高超聲速1MHz高頻脈動(dòng)壓力測(cè)試技術(shù)及其應(yīng)用

紀(jì)鋒，解少飛，沈清

(中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京100074)

高超聲速1MHz高頻脈動(dòng)壓力測(cè)試技術(shù)及其應(yīng)用

紀(jì)鋒，解少飛*，沈清

(中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京100074)

為了研究高超聲速邊界層內(nèi)的高頻脈動(dòng)結(jié)構(gòu)，特別是第二模態(tài)不穩(wěn)定波，在FD-07風(fēng)洞中搭建了一套1MHz量級(jí)高頻脈動(dòng)壓力采集系統(tǒng)。風(fēng)洞背景噪聲和電磁噪聲是影響高頻脈動(dòng)結(jié)構(gòu)測(cè)量的主要原因。在風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)無(wú)法改變的前提下，對(duì)高頻脈動(dòng)壓力采集系統(tǒng)的信號(hào)傳輸進(jìn)行了改進(jìn)，包括工頻電源隔離、傳輸電纜屏蔽和采集設(shè)備接地等。通過(guò)改進(jìn)措施，采集系統(tǒng)的抗電磁干擾和信號(hào)衰減的能力得到改善，其信噪比得以顯著提升。結(jié)果表明，改進(jìn)前后各頻段噪聲的能譜密度大幅降低(在頻率400 kHz以下，噪聲能譜密度降低了一個(gè)量級(jí)以上)。最后，利用該測(cè)試技術(shù)成功地在FD-07高超聲速風(fēng)洞中進(jìn)行了邊界層穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，捕捉到了第二模態(tài)不穩(wěn)定波，其主導(dǎo)頻率范圍與線性穩(wěn)定性理論預(yù)測(cè)結(jié)果吻合。

高超聲速;高頻脈動(dòng)結(jié)構(gòu);電磁噪聲;信號(hào)衰減;第二模態(tài)不穩(wěn)定波

0 引言

高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩廣泛存在于航空航天飛行器的內(nèi)外流中，導(dǎo)致壁面摩擦阻力和熱流顯著增加，影響飛行器的氣動(dòng)性能和控制效率。研究結(jié)果表明，高頻擾動(dòng)波是導(dǎo)致高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩的重要因素，如第二模態(tài)不穩(wěn)定波主導(dǎo)了簡(jiǎn)單外形上的邊界層轉(zhuǎn)捩。因此，開(kāi)展精細(xì)的高頻脈動(dòng)測(cè)量以研究這些脈動(dòng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展演化特性和規(guī)律，是高超聲速轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)和控制的重要環(huán)節(jié)。

高超聲速邊界層中的脈動(dòng)結(jié)構(gòu)測(cè)量開(kāi)始于Demetriades［1］的工作，1958年他第一次公布了高超聲速邊界層穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此后，Stenson等［2-5］利用熱線技術(shù)系統(tǒng)地研究了邊界層內(nèi)擾動(dòng)波結(jié)構(gòu)，尤其是第二模態(tài)不穩(wěn)定波。然而，熱線技術(shù)的應(yīng)用存在諸多困難:為測(cè)量高頻擾動(dòng)波需提高熱線響應(yīng)，熱線絲需要制作得很細(xì)，同時(shí)也會(huì)變得十分脆弱，如此小的熱線絲在高超聲速流動(dòng)中保持完好是十分困難的，尤其是在風(fēng)洞啟動(dòng)過(guò)程中;熱線無(wú)法實(shí)現(xiàn)流向上的同時(shí)多點(diǎn)測(cè)量，導(dǎo)致熱線結(jié)果無(wú)法反映同一車(chē)次同一時(shí)刻模型邊界層內(nèi)的空間流動(dòng)特征。

為了彌補(bǔ)這些缺陷，2005年Fujii等［6-7］首次利用PCB132高頻壓力傳感器在JAXA(Japan Aerospace Exploration Agency)的1#高超聲速風(fēng)洞開(kāi)展了圓錐邊界層穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，測(cè)量到第二模態(tài)波。隨后，Estorf等［8］利用PCB132傳感器在Purdue大學(xué)的馬赫數(shù)6靜風(fēng)洞和Braunschweig的常規(guī)風(fēng)洞開(kāi)展了圓錐邊界層穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)PCB132傳感器對(duì)第二模態(tài)不穩(wěn)定波的敏感性很好，信噪比可能比Stetson等的熱線實(shí)驗(yàn)結(jié)果高出一個(gè)量級(jí)。近些年，美國(guó)［9-10］、日本［11-12］、德國(guó)［13］等國(guó)家均成功采用PCB132傳感器在高超聲速風(fēng)洞中開(kāi)展了邊界層穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究，使得該傳感器已成為目前應(yīng)用最廣泛的高超聲速邊界層穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究的探測(cè)手段。在國(guó)內(nèi)，受到高頻響、高噪聲和低幅值等問(wèn)題的制約，高超聲速邊界層中的高頻脈動(dòng)結(jié)構(gòu)測(cè)量工作進(jìn)展緩慢，僅北京大學(xué)［14］做過(guò)少量工作。

鑒于高頻擾動(dòng)結(jié)構(gòu)在高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩的重要影響，本文發(fā)展了一套高頻脈動(dòng)壓力測(cè)試系統(tǒng)，并在信號(hào)傳輸方面采取一系列改進(jìn)措施，包括工頻電源隔離、傳輸電纜屏蔽、采集設(shè)備接地等，使該系統(tǒng)的信噪比大幅提升。最后，利用該系統(tǒng)在FD-07風(fēng)洞中開(kāi)展了高超聲速穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，用以探測(cè)第二模態(tài)不穩(wěn)定波。

1 高頻脈動(dòng)壓力測(cè)試系統(tǒng)

為了捕捉高超聲速邊界層內(nèi)的高頻脈動(dòng)結(jié)構(gòu)，搭建了一套高頻采集系統(tǒng)。系統(tǒng)組成框圖，如圖1所示。該系統(tǒng)包括高頻壓力傳感器、信號(hào)調(diào)理器、信號(hào)采集卡、觸發(fā)板卡、機(jī)箱和嵌入式控制器。

主要硬件介紹如下:

信號(hào)調(diào)理器，輸入端與傳感器連接，為傳感器供電，并接受傳感器的電壓信號(hào);輸出端與采集卡連接，將電壓信號(hào)傳給采集卡。

采集卡(可實(shí)現(xiàn)從24位500 kHz到16位15MHz的采樣頻率需求)，將測(cè)得的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸給嵌入式控制器，用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析。

圖1 高頻脈動(dòng)壓力采集系統(tǒng)的示意圖Fig.1 Schematic diagram of high frequency fluctuation pressure acquisition system

2 信號(hào)傳輸過(guò)程的信噪比改善

前期研究表明，高超聲速邊界層內(nèi)的高頻脈動(dòng)結(jié)構(gòu)極易淹沒(méi)在風(fēng)洞背景噪聲和電磁噪聲中。Schneider［15］曾指出，為了測(cè)量不穩(wěn)定波，就需要使得其幅值足夠大，并超越風(fēng)洞背景噪聲和電磁噪聲。因此，在實(shí)驗(yàn)狀態(tài)和傳感器位置不發(fā)生變化(即可認(rèn)為第二模態(tài)不穩(wěn)定波幅值不變)時(shí)，提高采集系統(tǒng)的信噪比成為不容忽視的問(wèn)題。

信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)，是指采集系統(tǒng)在正常工作時(shí)采集到的信號(hào)強(qiáng)度與空采時(shí)采集到的噪聲的比值。由此可以看出，信噪比的提高需要從兩方面進(jìn)行，即降低噪聲干擾和減少信號(hào)衰減。

2.1 降低噪聲干擾

干擾噪聲的種類(lèi)很多，它可能是電噪聲，通過(guò)電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)或直接的電氣連接耦合到敏感的電路中;也可能是機(jī)械性的，如通過(guò)壓電效應(yīng)、機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致電噪聲;甚至溫度的隨機(jī)波動(dòng)也可能導(dǎo)致隨機(jī)的熱勢(shì)噪聲。

對(duì)高超聲速流場(chǎng)中的不穩(wěn)定波影響較大的噪聲包括，低頻噪聲、長(zhǎng)波噪聲以及1 MHz以內(nèi)的射頻噪聲。這些噪聲影響到采集系統(tǒng)的正常工作，是經(jīng)由某種傳播途徑被耦合到了采集系統(tǒng)之中。因此，抑制這些干擾噪聲一般有3種手段:1)消除或消弱干擾源; 2)設(shè)法使采集系統(tǒng)對(duì)干擾噪聲不敏感;3)使噪聲傳輸通道的耦合作用最小化。結(jié)合采集設(shè)備、風(fēng)洞本身以及風(fēng)洞周?chē)那闆r，在以下幾個(gè)方面進(jìn)行降噪處理。

采用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)量資料以“±s”表示，不同性別心肺耐力比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，不同年齡段、體重指數(shù)和體力活動(dòng)水平的心肺耐力比較采用單因素方差分析。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.1.1 工頻電源的諧波干擾

工頻電網(wǎng)上連接著很多電氣設(shè)備，某些高頻設(shè)備會(huì)使交流電源線上疊加一些高頻噪聲;某些大功率開(kāi)關(guān)器件會(huì)使交流電源線上產(chǎn)生尖峰噪聲，這些噪聲的寬度很窄，但幅度很高，其高次諧波豐富且頻繁出現(xiàn);工頻電源線還是各種射頻干擾的接受天線，它會(huì)接收各種無(wú)線廣播和無(wú)線通信的射頻信號(hào)。上述干擾均會(huì)通過(guò)供電電源影響微弱信號(hào)的采集電路。因此，電源噪聲是對(duì)不穩(wěn)定波影響的最大的噪聲來(lái)源之一。作者選用了一臺(tái)與工頻電網(wǎng)斷開(kāi)的不間斷電源為采集系統(tǒng)供電，使采集系統(tǒng)徹底與工頻電網(wǎng)物理隔離，有效隔絕來(lái)自工頻電網(wǎng)的噪聲。

2.1.2 電磁屏蔽

屏蔽可控制電場(chǎng)(或磁場(chǎng))從空間的一個(gè)區(qū)域到另一個(gè)區(qū)域的傳播，這是克服電場(chǎng)耦合、磁場(chǎng)耦合以及電磁輻射耦合干擾的最有效手段。本次實(shí)驗(yàn)的屏蔽措施主要從兩個(gè)方面展開(kāi):1)屏蔽噪聲源，通過(guò)用屏蔽材料把干擾源包圍起來(lái)以減弱干擾場(chǎng)的強(qiáng)度; 2)屏蔽需要抑制噪聲的傳輸電纜，通過(guò)用屏蔽材料把傳導(dǎo)電纜包圍起來(lái)以減弱電纜附近的場(chǎng)強(qiáng)。

大多數(shù)已知干擾源在建造和安裝過(guò)程中，已經(jīng)進(jìn)行了必要的屏蔽措施。本部分僅需對(duì)傳導(dǎo)電纜進(jìn)行屏蔽。經(jīng)過(guò)多次對(duì)比實(shí)驗(yàn)，最終選用了同軸電纜屏蔽線作為整個(gè)采集系統(tǒng)的傳導(dǎo)電纜，如圖2所示。該類(lèi)電纜包括塑料編織外皮、高透明度PE、銅薄膜、銅編織網(wǎng)和多芯纏繞電纜絲。除此之外，在模型內(nèi)部，需用銅箔膠帶(其屏蔽效果明顯好于鋁箔膠帶)將傳感器的引出線貼在模型內(nèi)壁上，做第一層屏蔽;在引出線與模型出口的連接處，用銅箔膠帶填補(bǔ)，保證模型是一個(gè)理論上的電磁屏蔽空間。

2.1.3 接地

接地回路噪聲，是壓電傳感器接入二次測(cè)量線路或儀表而構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)后，由于不同點(diǎn)位處的多點(diǎn)接地，形成了接地回路和回路電流所致?？朔母就緩绞窍拥鼗芈?。本文的高頻采集系統(tǒng)關(guān)注的頻率在1MHz以下，故選擇屏蔽層在信號(hào)調(diào)理器單端接地，避免多點(diǎn)接地或浮地。

2.1.4 其他措施

電纜噪聲是同軸電纜在振動(dòng)或彎曲變形時(shí)，電纜屏蔽層、絕緣層和芯線間將引起局部相對(duì)滑移摩擦和分離，而在分離層之間產(chǎn)生的靜電感應(yīng)電荷干擾，它將混入主信號(hào)中被放大。減小電纜噪聲的方法:在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中固定傳感器的引出電纜，防止電纜振動(dòng)或彎曲引入噪聲。

2.2 減少信號(hào)衰減

除了降低噪聲外，提高采集系統(tǒng)信噪比的另一種途徑就是提高目標(biāo)信號(hào)的幅值。當(dāng)信號(hào)幅值恒定時(shí)，需考慮盡可能的減小信號(hào)在傳輸過(guò)程中的衰減或畸變。

2.2.1 集膚效應(yīng)

集膚效應(yīng)，又叫趨膚效應(yīng)，電流或電壓以頻率較高的電子在導(dǎo)體中傳導(dǎo)時(shí)，會(huì)聚集于總導(dǎo)體表層，而非平均分布于整個(gè)導(dǎo)體的截面積中。因?yàn)楫?dāng)導(dǎo)線流過(guò)交變電流時(shí)，根據(jù)楞次定律可知會(huì)在導(dǎo)線內(nèi)部產(chǎn)生渦流，與導(dǎo)線中心電流方向相反。由于導(dǎo)線中心較導(dǎo)線表面的磁鏈大，在導(dǎo)線中心處產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)就比在導(dǎo)線表面附近處產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)大。這樣作用的結(jié)果是，電流在表面流動(dòng)，中心則無(wú)電流。

在高頻電路中可以采用空心導(dǎo)線代替實(shí)心導(dǎo)線，例如，頻率為1 MHz時(shí)，集膚效應(yīng)在60 μm厚層面。但是，考慮實(shí)際情況的可行性，同時(shí)為了消弱趨膚效應(yīng)，在高頻電路中也往往使用多股導(dǎo)線編織成束來(lái)代替同樣截面積的粗導(dǎo)線?；诖?，本高頻采集系統(tǒng)的信號(hào)傳輸電纜，全部采用了多芯纏繞的同軸電纜，如圖3所示，以盡可能的降低集膚效應(yīng)導(dǎo)致的高頻信號(hào)衰減，提供信號(hào)傳輸效率。

2.2.2 電纜驅(qū)動(dòng)限制

長(zhǎng)電纜傳輸會(huì)影響傳感器頻率響應(yīng)。PCB壓力傳感器作為ICP(Integrated Circuit Piezoelectric)傳感器不會(huì)因長(zhǎng)電纜而增加噪聲，但是會(huì)由于在線驅(qū)動(dòng)電流不夠而造成信號(hào)畸變。也就是說(shuō)，電纜中的電容性負(fù)載會(huì)對(duì)高頻信號(hào)起到濾波作用。一般采集信號(hào)在10 kHz以下時(shí)，無(wú)需考慮該問(wèn)題。然而本文高頻采集系統(tǒng)的工作范圍在0～1000 kHz之間，甚至更高。因此需盡可能消除驅(qū)動(dòng)電流和電纜長(zhǎng)度對(duì)頻率響應(yīng)的影響。

在給定電纜長(zhǎng)度時(shí)，最大傳輸頻率Fmax是電纜電容和峰值信號(hào)電壓對(duì)信號(hào)調(diào)節(jié)器的電流比的函數(shù):

其中，C為電纜電容，pF;V為傳感器輸出的最大電壓值(其由傳感器的靈敏度決定)，V;Ic為恒流激勵(lì)的電流值，mA。由此可以看出，當(dāng)電纜長(zhǎng)度和傳感器型號(hào)固定時(shí)，為了提高傳感器的頻率響應(yīng)，需要盡可能的增加激勵(lì)電流值。

按照本文高頻采集系統(tǒng)的參數(shù)可知，電纜長(zhǎng)度L =10m，C≈50pF/m，傳感器靈敏度約為20mV/kPa，馬赫數(shù)6～8條件下的靜壓一般不高于5 kPa，Ic=4mA，則可計(jì)算得到Fmax≈10 MHz。該最大頻率遠(yuǎn)大于高超聲速流場(chǎng)中的不穩(wěn)定波(100～500 kHz)，因此，電纜傳輸對(duì)頻率的影響可不考慮。

2.3 高頻采集系統(tǒng)測(cè)試

利用上述方法對(duì)高頻采集系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提高高頻采集系統(tǒng)的信噪比，并在FD-07高超聲速風(fēng)洞開(kāi)展了系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證。將PCB壓力傳感器安裝在簡(jiǎn)易模型上，如圖3所示，傳感器與高頻采集系統(tǒng)連接。將安裝有PCB傳感器的簡(jiǎn)易模型置于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段底部，采集風(fēng)洞運(yùn)行過(guò)程中的電磁噪聲。利用Welch方法計(jì)算改進(jìn)前后測(cè)量結(jié)果的能譜密度(Power Spectrum Density，PSD)曲線，如圖4所示。圖中可以看出，在400 kHz以下頻率，降低噪聲一個(gè)量級(jí)以上。

圖3 鋼制簡(jiǎn)易模型照片，頭部安裝孔用于安裝PCB傳感器Fig.3 Steel sim p le model，the hole at the head is used to install PCB sensor

圖4 采集系統(tǒng)改進(jìn)前后，F(xiàn)D-07風(fēng)洞周?chē)肼昉SD對(duì)比圖Fig.4 PSD of noises around FD-07 W ind Tunnel before and after im provement

3 高超聲速邊界層穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)是在FD-07風(fēng)洞［16］進(jìn)行。該風(fēng)洞是一座暫沖式下吹-引射高超聲速風(fēng)洞，以空氣為工作介質(zhì)。帶封閉室的自由射流實(shí)驗(yàn)段尺寸為1880 mm×1400 mm×1130 mm。噴管出口直徑為Φ0.5 m，可實(shí)現(xiàn)馬赫數(shù)為4～8。風(fēng)洞背景噪聲約為1.5%～3%。本文實(shí)驗(yàn)狀態(tài)為Ma=6，Re=1.0×107/m和1.8×107/m。采用平板模型，PCB壓力傳感器的位置距離平板前緣160mm。采集器的采樣頻率fs=5 MHz，采樣時(shí)間為200ms。

利用Welch方法［17］計(jì)算了實(shí)驗(yàn)測(cè)得的壓力脈動(dòng)信號(hào)的能譜密度，同時(shí)利用線性穩(wěn)定性理論［18］(Linear Stability Theroy，LST)計(jì)算了相同工況下第二模態(tài)不穩(wěn)定波的增長(zhǎng)率－αi，如圖5所示。單位雷諾數(shù)為Re =1.0×107/m時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的第二模態(tài)不穩(wěn)定波頻率大約為150 kHz，LST得到的第二模態(tài)不穩(wěn)定波的增長(zhǎng)率最大頻率恰好也在150 kHz左右。實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果吻合的很好。當(dāng)單位雷諾數(shù)增加到Re =1.8×107/m時(shí)，由于相同位置上邊界層厚度降低，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的第二模態(tài)不穩(wěn)定波頻率隨之升高至210 kHz，與LST計(jì)算結(jié)果稍有偏差。這可能是邊界層轉(zhuǎn)捩后期出現(xiàn)的非線性作用，使試驗(yàn)測(cè)得的第二模態(tài)波頻率值發(fā)生改變。

圖5 第二模態(tài)不穩(wěn)定波探測(cè)結(jié)果Fig.5 The second m ode instability wave detected

4 結(jié)束語(yǔ)

為了研究高超聲速邊界層中的高頻脈動(dòng)結(jié)構(gòu)，尤其是第二模態(tài)不穩(wěn)定波，本文搭建了一套高頻脈動(dòng)壓力測(cè)試系統(tǒng)，其最高采樣頻率可達(dá)15 MHz，最高分辨率為24bit，傳感器的諧振頻率1 MHz以上。并對(duì)該系統(tǒng)的信號(hào)傳輸部分進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)措施，其中包括降低噪聲干擾和減少信號(hào)衰減。利用這些措施，有效地改善了采集系統(tǒng)的信噪比，在400 kHz以下頻域，噪聲的能譜密度降低一個(gè)量級(jí)以上。最后，利用該測(cè)試技術(shù)在FD-07風(fēng)洞開(kāi)展了高超聲速穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，并成功探測(cè)到第二模態(tài)不穩(wěn)定波，其主導(dǎo)頻率與LST計(jì)算的結(jié)果吻合較好。

［1］Demetriades A.An experimental investigation of the stability of the laminar hypersonic boundary layer［D］.［Ph.D.Dissertation］.California Institute of Technology，1958.

［2］Stetson K F，Thompson E R，Donaldson J C，et al.Laminar boundary layer stability experiments on a cone at Mach 8，Part 1: sharp cone.AIAA-83-1761［R］.Reston:AIAA，1983.

［3］Stetson K F，Thompson E R，Donaldson J C，et al.Laminar boundary layer stability experiments on a cone at Mach 8，Part 2: Blunt cone.AIAA-84-0006［R］.Reston:AIAA，1984.

［4］Stetson K F，Thompson E R，Donaldson J C，et al.Laminar boundary layer stability experiments on a cone at Mach 8，Part 3: Sharp Cone at Angle of Attack.AIAA-85-0492［R］.Reston: AIAA，1985.

［5］Stetson K F，Thompson E R，Donaldson J C，et al.Laminar boundary layer stability experiments on a cone at Mach 8，Part4:on Unit Reynolds number and environmental effects.AIAA-86-1087［R］.Reston:AIAA，1986.

［6］Fujii K.Experiment of two dimensional roughness effect on hypersonic boundary layer transition［J］.Journal of Spacecraft and Rockets，2006，43(4):731-738.

［7］Fujii K.An experiment of two dimensional roughness effect on hypersonic boundary layer transition.AIAA 2005-0891［R］.Reston:AIAA，2005.

［8］Estorf M，Radespiel R.Surface-pressure measurements of secondmode instability in quiet hypersonic flow.AIAA 2008-1153［R］.Reston:AIAA，2008.

［9］Casper K M，Beresh S J，Henfing J F，et al.Hypersonic windtunnel measurements of boundary-layer pressure fluctuations.AIAA 2009-4054［R］.Reston:AIAA，2009.

［10］Berridge D C，Casper K M，Rufer S J，et al.Measurements and computations of second-mode instability waves in three hypersonic wind tunnels.AIAA 2010-5002［R］.Reston:AIAA，2010.

［11］Tanno H，Komuro T，Sato K，et al.Measurement of hypersonic boundary layer transition on cone models in the free-piston shock tunnel HIEST.AIAA 2009-0781［R］.Reston:AIAA，2009.

［12］Tanno H，Komuro T，Sato K，et al.Measurement of hypersonic high-enthalpy boundary layer transition on a 7 cone model.AIAA 2010-310［R］.Reston:AIAA，2010.

［13］Wagner A，Laurence S，Schrammz J M，et al.Experimental investigation of hypersonic boundary-layer transition on a cone model in the High Enthalpy Shock Tunnel(HEG)at Mach 7.5.AIAA 2011-2374［R］.Reston:AIAA，2011.

［14］Zhang C H，Tang Q，Lee C B.Hypersonic boundary-layer transition on a flared cone［J］.Acta Mechanica Sinica，2013，29 (1):48-53.

［15］Schneider S P.Developing mechanism-based methods for estimating hypersonic boundary-layer transition in flight:the role of quiet tunnels.AIAA 2013-2608［R］.Reston:AIAA，2013.

［16］Jiang Wei，Yang Yunjun，Chen Hewu.Investigation on aerodynamics of the spike-tipped hypersonic vehicle［J］.Journal of Experiments in Fluid Mechanics.2011，25(6):28-32.(in Chinese)姜維，楊云軍，陳河梧.帶減阻桿高超聲速飛行器外形氣動(dòng)特性研究［J］.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2011，25(6):28-32.

［17］Hu Guangshu.Digital signal processing［M］.Beijing:Tsinghua University Press，2003:514-516.(in Chinese)胡廣書(shū).數(shù)字信號(hào)處理［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003: 514-516.

［18］Mack L M.Linear stability theory and the problem of supersonic boundary layer transition［J］.AIAA Journal，1975，13(3):278-289.

Hypersonic high frequency(1MHz)fluctuation pressure testing technology and application

Ji Feng，Xie Shaofei*，Shen Qing
(China Academy of Aerospace Aerodynamics，Beijing 100074，China)

High frequency(1 MHz)fluctuation pressure acquisition system was developed to study the high frequency fluctuation structures，especially the second mode instability waves，in hypersonic boundary layer in the FD-07 wind tunnel.Wind tunnel ground noises and electromagnetic noises affects measuring of high frequency fluctuation structures.Due to When the qualities of wind tunnel flow field can’t change，a series of improvements were made for signal transmission of the system to enhance the ability of anti-electromagnetic interference and anti-attenuation.The improvements contained power supply isolation，shielding cable and ground connection，et al.The experimental results by comparison showed that signal to noise ratio(SNR)of the acquisition system increased remarkably，and the power spectrum densities of noises below 400kHz were reduced by one order of magnitude.Finally，hypersonic boundary stability experiment was performed successfully with the acquisition system in FD-07 tunnel.The second mode wave was detected，and the main frequency extent agreed with the results of linear stability theory(LST).

hypersonic;high fluctuation structures;electromagnetic noise;signal attenuation;the second mode instability wave

V411.4

A

10.7638/kqdlxxb-2015.0117

0258-1825(2016)05-0587-05

2015-12-10;

2016-02-01

國(guó)家自然科學(xué)基金(11372296，11402256)

紀(jì)鋒(1981-)，男，內(nèi)蒙古，高級(jí)工程師，研究方向:高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)及試驗(yàn)技術(shù).E-mail:jifeng815@sohu.com

解少飛*(1986-)，研究方向:高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩試驗(yàn)及試驗(yàn)技術(shù).E-mail:flying_1125@126.com

紀(jì)鋒，解少飛，沈清.高超聲速1MHz高頻脈動(dòng)壓力測(cè)試技術(shù)及其應(yīng)用［J］.空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2016，34(5):587-591.

10.7638/kqdlxxb-2015.0117 Ji F，Xie S F，Shen Q.Hypersonic high frequency(1MHz)fluctuation pressure testing technology and application［J］.Acta Aerodynamica Sinica，2016，34(5):587-591.