基于解調(diào)技術(shù)的噴泵空化特征提取方法研究＊

蘇永生 王永生 楊哲輝

（海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院1） 武漢 430033） （中國人民解放軍91251部隊2） 上海 200940）

0 引 言

噴水推進泵具有抗空化能力強的優(yōu)點，但在啟航、緊急加速、轉(zhuǎn)彎、倒車和部分泵工作等工況下，很容易進入空化區(qū)．空化發(fā)生后，不僅使泵的推力減小，效率降低，振動和噪聲加劇，而且還會導(dǎo)致葉輪和導(dǎo)葉體的表面產(chǎn)生空蝕，降低泵的使用壽命．為了減小空化、空蝕的破壞作用，最有效的方法之一就是對噴水推進泵的空化狀態(tài)進行實時監(jiān)測，及時提醒操縱人員改變泵的運行工況以盡快脫離空化區(qū)．盡管國內(nèi)外廣大科研工作者就葉輪機械空化進行了深入而廣泛的研究［1－3］，但就噴水推進泵這個特定對象而言，由于商業(yè)的保密性、對象的復(fù)雜性，尤其是對空化機理認識的不確定性，實際對其進行空化監(jiān)測仍然面臨許多問題．運行中的噴水推進泵，由于氣泡破裂和水流沖擊產(chǎn)生高頻脈沖，是一個寬譜信號，其受葉輪機械旋轉(zhuǎn)效應(yīng)作用而被調(diào)制．文獻［4－5］開展了實船條件下的噴水推進泵空化測量，設(shè)計并開發(fā)了噴水推進泵空化在線監(jiān)測的原理樣機，通過相應(yīng)的信號處理方法提取空化特征，對空化的狀態(tài)進行了分類識別．并根據(jù)實船測試的結(jié)果分析，提出了噴水推進泵在空化區(qū)工作時具有以葉頻為代表的調(diào)制特征．本文結(jié)合某噴水推進泵的實船空化測量，對噴水推進泵空化調(diào)制特征進行量化分析并探求其與空化強度的關(guān)系．

1 解調(diào)技術(shù)和聲壓規(guī)律曲線

在噴水推進器中，由于轉(zhuǎn)子與定子的流場相互作用以及受輪轂漩渦振蕩的影響，通過葉片通道的水流產(chǎn)生了不平穩(wěn)流動．這些流動的不平穩(wěn)迫使瞬時空化的脫落頻率變成了空化外在表征的特征頻率．運用解調(diào)技術(shù)能夠很好地捕捉這類特征，在文獻［6］中，作者提出了空化振動信號的調(diào)制特征，結(jié)合離心泵空化監(jiān)測試驗，利用解調(diào)和相關(guān)分析技術(shù)，以數(shù)值仿真對空化振動信號進行特征提?。\斷實例表明，離心泵的空化信號確實具有與葉頻息息相關(guān)的調(diào)制特征．

1.1 高通絕對值分析的解包絡(luò)

解調(diào)的目的就是對得到調(diào)制信號，獲取包絡(luò)線，從而分析時頻域特征，達到故障診斷的要求．常見的包絡(luò)分析方法有［7］：基于希爾伯特變換的解包絡(luò)分析、基于高通絕對值分析的解包絡(luò)分析方法、基于連續(xù)小波分析的解調(diào)分析方法以及基于小波模極大值算法的包絡(luò)分析方法，等等．由于空化信號是一種寬譜特征，基于希爾伯特變化的解包絡(luò)分析適合于窄帶信號，基于連續(xù)小波分析的解調(diào)方法可利用單個小波的帶通特性，通過改變尺度因子的取值來選擇帶通范圍，同時也可以利用小波濾波器組，可方便地實現(xiàn)選頻、帶通來完成信號的解調(diào)分析．小波模極大值解包絡(luò)是對原始信號直接進行希爾伯特變換，組成包絡(luò)信號后，在利用小波變換模極大值重構(gòu)去噪與重構(gòu)算法對包絡(luò)信號進行處理，從而完成完整解包絡(luò)過程．由于對信號主要是提取其包絡(luò)，因此它的相位信息損失較大，不能得到好的相位譜．高通絕對值分析的解包絡(luò)分析方法簡單，實用，程序易于實現(xiàn)，適合于空化這類寬譜特征．

高通絕對值分析求解調(diào)譜一般分為4步，即高通濾波、取絕對值、低通濾波、信號重抽樣并求譜．該解包絡(luò)方法的核心在于：（1）提高信噪比；（2）將高頻的信號分析轉(zhuǎn)換到低頻處理．

1.2 聲壓規(guī)律曲線的描述

Friedrich等［8］在泵的空化試驗中，利用可視技術(shù)與聲壓計測量空化噪聲的方法監(jiān)視泵內(nèi)空化的發(fā)生過程，將泵內(nèi)未發(fā)現(xiàn)空化現(xiàn)象時測得的空化聲壓信號作為背景噪聲信號，圖1反映了該試驗的測量結(jié)果．圖1中A區(qū)，隨著空化系數(shù)的下降，首先出現(xiàn)聲空化的初始階段．當(dāng)空化系數(shù)進一步下降時，可視空化和空蝕逐步產(chǎn)生，聲壓信號伴隨空化系數(shù)的下降逐步升高．當(dāng)聲壓信號達到最大時，空蝕率也達到最高．隨著空化的進一步加強，進入B區(qū)，空化引起的聲壓信號和空蝕率開始下降，而可視空化卻隨著空化系數(shù)的下降一直上升．

圖1 空化聲壓規(guī)律曲線

隨著空化系數(shù)的下降，水中產(chǎn)生的空泡數(shù)量逐步增多，空泡潰滅的數(shù)目和速度加快，導(dǎo)致了空化聲信號的加強．一個實際的空化區(qū)域總是含有大量的隨機產(chǎn)生和潰滅的空泡，空泡潰滅時輻射出脈沖信號．在空化發(fā)生初期，由于空泡潰滅數(shù)目少，產(chǎn)生的聲信號較弱；但隨著空化的進一步發(fā)展，越來越多的空泡潰滅，空化的“雪崩效應(yīng)”必將會產(chǎn)生過多的空泡．另一方面，由于雪崩效應(yīng)產(chǎn)生了更多的空泡，大量空泡的存在改變了流體的特性，增加了介質(zhì)的可壓縮性，改變了介質(zhì)的傳播特性，降低了脈沖振動的強度．另外，過多的沒潰滅的空泡會匯集成泡沫，阻礙了空化空蝕的進一步發(fā)展，空化隨之進入平穩(wěn)期，上述過程周而復(fù)始．因此，在聲信號的時域上表現(xiàn)為：在微小的聲信號之后，由于空化雪崩效應(yīng)必然會出現(xiàn)較大的脈沖信號，之后又會逐漸減弱，出現(xiàn)的脈沖強度先由小逐步增大，然后又逐漸減小的周期脈沖信號主要原因是因為當(dāng)空化系數(shù)太小時，空穴膨脹較大，吸收了部分空穴潰滅時產(chǎn)生的沖擊壓力和噪聲．

空化聲壓規(guī)律曲線描述如下：隨著空化系數(shù)下降，空化強度增強，空化噪聲強度同時增強；但當(dāng)空化發(fā)展到一定程度后，再降低空化系數(shù)，空化噪聲強度反而下降．

2 實船測試方法

廠商提供的某噴水推進泵裝船后的轉(zhuǎn)速特性曲線，見圖2．圖中對應(yīng)3個工作區(qū)和相應(yīng)的空化限制線，KaMeWa公司將該噴水推進器的工作區(qū)分為3個區(qū)．區(qū)域I是無工作小時數(shù)限制區(qū)，該區(qū)域內(nèi)噴水推進器處于無空化條件下工作．區(qū)域II為輕度空化區(qū)，該區(qū)域內(nèi)允許的年工作小時數(shù)不超過500h／a．噴水推進器在這個區(qū)域工作時，由于負荷較大，已產(chǎn)生輕微的有害空化．區(qū)域III是中度空化區(qū)，規(guī)定該區(qū)域內(nèi)的允許的年工作小時數(shù)不超過50h／a．噴水推進器在這個區(qū)域工作時以處在較為嚴(yán)重的空化狀態(tài)，水力性能下降和剝蝕破壞都較為嚴(yán)重，故在區(qū)域III對年工作小時數(shù)有更嚴(yán)格的限制．

圖2 噴泵轉(zhuǎn)速特性曲線

實船測試的方法就是捕捉噴水推進泵運轉(zhuǎn)在不同的工作區(qū)域內(nèi)空化所表現(xiàn)的外在特征．通過檢查孔蓋內(nèi)安裝的水聽器（浙江富陽715研制的RHS－30標(biāo)準(zhǔn)水聽器，圖3 獲取空化直接效應(yīng)——進口水聲信號，固定噴水推進泵泵殼的加速度傳感器（PCB608－A11，見圖3）獲取空化二次效應(yīng)——殼體振動信號，在驅(qū)動軸上安裝HE－01霍爾轉(zhuǎn)速傳感器用以獲取噴水推進泵的轉(zhuǎn)速、航速信號通過計程儀轉(zhuǎn)換裝置由串口422引入．所有的信號通過NI信號采集板卡，經(jīng)相應(yīng)的前置處理后進入NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過自編的Lab－VIEW軟件實現(xiàn)信號的采集、實時顯示、保存和離線分析．

圖3 傳感器安裝現(xiàn)場

3 數(shù)據(jù)分析

選取如圖4所示的6個實驗工況點進行分析．這6個工作點是該噴水推進船2泵工作時的運行工況，兩泵基本在同一轉(zhuǎn)速下工作，見圖中工況點1的放大．對其中的1號泵采用基于高通絕對值的解包絡(luò)技術(shù)對上述的工況點進行解調(diào)分析，提取對應(yīng)工況時葉頻和倍葉頻處的峰值，見表1．

選用各穩(wěn)定工況下水聲信號和殼體振動信號各5s數(shù)據(jù)進行分析．以工況2時的進口水聲信號為例進行說明：圖5表示水聲信號的時域圖，對其進行頻譜分析，可以清晰得到該工況下的葉頻和倍葉頻，見圖6，這說明數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的信號是真實可靠的．對該信號先進行5kHz的高通濾波（去除低頻信號的影響，實際上就是提高了空化信號的信噪比），然后取信號的絕對值（放大包絡(luò)跡線），再進行500Hz以下的低通濾波，最后對得到的信號重抽樣并進行譜分析，得到如圖7所示的解調(diào)特征譜圖．其他工況采用上述相同的方法進行，將表1得到的調(diào)制特征峰值用直方圖的形式表示，見圖8．

分析實驗工況點和計算結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：從工況1～工況5，隨著泵轉(zhuǎn)速的升高，航速逐漸提高，但到工況6時，航速開始下降，說明此時噴水推進泵的推進性能出現(xiàn)了退化；噴水推進泵的空化受其葉頻及其倍葉頻調(diào)制，噴水推進泵的聲學(xué)空化達到最大時，對應(yīng)的調(diào)制特征也達到最大，說明了調(diào)制特征的大小與聲學(xué)空化強度息息相關(guān)；不管是反映空化直接效應(yīng)的進口水聲信號還是表征空化二次效應(yīng)的殼體振動信號，噴水推進泵空化所呈現(xiàn)的調(diào)制特征具有與空化聲壓規(guī)律一致的特征，即隨著空化強度的增加，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢．

圖4 實船實驗工況點

表1 調(diào)制特征的峰值特征值

圖5 某工況下水聲信號時域圖

圖6 某工況下水聲信號頻域圖

圖7 某工況下水聲信號解調(diào)特征譜圖

圖8 噴水推進泵空化調(diào)制特征規(guī)律

4 結(jié) 論

1）實船測試中設(shè)計的測試系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了噴水推進泵空化特征的捕捉．

2）噴水推進泵的空化具有以葉頻和倍葉頻為代表的調(diào)制特征．

3 噴水推進泵的空化調(diào)制特征呈現(xiàn)與聲壓規(guī)律一致的趨勢，即隨著空化強度的增加，對應(yīng)的調(diào)制特征先上升后下降．

4）可以利用空化調(diào)制特征開展實船噴水推進泵空化的在線監(jiān)測．

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