孫加亮

摘要： 針對脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)噪聲測試的需求，基于NI/PXI4462板卡進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。并開展脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲輻射特性測量與噪聲頻譜特性分析。應(yīng)用結(jié)果表明，測試系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，滿足了脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)對高速數(shù)據(jù)采集的功能和實(shí)時(shí)性要求。并獲取了脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)頻譜及聲壓級噪聲輻射特性。

關(guān)鍵詞：機(jī)械振動(dòng) 噪聲輻射數(shù)據(jù)采集聲學(xué)測量

中圖分類號：TB532文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：with the need of measure of PDE noise , Based on NI/PXI4462 Board to build a measurement system. Collecting the noise signal and take a analysis with the noise. Application results that the systems show a good performance with the noise measurement. Get the noise spectrum and noise radiation characteristics of the PDE.

Keyword: Vibration, Noise radiation, Acoustic measurement, Data acquisition.

引言

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)（Pulse detonation engine，PDE）是利用間歇式爆震燃燒形成充分發(fā)展的脈沖爆震波產(chǎn)生推力的一種新概念發(fā)動(dòng)機(jī)。PDE具有結(jié)構(gòu)簡單、熱循環(huán)效率高、單位燃料消耗率低等特點(diǎn)。脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，在爆震管內(nèi)產(chǎn)生周期性爆震波，爆震波衰減形成強(qiáng)輻射噪聲。強(qiáng)噪聲不但會(huì)對作業(yè)環(huán)境造成不良影響，而且還會(huì)導(dǎo)致飛行器的聲致結(jié)構(gòu)疲勞破壞。同時(shí)也會(huì)對機(jī)載設(shè)備產(chǎn)生干擾，所以對其噪聲輻射特性的研究是非常必要的。

1 脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)組成

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)組成包括燃料供給裝置、氧化劑供給裝置、點(diǎn)火器及控制裝置、電動(dòng)閥門與遠(yuǎn)程控制裝置、爆震室、尾噴管等部分，如圖1所示。

圖1 脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖

（1）燃料/氧化劑供給裝置

燃料供給裝置中的燃料采用液態(tài)汽油，利用高壓氮?dú)鈹D壓方式將油桶內(nèi)的燃料汽油噴射入脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)噴射霧化混合模塊內(nèi)，燃料供給流量可通過控制氮?dú)鈮毫M(jìn)行調(diào)整。

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)氧化劑采用瓶裝高壓空氣。此外增加了一瓶高壓氧氣，用于提高氧化劑中氧氣含量，以提升燃料氧化劑爆震性能，減少燃燒轉(zhuǎn)爆震距離，從而可以縮短爆震發(fā)動(dòng)機(jī)爆震室長度。

（2）點(diǎn)火器及控制裝置

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)采用的點(diǎn)火裝置為高頻、高能點(diǎn)火裝置，脈沖點(diǎn)火頻率不低于5Hz~30Hz，單次點(diǎn)火能量不小于1J。點(diǎn)火裝置工作頻率連續(xù)可調(diào)，并可通過信號發(fā)生器進(jìn)行精確控制。

（3）電動(dòng)閥門與遠(yuǎn)程控制裝置

燃料與氧化劑供給系統(tǒng)中均安裝電磁閥門，采用24V直流電源供電。試驗(yàn)人員通過遠(yuǎn)程控制方式實(shí)現(xiàn)燃料與氧化劑供給系統(tǒng)的開啟和閉合。

（4）爆震室（爆震管）

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)爆震室結(jié)構(gòu)內(nèi)徑分別為60mm、80mm，長度為1.6m，爆震室內(nèi)部結(jié)構(gòu)由噴射霧化混合模塊、點(diǎn)火器連接模塊、燃燒轉(zhuǎn)爆震模塊以及尾噴管等組成。

1.2脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

電動(dòng)閥門分別控制燃料劑與氧化劑，開啟電動(dòng)閥門后，燃料劑與氧化劑分別通過燃料噴射口與氧化劑進(jìn)氣口，進(jìn)入到爆震室腔體進(jìn)行均勻混合霧化，之后點(diǎn)火系統(tǒng)將燃料劑與氧化劑形成的混合霧化氣體點(diǎn)燃爆震燃燒，混合霧化氣體爆震燃燒形成爆震波與激波，經(jīng)尾噴管噴出后衰減成強(qiáng)噪聲，其中強(qiáng)噪聲包括爆震噪聲，燃燒噪聲，高速氣流脈沖式排出爆震管時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲，以及由爆震管脈沖振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械噪聲等。

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率為幾十赫茲，強(qiáng)噪聲包括爆震噪聲，燃燒噪聲，高速氣流脈沖式排出爆震管時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲以及爆震管脈沖振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械噪聲。

2.1采集系統(tǒng)組成

如圖2所示為脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲采集系統(tǒng)框圖，其系統(tǒng)組成包括：聲學(xué)傳感器、多通道信號調(diào)理器、PXI數(shù)據(jù)采集板卡和NI工控機(jī)。

圖2噪聲采集系統(tǒng)框圖

（1）聲學(xué)測量系統(tǒng)

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲測量系統(tǒng)由聲學(xué)傳感器、校準(zhǔn)聲源組成。聲學(xué)傳感器采用B&K4939聲學(xué)傳感器，其聲壓測量范圍為40dB～178dB，靈敏度4mV/Pa，頻響范圍4Hz-100KHz。由B&K4939聲學(xué)傳感器組成的信號采集裝置將聲音信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)B&K2690信號調(diào)理儀進(jìn)行信號放大后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集終端。

（2）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集采用NI公司PXI總線4462四通道同步高速數(shù)據(jù)采集板卡，NI/PXI4462具有24采樣精度,最高采樣速率為204k/s，具有4通道的輸入,動(dòng)態(tài)范圍為118dB 。

3脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲測量及噪聲特性分析

3.1脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲測量

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲特性測試是一項(xiàng)較復(fù)雜的研究內(nèi)容，試驗(yàn)測試應(yīng)以氣動(dòng)低頻及脈沖噪聲測試方法和標(biāo)準(zhǔn)作為測試依據(jù)。如圖3所示為脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲測試系統(tǒng)框圖。

測試儀器包括： 聲學(xué)傳感器 B&k4939，信號調(diào)理儀B&K2690，標(biāo)準(zhǔn)聲源校準(zhǔn)器B&K4031，NI/PXI4462板卡及數(shù)據(jù)采集終端（工控機(jī)）。

圖3脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲測試系統(tǒng)框圖

3.2脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲有效聲壓級計(jì)算

測試直接采集得到脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲時(shí)域峰值聲壓值P（Pa），為了便于對比分析，報(bào)告中同時(shí)采用了聲壓級SL進(jìn)行表述，即用峰值聲壓級表述，測量單位采用dB，其計(jì)算結(jié)果由公式（1）-（3）得出。

（1）

（2）

（3）

其中，與分別代表在脈沖爆轟強(qiáng)聲源軸線0°方向1m處與10m處的爆轟強(qiáng)聲聲壓級；代表脈沖爆轟強(qiáng)聲作用時(shí)間內(nèi)的聲壓有效值，為參考聲壓值，2×10-5Pa；為脈沖爆轟強(qiáng)聲聲壓瞬時(shí)值。

3.3輻射噪聲傳播特性

如圖4所示為10m、20m處實(shí)際采集到的爆震噪聲時(shí)域波形，首先從爆震噪聲傳播速度的角度進(jìn)行分析。脈沖爆震聲波傳播經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)軸線方向10m與20m處傳感器時(shí)，其時(shí)間差約為0.029s，計(jì)算得到脈沖爆震噪聲傳播經(jīng)過兩個(gè)傳感器之間路程的平均速度為344.8m/s，這與大氣環(huán)境下聲波傳播速度基本一致，表明脈沖爆震噪聲到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)軸線方向10m處傳感器并向后傳播時(shí)，已經(jīng)不再是高速傳播的爆震波，而是聲波。

其次，從爆震噪聲強(qiáng)度衰減的角度進(jìn)行分析，圖4給出了單一脈沖爆震噪聲波經(jīng)過10m與20m處傳感器時(shí)的時(shí)域波形圖。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)軸線方向10m與20m處脈沖爆震噪聲時(shí)域信號

脈沖爆震噪聲波經(jīng)過10m與20m位置時(shí)，脈沖爆震聲壓曲線面積積分值衰減了1.9倍，聲壓級衰減約5.58dB，基本與球面波衰減（6dB）規(guī)律相同，表明采用球面波衰減規(guī)律推算1m處脈沖爆震噪聲聲壓級是可行的。

3.4脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲頻譜特性分析

對所測不同頻率輻射噪聲時(shí)域信號進(jìn)行傅里葉變換得到對應(yīng)頻率輻射噪聲信號的頻譜結(jié)構(gòu)圖。圖5所示為脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率分別為5Hz、10Hz、20Hz時(shí)的頻譜結(jié)構(gòu)圖。

從發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲頻譜圖分析得出，脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲能主要分布在1kHz以下頻段，且大部分能量集中在0Hz ~600Hz。

結(jié)語

（1）對脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)在不同爆震頻率下的噪聲輻射特性進(jìn)行研究。通過試驗(yàn)測量和數(shù)據(jù)處理，發(fā)現(xiàn)其噪聲輻射呈現(xiàn)間歇性和周期性的特點(diǎn)，且在脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)軸線方向噪聲輻射具有一定指向性；噪聲輻射的頻譜為寬頻帶譜，其能量主要集中在低頻部分(0Hz～600Hz)，點(diǎn)火頻率對梳狀頻譜結(jié)構(gòu)的間隔產(chǎn)生一定影響。

（2）10m距離之外脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲傳播特性符合大氣聲傳播及大氣聲衰減特性。

（3）應(yīng)用結(jié)果表明，測試系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，滿足了PDE試驗(yàn)對據(jù)高速數(shù)據(jù)采集的功能和實(shí)時(shí)性要求。并獲取了脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)頻譜及聲壓級初步噪聲輻射特性。后續(xù)工作中將進(jìn)一步開展相關(guān)系統(tǒng)噪聲輻射特性的測試工作。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬大猷，沈. 聲學(xué)手冊. 科學(xué)出版社，1993.

[2] 杜功煥等. 聲學(xué)基礎(chǔ). 南京大學(xué)出版社，2001.

[3] 嚴(yán)傳俊，范瑋，等．脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)原理及關(guān)鍵技術(shù)[M]．西北工業(yè)大學(xué)出版社，2005．

[4] 劉君華．虛擬儀器編程語言LabWindows教程[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2001．

[5] 程建春. 聲學(xué)原理. 科學(xué)出版社，2012.

[6] Christopher K.W.Tam et al.The Sources of Jet Noise Experimental Evidence.13th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference,2007.

[7] Dennis K. McLaughlin, Ching-Wen Kuo and Dimitri Papamoschou. experiments on the Effect of Ground Reflections on Supersonic Jet Noise. 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2008.

[8] Daniel J. Bodony and Sanjiva K. Lele. Current Status of Jet Noise Predictions Using Large-Eddy Simulation. AIAA JOURNAL, Vol.46, No.2, 2008.