脈沖爆震發(fā)動機爆震聲音信號分析

章雄偉，何立明，曾 昊，羅 俊

（空軍工程大學(xué)工程學(xué)院，西安 710038）

1 引言

脈沖爆震發(fā)動機噪聲輻射特性研究非常必要。由于爆震波從噴口傳出到已燃氣體完全排出噴口的時間很短，脈沖爆震發(fā)動機的噪聲屬于脈沖噪聲。由于，相對在故障診斷時無法測量或精度無法達到的其他診斷信號而言，爆震發(fā)動機的聲音信號不但測量容易，而且包含巨大的信息，因而采用不斷成熟的盲源分離等分析手段，通過多點采集然后從聲音信號中分離出有用信號，對故障診斷等具有實際意義。

本文主要對爆震的聲音信號的時域和頻域進行初步分析[2]。

2 試驗裝置與方法

脈沖爆震發(fā)動機原理樣機試驗[2]裝置由供氣系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、爆震起爆及頻率控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和壓力測試系統(tǒng)組成，如圖1所示。

爆震管由混合室和爆震燃燒室組成。整個爆震管長165 cm，其中混合室15 cm，爆震燃燒室150 cm。爆震管內(nèi)徑3 cm，外徑4 cm，由無縫鋼管制成。爆震室頭部封閉，尾端敞口，在混合室出口處附近安裝有能量可調(diào)的高能變頻起爆點火器，其點火頻率可在1～200 Hz內(nèi)根據(jù)需要調(diào)節(jié)，點火能量為0～6 J。使用汽油作為燃料，壓縮空氣為氧化劑。在沿爆震管軸向1、2位置處布有壓力傳感器安裝座（圖1），分別距離點火器30、80 cm。在混合室頭部采用直射式噴嘴供油，沿周向2個對稱位置有2路氣路,采用切向進氣，以加強氣流的紊流度，促進燃料的霧化及其與空氣的摻混，可迅速形成均勻的可爆混合氣。以無閥式爆震燃燒室為試驗平臺，汽油和空氣作為燃料和氧化劑，二者連續(xù)供入爆震室，利用間歇式點火來控制發(fā)動機的循環(huán)頻率[4]。聲音采集系統(tǒng)由聲音傳感器（指向性較強的麥克風）和PC聲音采集軟件組成[5]。利用該試驗平臺，測得了爆震燃燒室的聲音數(shù)據(jù)，并對試驗數(shù)據(jù)進行了頻域分析[6]。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 單次爆震試驗

單次爆震時，聲音的時域信號以及頻域信號如圖2所示。

在圖2(a)中，聲音信號幅值在開始階段變化不大；但在0.79 s時，爆震點火，由于油氣混合物被點燃，發(fā)生爆燃，聲音幅值突升，之后逐漸下降到噪聲的幅值范圍。從如圖2(b)所示的聲音信號頻譜中可見，爆震聲音信號的頻率大部分分布在7 kHz以下，為了更清楚地分析頻譜，對其局部進行了放大，如圖3所示。

從圖3中可見，在1000 Hz以下存在多根頻譜線。最強的頻譜線出現(xiàn)在110 Hz處，同時還存在倍頻、3倍頻和多倍頻，并且幅值隨著倍頻的增加而減小。

為了更清楚地分析聲音信號的本質(zhì)，對單次爆震的爆震壓力數(shù)據(jù)進行頻譜分析，如圖4所示。從如圖4(b)所示的局部放大圖可見，在1000 Hz以下時，壓力信號的頻譜只有1根較高的頻譜線，該頻譜線的頻率為109.3 Hz，與聲音信號的主頻（110 Hz）基本一致，所以爆震聲音信號除了噪聲外還包含了很有用的真實爆震信號。從故障診斷的意義上來說，倍頻是1種有力手段，在傳統(tǒng)渦噴發(fā)動機的幾種典型模式[7]中，轉(zhuǎn)子倍頻的不同特征代表了不同的故障模式，因此，在爆震聲音數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的主頻和倍頻現(xiàn)象對脈沖爆震發(fā)動機故障診斷有著積極的意義。

3.2 爆震頻率為12 Hz時試驗

爆震頻率為12 Hz時的爆震聲音波形如圖5、6所示。從圖5(a)中可見，連續(xù)爆震和單次爆震的噪聲不同，聲音幅值并無特別明顯突升。分析圖2(a)可知，從聲音幅值突升(t=0.79 s)到恢復(fù)到噪聲級別的幅值(t=1.5 s)，歷時約0.71 s，而當爆震頻率為12 Hz時，每個爆震的間隔時間是0.08 s，也就是說，在1個爆震聲音幅值沒有完全降下來時，第2個爆震就發(fā)生了，因此爆震聲音波形是單次爆震聲音和前次爆震余音的疊加，再加上試驗室環(huán)境比較密閉，聲音會產(chǎn)生回傳，疊加效果更加明顯。從如圖6所示的放大圖中可見，聲音波形也有一些尖峰存在，但是周期性不強，不能體現(xiàn)出12 Hz的爆震頻率。而從如圖5(b)所示的頻譜圖中可見，頻譜并無特別突出的頻譜線，但是最高的頻譜線集中在3 kHz以下，而在8 kHz以上所占比例較小。

3.3 爆震頻率為14 Hz時試驗

爆震頻率為14 Hz時的爆震聲音波形和波形放大如圖7、8所示。從圖中可見，時域波形與頻率為12 Hz時相似，也沒有特別明顯的峰值，這同樣也是由聲音疊加造成的。從圖7(b)中可見，爆震頻率為14 Hz的爆震聲音的頻譜分布也無特別突出的頻譜線，最主要的能量也集中在4 kHz以下，而高于8 kHz所占比例很小。

通過以上對聲音的處理可知，只要測量手段合適，爆震的聲音數(shù)據(jù)也可以用來分析爆震波；隨著一些比較先進信號分析方法出現(xiàn)，爆震聲音數(shù)據(jù)也會憑其便于測量的特性在爆震分析及故障診斷上得到進一步應(yīng)用。

4 結(jié)束語

對爆震聲音信號一般都是按照有害噪聲來處理的，而通過對單次爆震聲音分析可知，爆震聲音數(shù)據(jù)里包含了與壓力數(shù)據(jù)里同樣的主頻和多倍頻，而倍頻通常是判斷故障模式的1個重要特征，說明一直作為噪聲處理的爆震聲音數(shù)據(jù)可以用來輔助分析爆震發(fā)動機性能。而與壓力采集相比，聲音數(shù)據(jù)的采集更加經(jīng)濟和方便。隨著信號處理方法不斷發(fā)展，也必將有辦法從聲音數(shù)據(jù)中提取出有效部分，從而對爆震分析起到積極作用。

[1]程正興.小波分析算法與應(yīng)用[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1998.

[2]L.科恩.時-頻分析：理論與基礎(chǔ)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1998.

[3]羅俊.脈沖爆震發(fā)動機數(shù)值模擬與實驗研究[D].西安：空軍工程大學(xué)，2008.

[4]嚴傳俊，范瑋.脈沖爆震發(fā)動機原理及關(guān)鍵技術(shù)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

[5]徐明遠，劉增力.MATLAB仿真在信號處理中的應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2007.

[6]周浩敏.信號處理技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2001.

[7]何立明.脈沖爆震發(fā)動機性能分析及試驗研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué),1999.