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    航空發動機噪聲采集系統的構建

    時間:2015-12-31 來源:未知 作者:傻傻地魚 本文字數:3232字
    摘要

      航空發動機的功率很大,而且噪聲源分布復雜,航空發動機噪聲包括風扇噪聲、壓力機噪聲、渦輪噪聲、燃燒室噪聲和噴氣噪聲等。在航空發動機噪聲中,隱藏著某種故障的特征信息,通過測量、分析航空發動機的噪聲,可以為航空發動機故障分析和診斷提供數據支撐。本文采用基于 PXI 總線技術的虛擬儀器,完成了對航空發動機整個運行過程中的噪聲采集、存儲和分析,對航空發動機的試驗、測試和故障診斷具有重要意義。

      1 航空發動機噪聲測試設備的發展

      早期的航空發動機噪聲采集通常采用模擬式聲級計。模擬式聲學儀器大多只適用于穩定噪聲信號的測量,且精度低、成本高、操作復雜。隨著數字化集成電路的發展,數字式聲級計開始出現并被廣泛使用,其中,聲學儀器倍頻程分析儀廣泛選用集成化有源帶通濾波器芯片替代成組的模擬濾波器,通過改變輸入時鐘頻率的方法,改變了帶通濾波的中心頻率,再配合電子開關,就可實現聲音信號的倍頻程分析功能。

      計算機的發展和應用推動了測試技術的發展,尤其在信號分析領域,采用快速傅立葉變換技術、以計算機為核心的各種聲學儀器相繼問世。這些聲學儀器借助數字信號處理器和傅立葉技術實現了倍頻程、1/3 倍頻程、功率譜、頻率響應函數和相關分析等多種功能。

      虛擬儀器技術的普及使發動機噪聲測量與分析技術出現了質的飛躍,先后開發出了噪聲采集、保存、分析軟件,在通用計算機、工控機上,就可實現倍頻程分析、1/3 倍頻程分析、聲功率譜分析、倒頻率分析、相關分析、相干分析、聲強分析等聲學分析功能,同時還具備數據庫管理功能,具有高精度、低成本、易維護、開發性等優點。

      2 航空發動機噪聲采集系統的設計

      2.1 航空發動機噪聲采集系統的組成

      航空發動機噪聲采集系統基于虛擬儀器的開發思想,采用PXI 總線技術,利用動態數據采集卡,在 PXI 控制器上實現了噪聲數據的動態采集和記錄,通過網絡上傳試驗數據,利用虛擬儀器技術分析航空發動機噪聲的聲功率譜和倍頻程等特性。

      航空發動機噪聲采集系統主要由信號轉換單元、數據采集單元和數據分析處理單元等部分組成,如圖 1 所示。

      信號轉換單元包括試驗現場的一次儀表,主要有傳聲器、前置放大器和信號調理器等,主要是完成聲信號與電信號之間的轉換,并將微弱的電信號調理為可控通用采集模塊采集的大信號;數據采集單元包括機箱、控制器和數據采集模塊等,主要是完成動態信號的實時采集和存儲;數據分析處理單元一般采用計算機系統實現,具有數據分析、存儲能力,分析功能包括聲功率譜和倍頻程等。

      2.2 工作原理

      航空發動機噪聲采集系統的工作原理是:由聲音傳感器采集航空發動機的噪聲信號,然后轉化為電信號,經前置放大器和信號調理器處理后,由數據采集卡采集,并將電壓數據以。DAT 文件的形式存儲于 PXI 控制器上;PXI 控制器可將數據存儲文件目錄設置為共享目錄,以供數據處理計算機調取數據文件;數據處理計算機可通過用戶局域網打開數據文件,然后進行相應處理。

      2.3 部件設計

      2.3.1 數據采集單元

      隨著虛擬儀器技術的發展,模塊化的儀器設備已經全面替代了基礎的臺式儀器,基于虛擬儀器的航空發動機噪聲測試系統充分利用了計算機技術--將信號的分析、顯示、存儲、打印和其他管理集中交由計算機來處理。當前,PXI 總線技術在數據的采集、自動測試和控制等領域得到了廣泛的應用。因此,此次航空發動機噪聲采集系統設計考慮采用 PXI 總線技術,并選用成都天奧測控技術有限公司設計的高精度、大動態范圍的數據采集模塊--SC58112B 模塊來實現對噪聲數據的采集。

      SC58112B 數據采集模塊的原理如圖 2 所示。

      SC58112B 數據采集模塊的主要指標如下:

      通道:4.采樣率:最高 100 kSa/s.

      采集方式:同步。

      分辨率:24 位。

      輸入量程:±5 V.

      動態范圍:120 dB.

      2.3.2 信號轉換單元

      航空發動機的轉速高、空氣流量大,旋轉噪聲、燃燒噪聲、氣動噪聲等多種聲源會合成幾十到幾千赫茲頻率不等的噪聲,噪聲聲壓級高達120~140dB.為完成發動機噪聲信號的采集,首先要通過傳聲器將噪聲信號轉換為電信號,并配置前端放大器和信號調理器,將微弱信號轉換為滿足采集器輸入要求的信號。在本次設計中,采用如下傳感器和調理器來完成信號的轉換。

      2.3.2.1 傳聲器

      傳聲器根據能量轉換方式可分為電動式、電容式和壓電式傳聲器等。現在使用較廣泛的有動圈式傳聲器、電容式傳聲器和駐極體式傳聲器。其中,駐極體電容傳聲器具有性能好、使用方便靈活和輸出電平較高的優點,目前得到了廣泛應用。本次設計選用了 1/4 英寸駐極體自由場型傳聲器,頻率響應范圍為0.0063~40kHz(±2dB),開路靈敏度為4mV/Pa(±2dB),傳聲器與前置配合最高測試聲壓級大于 154 dB,符合相關標準。

      2.3.2.2 前置放大器

      前置放大器具有高輸入阻抗、大動態范圍、低噪聲、低功耗和相位一致性好等特點,適用于各種精確噪聲的測量,能夠滿足戶外和陣列使用要求。前置放大器可采用 4 mA 恒流源或12 V/24 V 直流供電,使用恒流源供電具有前置結構簡單、使用方便等優點,信號傳輸使用同軸線纜,電磁場屏蔽效果較好,且能遠距離傳送信號;使用 12 V/24 V 直流供電具有高輸入阻抗、低噪聲和低功耗等特點,適用于長期戶外聲探測使用。

      2.3.2.3 信號調理器

      信號調理器具有信號放大/衰減和抗混疊濾波功能,可與數據采集卡配套使用,其具體指標如下:

      頻率范圍:0.005~100 kHz(±0.2dB)。

      增益:0.1,1,10,100 增益可調。

      濾波:22.4 kHz 抗混疊濾波,衰減率大于-46 dB/OCT.

      最大輸入信號電壓:10 Vp-p.

      最大輸出信號電壓:10 Vp-p.

      2.3.2.4 其他附件

      為了更精確地采集航空發動機的噪聲信號,減少外部環境的干擾,可采用如下附件:①防風罩。在戶外聲學測量時,風的影響不可忽視--風作用在傳聲器上會直接產生噪聲或引起湍流噪聲,降低聲學測量信噪比,甚至會造成聲學測量無法進行。

      使用時,將防風罩套在傳聲器上,可大大減少風噪聲,而不會使測試聲信號衰減。②延伸電纜。在對測量結果要求較高的情況下,為避免測量儀器和人員干擾聲場,可使用延伸線纜將傳聲器延伸到測點位置。③防雨罩。運用于戶外傳聲器的防雨。

      2.3.3 數據分析處理單元

      數據分析處理單元可以分為數據提取、數據回放分析和數據存儲等部分,可實現對采集數據的二次處理,包括采集設置,數據保持、回放、分析和傳聲器定標等功能。

      2.4 軟件設計

      系統軟件采用模塊化設計,包括自檢、參數配置、數據采集處理、數據顯示、數據記錄、試驗數據回放和測試通道校準等模塊。自檢模塊主要是在軟件啟動后,對數據采集模塊進行初始化操作,然后進行模塊自檢;參數配置模塊主要是完成每個測試通道的參數配置;數據采集處理模塊主要是將采集的電壓信號通過數據處理,轉換為工程值;數據顯示模塊是將采集的數據顯示在界面上,以便試驗人員進行測試;數據記錄模塊主要是以文件形式記錄和保存試驗數據;試驗數據回放模塊主要是以曲線圖形的方式回放試驗記錄的數據文件,以供試驗人員分析處理;測試通道校準模塊主要是在線校準每個測試通道,然后通過軟件計算,得到校準修正系數,供試驗調用。

      2.4.1 軟件結構

      底層為系統中模塊的驅動程序。接口層在底層與上層軟件建立連接關系,在接口層,可為應用程序與設備通訊建立接口。

      此接口定義了應用層調用設備驅動程序的通用接口。通過接口,不同的設備對應用層具有相同參數結構的函數。應用層為實現各種功能的上層軟件,包括硬件設置、采集控制、實時顯示、數據存儲、信號標定、數據分析等,并可以根據客戶的要求增加專用功能,例如專用數據分析、試驗報告生成等。

      2.4.2 軟件流程

      3 結束語

      航空發動機噪聲測試系統可以準確、高效地完成航空發動機噪聲信號的采集、存儲和分析,對于航空發動機的試驗、故障分析和診斷等具有重要意義。基于 PXI 總線技術設計的數據采集系統具有較高的可靠性、可維修性和通用性,同時,數據采集系統通過網絡實現了服務器存儲功能。

      參考文獻:
      [1]黃晶晶,吳志真,雷勇。航空發動機試車臺噪聲聲功率譜技術研究[J].計算機測量與控制,2006(10)。
      [2]杜建紅。航空發動機自動測試系統設計[J].航空發動機,2007(2)。

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