基于NI板卡的采集系統設計與脈沖爆震發動機噪聲測量

孫加亮

摘要： 針對脈沖爆震發動機試驗樣機噪聲測試的需求，基于NI/PXI4462板卡進行高速數據采集系統設計與實現。并開展脈沖爆震發動機噪聲輻射特性測量與噪聲頻譜特性分析。應用結果表明，測試系統實時性強，可靠性高，滿足了脈沖爆震發動機試驗對高速數據采集的功能和實時性要求。并獲取了脈沖爆震發動機頻譜及聲壓級噪聲輻射特性。

關鍵詞：機械振動 噪聲輻射數據采集聲學測量

中圖分類號：TB532文獻標識碼：A

Abstract：with the need of measure of PDE noise , Based on NI/PXI4462 Board to build a measurement system. Collecting the noise signal and take a analysis with the noise. Application results that the systems show a good performance with the noise measurement. Get the noise spectrum and noise radiation characteristics of the PDE.

Keyword: Vibration, Noise radiation, Acoustic measurement, Data acquisition.

引言

脈沖爆震發動機（Pulse detonation engine，PDE）是利用間歇式爆震燃燒形成充分發展的脈沖爆震波產生推力的一種新概念發動機。PDE具有結構簡單、熱循環效率高、單位燃料消耗率低等特點。脈沖爆震發動機工作時，在爆震管內產生周期性爆震波，爆震波衰減形成強輻射噪聲。強噪聲不但會對作業環境造成不良影響，而且還會導致飛行器的聲致結構疲勞破壞。同時也會對機載設備產生干擾，所以對其噪聲輻射特性的研究是非常必要的。

1 脈沖爆震發動機系統組成及工作原理

1.1 脈沖爆震發動機系統組成

脈沖爆震發動機系統組成包括燃料供給裝置、氧化劑供給裝置、點火器及控制裝置、電動閥門與遠程控制裝置、爆震室、尾噴管等部分，如圖1所示。

圖1 脈沖爆震發動機總體結構示意圖

（1）燃料/氧化劑供給裝置

燃料供給裝置中的燃料采用液態汽油，利用高壓氮氣擠壓方式將油桶內的燃料汽油噴射入脈沖爆震發動機噴射霧化混合模塊內，燃料供給流量可通過控制氮氣壓力進行調整。

脈沖爆震發動機氧化劑采用瓶裝高壓空氣。此外增加了一瓶高壓氧氣，用于提高氧化劑中氧氣含量，以提升燃料氧化劑爆震性能，減少燃燒轉爆震距離，從而可以縮短爆震發動機爆震室長度。

（2）點火器及控制裝置

脈沖爆震發動機采用的點火裝置為高頻、高能點火裝置，脈沖點火頻率不低于5Hz~30Hz，單次點火能量不小于1J。點火裝置工作頻率連續可調，并可通過信號發生器進行精確控制。

（3）電動閥門與遠程控制裝置

燃料與氧化劑供給系統中均安裝電磁閥門，采用24V直流電源供電。試驗人員通過遠程控制方式實現燃料與氧化劑供給系統的開啟和閉合。

（4）爆震室（爆震管）

脈沖爆震發動機爆震室結構內徑分別為60mm、80mm，長度為1.6m，爆震室內部結構由噴射霧化混合模塊、點火器連接模塊、燃燒轉爆震模塊以及尾噴管等組成。

1.2脈沖爆震發動機工作原理

電動閥門分別控制燃料劑與氧化劑，開啟電動閥門后，燃料劑與氧化劑分別通過燃料噴射口與氧化劑進氣口，進入到爆震室腔體進行均勻混合霧化，之后點火系統將燃料劑與氧化劑形成的混合霧化氣體點燃爆震燃燒，混合霧化氣體爆震燃燒形成爆震波與激波，經尾噴管噴出后衰減成強噪聲，其中強噪聲包括爆震噪聲，燃燒噪聲，高速氣流脈沖式排出爆震管時產生的氣動噪聲，以及由爆震管脈沖振動產生的機械噪聲等。

脈沖爆震發動機工作頻率為幾十赫茲，強噪聲包括爆震噪聲，燃燒噪聲，高速氣流脈沖式排出爆震管時產生的氣動噪聲以及爆震管脈沖振動產生的機械噪聲。

2.1采集系統組成

如圖2所示為脈沖爆震發動機噪聲采集系統框圖，其系統組成包括：聲學傳感器、多通道信號調理器、PXI數據采集板卡和NI工控機。

圖2噪聲采集系統框圖

（1）聲學測量系統

脈沖爆震發動機噪聲測量系統由聲學傳感器、校準聲源組成。聲學傳感器采用B&K4939聲學傳感器，其聲壓測量范圍為40dB～178dB，靈敏度4mV/Pa，頻響范圍4Hz-100KHz。由B&K4939聲學傳感器組成的信號采集裝置將聲音信號轉換為電壓信號，再經B&K2690信號調理儀進行信號放大后進入數據采集終端。

（2）數據采集系統

數據采集采用NI公司PXI總線4462四通道同步高速數據采集板卡，NI/PXI4462具有24采樣精度,最高采樣速率為204k/s，具有4通道的輸入,動態范圍為118dB 。

3脈沖爆震發動機噪聲測量及噪聲特性分析

3.1脈沖爆震發動機噪聲測量

脈沖爆震發動機輻射噪聲特性測試是一項較復雜的研究內容，試驗測試應以氣動低頻及脈沖噪聲測試方法和標準作為測試依據。如圖3所示為脈沖爆震發動機輻射噪聲測試系統框圖。

測試儀器包括： 聲學傳感器 B&k4939，信號調理儀B&K2690，標準聲源校準器B&K4031，NI/PXI4462板卡及數據采集終端（工控機）。

圖3脈沖爆震發動機噪聲測試系統框圖

3.2脈沖爆震發動機輻射噪聲有效聲壓級計算

測試直接采集得到脈沖爆震發動機噪聲時域峰值聲壓值P（Pa），為了便于對比分析，報告中同時采用了聲壓級SL進行表述，即用峰值聲壓級表述，測量單位采用dB，其計算結果由公式（1）-（3）得出。

（1）

（2）

（3）

其中，與分別代表在脈沖爆轟強聲源軸線0°方向1m處與10m處的爆轟強聲聲壓級；代表脈沖爆轟強聲作用時間內的聲壓有效值，為參考聲壓值，2×10-5Pa；為脈沖爆轟強聲聲壓瞬時值。

3.3輻射噪聲傳播特性

如圖4所示為10m、20m處實際采集到的爆震噪聲時域波形，首先從爆震噪聲傳播速度的角度進行分析。脈沖爆震聲波傳播經過發動機軸線方向10m與20m處傳感器時，其時間差約為0.029s，計算得到脈沖爆震噪聲傳播經過兩個傳感器之間路程的平均速度為344.8m/s，這與大氣環境下聲波傳播速度基本一致，表明脈沖爆震噪聲到達發動機軸線方向10m處傳感器并向后傳播時，已經不再是高速傳播的爆震波，而是聲波。

其次，從爆震噪聲強度衰減的角度進行分析，圖4給出了單一脈沖爆震噪聲波經過10m與20m處傳感器時的時域波形圖。

圖4 發動機軸線方向10m與20m處脈沖爆震噪聲時域信號

脈沖爆震噪聲波經過10m與20m位置時，脈沖爆震聲壓曲線面積積分值衰減了1.9倍，聲壓級衰減約5.58dB，基本與球面波衰減（6dB）規律相同，表明采用球面波衰減規律推算1m處脈沖爆震噪聲聲壓級是可行的。

3.4脈沖爆震發動機輻射噪聲頻譜特性分析

對所測不同頻率輻射噪聲時域信號進行傅里葉變換得到對應頻率輻射噪聲信號的頻譜結構圖。圖5所示為脈沖爆震發動機點火頻率分別為5Hz、10Hz、20Hz時的頻譜結構圖。

從發動機輻射噪聲頻譜圖分析得出，脈沖爆震發動機輻射噪聲能主要分布在1kHz以下頻段，且大部分能量集中在0Hz ~600Hz。

結語

（1）對脈沖爆震發動機在不同爆震頻率下的噪聲輻射特性進行研究。通過試驗測量和數據處理，發現其噪聲輻射呈現間歇性和周期性的特點，且在脈沖爆震發動機軸線方向噪聲輻射具有一定指向性；噪聲輻射的頻譜為寬頻帶譜，其能量主要集中在低頻部分(0Hz～600Hz)，點火頻率對梳狀頻譜結構的間隔產生一定影響。

（2）10m距離之外脈沖爆震發動機輻射噪聲傳播特性符合大氣聲傳播及大氣聲衰減特性。

（3）應用結果表明，測試系統實時性強，可靠性高，滿足了PDE試驗對據高速數據采集的功能和實時性要求。并獲取了脈沖爆震發動機頻譜及聲壓級初步噪聲輻射特性。后續工作中將進一步開展相關系統噪聲輻射特性的測試工作。

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