航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉勇

摘 要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲測(cè)量、分析對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷和分析具有很重要的意義。采用駐極體自由場(chǎng)型傳聲器將發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過調(diào)理、放大，然后采用基于PXI總線技術(shù)的虛擬儀器采集信號(hào)，最后使用高性能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試和故障診斷提供數(shù)據(jù)支撐。航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲測(cè)試系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地采集、存儲(chǔ)和分析發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的噪聲信號(hào)。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；噪聲測(cè)試系統(tǒng)；噪聲采集；PXI總線技術(shù)

中圖分類號(hào)：V263.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.24.110

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的功率很大，而且噪聲源分布復(fù)雜，航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲包括風(fēng)扇噪聲、壓力機(jī)噪聲、渦輪噪聲、燃燒室噪聲和噴氣噪聲等。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲中，隱藏著某種故障的特征信息，通過測(cè)量、分析航空發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲，可以為航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障分析和診斷提供數(shù)據(jù)支撐。本文采用基于PXI總線技術(shù)的虛擬儀器，完成了對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)運(yùn)行過程中的噪聲采集、存儲(chǔ)和分析，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)、測(cè)試和故障診斷具有重要意義。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲測(cè)試設(shè)備的發(fā)展

早期的航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲采集通常采用模擬式聲級(jí)計(jì)。模擬式聲學(xué)儀器大多只適用于穩(wěn)定噪聲信號(hào)的測(cè)量，且精度低、成本高、操作復(fù)雜。隨著數(shù)字化集成電路的發(fā)展，數(shù)字式聲級(jí)計(jì)開始出現(xiàn)并被廣泛使用，其中，聲學(xué)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(shí)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(guān)，就可實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)的倍頻程分析功能。

計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用推動(dòng)了測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，尤其在信號(hào)分析領(lǐng)域，采用快速傅立葉變換技術(shù)、以計(jì)算機(jī)為核心的各種聲學(xué)儀器相繼問世。這些聲學(xué)儀器借助數(shù)字信號(hào)處理器和傅立葉技術(shù)實(shí)現(xiàn)了倍頻程、1/3倍頻程、功率譜、頻率響應(yīng)函數(shù)和相關(guān)分析等多種功能。

虛擬儀器技術(shù)的普及使發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲測(cè)量與分析技術(shù)出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，先后開發(fā)出了噪聲采集、保存、分析軟件，在通用計(jì)算機(jī)、工控機(jī)上，就可實(shí)現(xiàn)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(guān)分析、相干分析、聲強(qiáng)分析等聲學(xué)分析功能，同時(shí)還具備數(shù)據(jù)庫管理功能，具有高精度、低成本、易維護(hù)、開發(fā)性等優(yōu)點(diǎn)。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲采集系統(tǒng)的組成

航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲采集系統(tǒng)基于虛擬儀器的開發(fā)思想，采用PXI總線技術(shù)，利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集卡，在PXI控制器上實(shí)現(xiàn)了噪聲數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)采集和記錄，通過網(wǎng)絡(luò)上傳試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用虛擬儀器技術(shù)分析航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的聲功率譜和倍頻程等特性。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲采集系統(tǒng)主要由信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)分析處理單元等部分組成，如圖1所示。

信號(hào)轉(zhuǎn)換單元包括試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的一次儀表，主要有傳聲器、前置放大器和信號(hào)調(diào)理器等，主要是完成聲信號(hào)與電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，并將微弱的電信號(hào)調(diào)理為可控通用采集模塊采集的大信號(hào)；數(shù)據(jù)采集單元包括機(jī)箱、控制器和數(shù)據(jù)采集模塊等，主要是完成動(dòng)態(tài)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)；數(shù)據(jù)分析處理單元一般采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，具有數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)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(fā)動(dòng)機(jī)噪聲采集系統(tǒng)的工作原理是：由聲音傳感器采集航空發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲信號(hào)，然后轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)前置放大器和信號(hào)調(diào)理器處理后，由數(shù)據(jù)采集卡采集，并將電壓數(shù)據(jù)以.DAT文件的形式存儲(chǔ)于PXI控制器上；PXI控制器可將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件目錄設(shè)置為共享目錄，以供數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)調(diào)取數(shù)據(jù)文件；數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)可通過用戶局域網(wǎng)打開數(shù)據(jù)文件，然后進(jìn)行相應(yīng)處理。

2.3 部件設(shè)計(jì)

2.3.1 數(shù)據(jù)采集單元

隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，模塊化的儀器設(shè)備已經(jīng)全面替代了基礎(chǔ)的臺(tái)式儀器，基于虛擬儀器的航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲測(cè)試系統(tǒng)充分利用了計(jì)算機(jī)技術(shù)——將信號(hào)的分析、顯示、存儲(chǔ)、打印和其他管理集中交由計(jì)算機(jī)來處理。當(dāng)前，PXI總線技術(shù)在數(shù)據(jù)的采集、自動(dòng)測(cè)試和控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。因此，此次航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮采用PXI總線技術(shù)，并選用成都天奧測(cè)控技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)的高精度、大動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)據(jù)采集模塊——SC58112B模塊來實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲數(shù)據(jù)的采集。SC58112B數(shù)據(jù)采集模塊的原理如圖2所示。

SC58112B數(shù)據(jù)采集模塊的主要指標(biāo)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(dòng)態(tài)范圍：120 dB。

2.3.2 信號(hào)轉(zhuǎn)換單元

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高、空氣流量大，旋轉(zhuǎn)噪聲、燃燒噪聲、氣動(dòng)噪聲等多種聲源會(huì)合成幾十到幾千赫茲頻率不等的噪聲，噪聲聲壓級(jí)高達(dá)120～140 dB。為完成發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲信號(hào)的采集，首先要通過傳聲器將噪聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并配置前端放大器和信號(hào)調(diào)理器，將微弱信號(hào)轉(zhuǎn)換為滿足采集器輸入要求的信號(hào)。在本次設(shè)計(jì)中，采用如下傳感器和調(diào)理器來完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

2.3.2.1 傳聲器

傳聲器根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方式可分為電動(dòng)式、電容式和壓電式傳聲器等?，F(xiàn)在使用較廣泛的有動(dòng)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(yōu)點(diǎn)，目前得到了廣泛應(yīng)用。

本次設(shè)計(jì)選用了1/4英寸駐極體自由場(chǎng)型傳聲器，頻率響應(yīng)范圍為0.006 3～40 kHz（±2 dB），開路靈敏度為4 mV/Pa（±2 dB），傳聲器與前置配合最高測(cè)試聲壓級(jí)大于154 dB，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.2.2 前置放大器

前置放大器具有高輸入阻抗、大動(dòng)態(tài)范圍、低噪聲、低功耗和相位一致性好等特點(diǎn)，適用于各種精確噪聲的測(cè)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(jié)構(gòu)簡單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，信號(hào)傳輸使用同軸線纜，電磁場(chǎng)屏蔽效果較好，且能遠(yuǎn)距離傳送信號(hào)；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(diǎn)，適用于長期戶外聲探測(cè)使用。

2.3.2.3 信號(hào)調(diào)理器

信號(hào)調(diào)理器具有信號(hào)放大/衰減和抗混疊濾波功能，可與數(shù)據(jù)采集卡配套使用，其具體指標(biāo)如下：

頻率范圍：0.005～100 kHz（±0.2dB）。

增益：0.1，1，10，100增益可調(diào)。

濾波：22.4 kHz抗混疊濾波，衰減率大于-46 dB/OCT。

最大輸入信號(hào)電壓：10 Vp-p。

最大輸出信號(hào)電壓：10 Vp-p。

2.3.2.4 其他附件

為了更精確地采集航空發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲信號(hào)，減少外部環(huán)境的干擾，可采用如下附件：①防風(fēng)罩。在戶外聲學(xué)測(cè)量時(shí)，風(fēng)的影響不可忽視——風(fēng)作用在傳聲器上會(huì)直接產(chǎn)生噪聲或引起湍流噪聲，降低聲學(xué)測(cè)量信噪比，甚至?xí)斐陕晫W(xué)測(cè)量無法進(jìn)行。使用時(shí)，將防風(fēng)罩套在傳聲器上，可大大減少風(fēng)噪聲，而不會(huì)使測(cè)試聲信號(hào)衰減。②延伸電纜。在對(duì)測(cè)量結(jié)果要求較高的情況下，為避免測(cè)量儀器和人員干擾聲場(chǎng)，可使用延伸線纜將傳聲器延伸到測(cè)點(diǎn)位置。③防雨罩。運(yùn)用于戶外傳聲器的防雨。

2.3.3 數(shù)據(jù)分析處理單元

數(shù)據(jù)分析處理單元可以分為數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)回放分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等部分，可實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的二次處理，包括采集設(shè)置，數(shù)據(jù)保持、回放、分析和傳聲器定標(biāo)等功能。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，包括自檢、參數(shù)配置、數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)記錄、試驗(yàn)數(shù)據(jù)回放和測(cè)試通道校準(zhǔn)等模塊。自檢模塊主要是在軟件啟動(dòng)后，對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行初始化操作，然后進(jìn)行模塊自檢；參數(shù)配置模塊主要是完成每個(gè)測(cè)試通道的參數(shù)配置；數(shù)據(jù)采集處理模塊主要是將采集的電壓信號(hào)通過數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)換為工程值；數(shù)據(jù)顯示模塊是將采集的數(shù)據(jù)顯示在界面上，以便試驗(yàn)人員進(jìn)行測(cè)試；數(shù)據(jù)記錄模塊主要是以文件形式記錄和保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)；試驗(yàn)數(shù)據(jù)回放模塊主要是以曲線圖形的方式回放試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)文件，以供試驗(yàn)人員分析處理；測(cè)試通道校準(zhǔn)模塊主要是在線校準(zhǔn)每個(gè)測(cè)試通道，然后通過軟件計(jì)算，得到校準(zhǔn)修正系數(shù)，供試驗(yàn)調(diào)用。

2.4.1 軟件結(jié)構(gòu)

軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

底層為系統(tǒng)中模塊的驅(qū)動(dòng)程序。接口層在底層與上層軟件建立連接關(guān)系，在接口層，可為應(yīng)用程序與設(shè)備通訊建立接口。此接口定義了應(yīng)用層調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的通用接口。通過接口，不同的設(shè)備對(duì)應(yīng)用層具有相同參數(shù)結(jié)構(gòu)的函數(shù)。應(yīng)用層為實(shí)現(xiàn)各種功能的上層軟件，包括硬件設(shè)置、采集控制、實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信號(hào)標(biāo)定、數(shù)據(jù)分析等，并可以根據(jù)客戶的要求增加專用功能，例如專用數(shù)據(jù)分析、試驗(yàn)報(bào)告生成等。

2.4.2 軟件流程

數(shù)據(jù)采集軟件流程如圖4所示。

3 結(jié)束語

航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲測(cè)試系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、高效地完成航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲信號(hào)的采集、存儲(chǔ)和分析，對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)、故障分析和診斷等具有重要意義?；赑XI總線技術(shù)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有較高的可靠性、可維修性和通用性，同時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器存儲(chǔ)功能。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：王霞〕