脈沖爆震發動機爆震聲音信號分析

章雄偉，何立明，曾 昊，羅 俊

（空軍工程大學工程學院，西安 710038）

1 引言

脈沖爆震發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

脈沖爆震發動機原理樣機試驗[2]裝置由供氣系統、燃油供給系統、爆震起爆及頻率控制系統、數據采集系統和壓力測試系統組成，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的高能變頻起爆點火器，其點火頻率可在1～200 Hz內根據需要調節，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，二者連續供入爆震室，利用間歇式點火來控制發動機的循環頻率[4]。聲音采集系統由聲音傳感器（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據，并對試驗數據進行了頻域分析[6]。

3 試驗結果與分析

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，對單次爆震的爆震壓力數據進行頻譜分析，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，在傳統渦噴發動機的幾種典型模式[7]中，轉子倍頻的不同特征代表了不同的故障模式，因此，在爆震聲音數據中發現的主頻和倍頻現象對脈沖爆震發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，再加上試驗室環境比較密閉，聲音會產生回傳，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，爆震的聲音數據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，爆震聲音數據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用。

4 結束語

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，爆震聲音數據里包含了與壓力數據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據可以用來輔助分析爆震發動機性能。而與壓力采集相比，聲音數據的采集更加經濟和方便。隨著信號處理方法不斷發展，也必將有辦法從聲音數據中提取出有效部分，從而對爆震分析起到積極作用。

[1]程正興.小波分析算法與應用[M].西安：西安交通大學出版社，1998.

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

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

[4]嚴傳俊，范瑋.脈沖爆震發動機原理及關鍵技術[M].西安：西北工業大學出版社，2005.

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

[6]周浩敏.信號處理技術基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社,2001.

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