. El equipo generalmente se alquila para cada evento de prueba. No se requiere una gran inversión en instalaciones, equipos o personal por parte del cliente. Un generador diésel es la fuente de energía preferida, lo que proporciona energía eléctrica limpia en el sitio con una configuración consistente para la conexión al equipo de distribución de energía. Esto elimina la necesidad de grandes cantidades de energía en las instalaciones de prueba. Además, las pruebas se pueden realizar a un costo mucho menor por prueba en comparación con la instalación, operación y mantenimiento de un sistema de cámara acústica reverberante de alta intensidad más estándar. Finalmente, la movilidad permite que este método de prueba se realice en casi cualquier momento y lugar dentro del flujo normal de integración y prueba del artículo. El equipo de prueba es completamente portátil y no se requiere ninguna instalación o infraestructura especial.

1. Medición de coeficientes de correlación en campos sonoros reverberantes, Cook, Waterhouse, Berendt, Edelman, Thompson, J-ASA, Vol. 27, No. 6, 11/11/1955
2. El desarrollo de las pruebas ambientales sónicas, John Van Houten, IEST, 1966
3. Pruebas combinadas de cargas, vibraciones y modos de vibración de la nave espacial QuickScat, Scharton (JPL), Vujcich (Ball), 18.ª ATS, 16-18/03/1999
4. Combinación de pruebas de vibración y acústicas para naves espaciales, Terry Scharton, Taller sobre entornos dinámicos de naves espaciales y vehículos terrestres, junio de 1999.
5. Pruebas acústicas directas de campo cercano, Larkin y Tsoi, Taller sobre entornos dinámicos de cruceros y vehículos ligeros, junio de 1999.
6. La coherencia de los campos sonoros reverberantes, Jacobson y Rosin, J-ASA, vol. 108, n.º 1, 21/03/2000
7. Pruebas acústicas directas de campo cercano en Orbital Sciences Corporation, Paul Larkin, IEST/ESTECH 2000, mayo de 2000
8. Pruebas acústicas directas de campo cercano: actualización, Larkin, Taller sobre entornos dinámicos de cruceros y vehículos ligeros, junio de 2000.
9. Prueba acústica directa de la nave espacial QuickSCAT, D. Anthony, T. Scharton, A. Leccese, Congreso Mundial de Aviación SAE/AIAA, 19-21/10/00
10. Pruebas acústicas directas de campo cercano, Larkin & Whalen, Congreso Mundial de Aviación SAE/AIAA, 19-21/10/00
11. Un método innovador de prueba acústica para un entorno más rápido, mejor y más económico, Paul Larkin, 19º Seminario de Pruebas Aeroespaciales, octubre de 2000.
12. Pruebas acústicas directas de campo cercano: trabajo en curso, Paul Larkin, Taller sobre entornos dinámicos de S/C y L/V, junio de 2001
13. Ensayos acústicos de alta intensidad, IEST-RP-DTE040.1, Instituto de Ciencias y Tecnología Ambientales, enero de 2003.
14. Control de un sistema de altavoces acústicos en una cámara reverberante, Paul Larkin y Dave Smallwood, XXI Seminario de Pruebas Aeroespaciales, octubre de 2003.
15. Control rectangular de sistemas de vibradores múltiples: teoría y algunos resultados prácticos, Underwood y Keller, Spectral Dynamics, Inc., San José, CA, 2003
16. Nota de funcionamiento para el control y análisis acústico aleatorio de JAGUAR, 2560-0122/A, Spectral Dynamics, Inc., San José, CA, 2003
17. Ensayo acústico directo en campo y análisis de simulación, Fred Hausle, Steve Johnston, John Stadille, Taller sobre entornos dinámicos de buques de carga y baja velocidad, junio de 2004
18. Control de un sistema de altavoces acústicos en una cámara reverberante, Paul Larkin y Dave Smallwood, XXI Seminario de Pruebas Aeroespaciales, 21/10/2004
19. Comparación entre pruebas acústicas directas y reverberantes del instrumento de radar de perfilado de nubes, Michael O'Connell y Fred Hausle, Taller sobre entornos dinámicos de cruceros y buques de gran tamaño, junio de 2005.
20. Comparaciones de pruebas acústicas en campo directo y en cámara reverberante, Michael O'Connell, Taller sobre entornos dinámicos S/C y L/V, junio de 2007.
21. Investigaciones para el desarrollo de prácticas estándar para pruebas acústicas directas en campo, Michael B. Van Dyke, 24.º Seminario de Pruebas Aeroespaciales, abril de 2008.
22. Hacia el desarrollo de prácticas estándar en pruebas acústicas directas de campo, Michael B. Van Dyke, Taller sobre entornos dinámicos S/C y L/V, junio de 2008.
23. Pruebas acústicas de campo directo, Paul Larkin y Bob Goldstein, 25.ª Conferencia AIAA/Space Simulation, octubre de 2008.
24. Pruebas acústicas de campo directo frente a campo reverberante, Gordon Maahs, Taller sobre entornos dinámicos de naves espaciales y vehículos de lanzamiento, junio de 2009.
25. Prueba acústica de campo directo (DFAT, por sus siglas en inglés): práctica recomendada, Paul Larkin, Taller sobre entornos dinámicos de naves espaciales y vehículos de lanzamiento, junio de 2009.
26. Vibración de estructuras inducida acústicamente, ensayos acústicos reverberantes frente a directos, Koliani, O'Connell, Tsoi, 25º Seminario de Ensayos Aeroespaciales, octubre de 2009.
27. Ensayo acústico de campo directo: práctica recomendada, Larkin y Goldstein, 25º Seminario de Ensayos Aeroespaciales, octubre de 2009.
28. Ensayo acústico de campo directo (DFAT), Paul Larkin, AIAA/Grupo de trabajo sobre simulación dinámica del espacio, mayo de 2010.
29. Campo directo frente a campo reverberante DFAT, Larkin y Maahs, Taller sobre entornos dinámicos SC y LV, junio de 2010.
30. Últimos avances en pruebas acústicas de campo directo, Larkin y Goldstein, 26.ª Conferencia de Simulación Espacial. Octubre de 2010.
31. Ensayos acústicos directos de campo de un sistema de vuelo: logística, desafíos y resultados, Babuska, Gurule, Skousen, Stasiunas, 81.º Simposio sobre Choque y Vibración, octubre de 2010.
32. Modelado analítico del campo acústico durante una prueba acústica de campo directo, Mesh, Rouse, Stasiunas, 26º Seminario de Pruebas Aeroespaciales, marzo de 2011.
33. Instalación de medición de ruido acústico de campo directo a pequeña escala, Saggini, Tiani, Ribour, Poulain, Herzog, 26º Seminario de Pruebas Aeroespaciales, marzo de 2011.
34. Pruebas acústicas de hardware de vuelo mediante altavoces: ¿Cuánto sabemos sobre este método?, Kolaini y Kern, 26º Seminario de Pruebas Aeroespaciales, marzo de 2011.
35. Cuestiones relacionadas con las pruebas de cualificación acústica de grandes componentes de vuelo, Kolaini, Kern y Perry, 26º Seminario de Pruebas Aeroespaciales, marzo de 2011.
36. Variabilidad espacial causada por la interferencia de ondas acústicas en pruebas acústicas de campo directo con accionamiento único, VanDyke y Peters, 26º Seminario de Pruebas Aeroespaciales, marzo de 2011.
37. Instalación de prueba de ruido acústico de campo directo a pequeña escala, Saggini, Tiani, Ribour, Poulain y Herzog, 26º Seminario de Pruebas Aeroespaciales, marzo de 2011.
38. Desarrollo de prácticas recomendadas (PR) para ensayos acústicos directos en campo (DFAT), Foss y Larkin, IEST/ESTECH 2011, mayo de 2011.
39. Predicciones vibroacústicas: Campos acústicos directos frente a campos acústicos reverberantes, Ali Kolaini, Taller sobre entornos dinámicos SC y LV, junio de 2011.
40. Control acústico MIMO para DFAT, Larkin y Spicer, Taller sobre entornos dinámicos de baja y alta tensión, junio de 2011.
41. Evaluación temporal de la calidad de los datos del DFAT, Levi Smith, IEST/ESTECH 2012, mayo de 2012.
42. Uso de la diferencia de banda estrecha como métrica comparativa para campos acústicos, Clinton Maldoon, IEST/ESTECH 2012, mayo de 2012.
43. Ensayo acústico de campo directo de la nave espacial RBSP, Gordon Maahs, 27º Seminario de Pruebas Aeroespaciales, octubre de 2012.
44. Estado actual de las pruebas acústicas directas en campo, Hayes y Larkin, 27º Seminario de Pruebas Aeroespaciales, octubre de 2012.
45. Algunas preguntas sobre aspectos de las pruebas acústicas y las instalaciones de prueba, Arloe Wesley Mayne III, 27º Seminario de Pruebas Aeroespaciales, octubre de 2012.
46. Experiencias en la realización de una prueba acústica de campo directo de alta intensidad en un sistema sensible a la contaminación, Stasiunas, Babuska y Skousen, 27º Seminario de Pruebas Aeroespaciales, octubre de 2012.
47. Impacto de las ondas estacionarias acústicas en las respuestas estructurales: Pruebas acústicas reverberantes (RAT) frente a pruebas acústicas de campo directo (DFAT), Kolaini, Doty y Chang, 27º Seminario de Pruebas Aeroespaciales, octubre de 2012.
48. Desarrollos adicionales mediante el control acústico MIMO para DFAT, Paul Larkin, 27.ª Conferencia de Simulación Espacial, noviembre de 2012.