La prueba acústica de campo directo , o DFAN , es una técnica utilizada para la prueba acústica de estructuras aeroespaciales sometiéndolas a ondas sonoras creadas por una serie de controladores acústicos. [1] El método utiliza altavoces acústicos electrodinámicos, dispuestos alrededor del artículo de prueba para proporcionar un campo de sonido directo, uniforme y bien controlado en la superficie de la unidad bajo prueba. El sistema emplea controladores acústicos de alta capacidad, amplificadores de audio potentes, un controlador de entrada múltiple-salida múltiple (MIMO) de banda estrecha y micrófonos de laboratorio de precisión para producir un entorno acústico que puede simular un campo de presión sonora de helicóptero, avión, motor a reacción o vehículo de lanzamiento . Un sistema de alto nivel es capaz de niveles generales de presión sonora en el rango de 125 a 147 dB durante más de un minuto en un rango de frecuencia de 25 Hz a 10 kHz. [2]
Un campo directo se genera mediante controladores de audio dispuestos para rodear el artículo de prueba. Se pueden utilizar dos esquemas de control diferentes para realizar una prueba de campo directa. Un método, conocido como entrada única, salida única o SISO, utiliza una única señal de control para todos los controladores acústicos con múltiples micrófonos de control promediados para producir la medición de control. Este método producirá un conjunto de ondas planas correlacionadas que pueden combinarse para producir grandes variaciones de magnitud que crean fluctuaciones locales en la superficie del artículo de prueba. Se pueden experimentar variaciones de magnitud de hasta +/−12 dB. El segundo método, conocido como MIMO, utiliza múltiples señales de control independientes para controlar múltiples ubicaciones de micrófonos independientes. Este método produce un campo menos correlacionado que es mucho más uniforme que el campo SISO. Las variaciones de magnitud en el rango de +/-3 dB son típicas cuando se utiliza el control MIMO.
La técnica utiliza ondas planas incidentes normales en un espectro conformado de ruido acústico para impactar directamente sobre todas las superficies expuestas del artículo de prueba sin reflexiones externas en los límites. Dependiendo de la geometría del artículo de prueba, esto podría producir variaciones de magnitud en las superficies debido a diferencias de fase entre las ondas planas. En el caso de artículos de prueba de gran superficie y baja densidad de masa, la diferencia de fase puede excitar los modos de estructura primaria de una manera diferente 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 DFAN.
Una ventaja de las pruebas DFAN sobre las pruebas reverberantes es la portabilidad del sistema DFAN. Esto permite que el equipo de prueba se transporte a cualquier ubicación, se configure, se calibre, se use para realizar una prueba acústica de alta intensidad y luego se retire del sitio de prueba. Todo el proceso desde la carga hasta la descarga se puede realizar en no más de 4 días para un satélite grande o una estructura aeroespacial similar. El sistema de prueba utiliza un enfoque de "bloques de construcción" para formar combinaciones de equipos para satisfacer los requisitos ambientales. Los sistemas generalmente incluyen más de 500 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 de "bloques de construcción" permiten que este método se adapte a cada aplicación y brinde una solución de prueba más oportuna y rentable. Este método también puede ser útil para probar artículos que son 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 de 12 pies (3,7 m) de diámetro más grande y 4 pies (1,2 m) 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 se puede montar en una plataforma o suspender. Se deben utilizar varios micrófonos, de ocho a dieciséis, para el control con los métodos SISO o MIMO. Los micrófonos se deben colocar aleatoriamente alrededor del artículo de prueba. La distancia desde la superficie de los controladores 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 disposición de prueba 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 se ajustan de fábrica para compensar el ángulo de incidencia. Este fenómeno es más pronunciado en frecuencias altas, por encima de los 10 kHz para un micrófono de 1/4", y es inversamente proporcional al diámetro del diafragma del micrófono.
Los altavoces funcionan con una serie de amplificadores de audio que normalmente funcionan con un generador diésel portátil. El sistema se controla de forma segura y precisa mediante un sistema de control de retroalimentación de circuito cerrado que se puede utilizar para limitar o interrumpir el funcionamiento si se detecta una condición de sobreprueba.
Generalmente, se realiza una prueba previa utilizando un simulador para confirmar que se puede lograr el nivel de presión sonora general y el espectro especificados. La prueba previa también se utiliza para verificar cualquier característica de control especial, como tolerancias de interrupción, límites de respuesta, modelado de campo y procedimientos de apagado de emergencia. Luego, se deben examinar las respuestas del micrófono para evaluar el campo resultante en cuanto a uniformidad, coherencia y, si está disponible, respuesta estructural. Luego, se reemplaza el simulador con el elemento de prueba real en el círculo de altavoces y se repite el proceso de prueba.
La operación completa suele completarse en cuatro días y solo se necesita el artículo de prueba para uno de esos días. Todo el equipo se lleva al artículo de prueba, se ensambla, se prueba previamente y se verifica su rendimiento antes de probar el artículo de vuelo. Por lo general, el artículo de vuelo solo se necesita para un día de prueba, dependiendo de la complejidad del plan de prueba. Una vez finalizada la prueba de vuelo, se retira el artículo y se desmonta todo el equipo y se transporta desde el sitio.
La conveniencia, el bajo costo y la movilidad de este método lo distinguen de las pruebas convencionales y son las razones principales 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 requeridos se llevan al sitio de 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, por lo tanto, proporciona energía eléctrica limpia en el sitio en una configuración consistente para la conexión al equipo de distribución de energía MSI. Esto elimina la demanda de grandes cantidades de energía de la instalación 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 en el flujo de prueba e integración de artículos de prueba normales. El equipo de prueba es completamente portátil y no se requieren instalaciones o infraestructuras especiales.