脉冲爆震发动机爆震声音信号分析

章雄伟，何立明，曾 昊，罗 俊

（空军工程大学工程学院，西安 710038）

1 引言

脉冲爆震发动机噪声辐射特性研究非常必要。由于爆震波从喷口传出到已燃气体完全排出喷口的时间很短，脉冲爆震发动机的噪声属于脉冲噪声。由于，相对在故障诊断时无法测量或精度无法达到的其他诊断信号而言，爆震发动机的声音信号不但测量容易，而且包含巨大的信息，因而采用不断成熟的盲源分离等分析手段，通过多点采集然后从声音信号中分离出有用信号，对故障诊断等具有实际意义。

本文主要对爆震的声音信号的时域和频域进行初步分析[2]。

2 试验装置与方法

脉冲爆震发动机原理样机试验[2]装置由供气系统、燃油供给系统、爆震起爆及频率控制系统、数据采集系统和压力测试系统组成，如图1所示。

爆震管由混合室和爆震燃烧室组成。整个爆震管长165 cm，其中混合室15 cm，爆震燃烧室150 cm。爆震管内径3 cm，外径4 cm，由无缝钢管制成。爆震室头部封闭，尾端敞口，在混合室出口处附近安装有能量可调的高能变频起爆点火器，其点火频率可在1～200 Hz内根据需要调节，点火能量为0～6 J。使用汽油作为燃料，压缩空气为氧化剂。在沿爆震管轴向1、2位置处布有压力传感器安装座（图1），分别距离点火器30、80 cm。在混合室头部采用直射式喷嘴供油，沿周向2个对称位置有2路气路,采用切向进气，以加强气流的紊流度，促进燃料的雾化及其与空气的掺混，可迅速形成均匀的可爆混合气。以无阀式爆震燃烧室为试验平台，汽油和空气作为燃料和氧化剂，二者连续供入爆震室，利用间歇式点火来控制发动机的循环频率[4]。声音采集系统由声音传感器（指向性较强的麦克风）和PC声音采集软件组成[5]。利用该试验平台，测得了爆震燃烧室的声音数据，并对试验数据进行了频域分析[6]。

3 试验结果与分析

3.1 单次爆震试验

单次爆震时，声音的时域信号以及频域信号如图2所示。

在图2(a)中，声音信号幅值在开始阶段变化不大；但在0.79 s时，爆震点火，由于油气混合物被点燃，发生爆燃，声音幅值突升，之后逐渐下降到噪声的幅值范围。从如图2(b)所示的声音信号频谱中可见，爆震声音信号的频率大部分分布在7 kHz以下，为了更清楚地分析频谱，对其局部进行了放大，如图3所示。

从图3中可见，在1000 Hz以下存在多根频谱线。最强的频谱线出现在110 Hz处，同时还存在倍频、3倍频和多倍频，并且幅值随着倍频的增加而减小。

为了更清楚地分析声音信号的本质，对单次爆震的爆震压力数据进行频谱分析，如图4所示。从如图4(b)所示的局部放大图可见，在1000 Hz以下时，压力信号的频谱只有1根较高的频谱线，该频谱线的频率为109.3 Hz，与声音信号的主频（110 Hz）基本一致，所以爆震声音信号除了噪声外还包含了很有用的真实爆震信号。从故障诊断的意义上来说，倍频是1种有力手段，在传统涡喷发动机的几种典型模式[7]中，转子倍频的不同特征代表了不同的故障模式，因此，在爆震声音数据中发现的主频和倍频现象对脉冲爆震发动机故障诊断有着积极的意义。

3.2 爆震频率为12 Hz时试验

爆震频率为12 Hz时的爆震声音波形如图5、6所示。从图5(a)中可见，连续爆震和单次爆震的噪声不同，声音幅值并无特别明显突升。分析图2(a)可知，从声音幅值突升(t=0.79 s)到恢复到噪声级别的幅值(t=1.5 s)，历时约0.71 s，而当爆震频率为12 Hz时，每个爆震的间隔时间是0.08 s，也就是说，在1个爆震声音幅值没有完全降下来时，第2个爆震就发生了，因此爆震声音波形是单次爆震声音和前次爆震余音的叠加，再加上试验室环境比较密闭，声音会产生回传，叠加效果更加明显。从如图6所示的放大图中可见，声音波形也有一些尖峰存在，但是周期性不强，不能体现出12 Hz的爆震频率。而从如图5(b)所示的频谱图中可见，频谱并无特别突出的频谱线，但是最高的频谱线集中在3 kHz以下，而在8 kHz以上所占比例较小。

3.3 爆震频率为14 Hz时试验

爆震频率为14 Hz时的爆震声音波形和波形放大如图7、8所示。从图中可见，时域波形与频率为12 Hz时相似，也没有特别明显的峰值，这同样也是由声音叠加造成的。从图7(b)中可见，爆震频率为14 Hz的爆震声音的频谱分布也无特别突出的频谱线，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。

通过以上对声音的处理可知，只要测量手段合适，爆震的声音数据也可以用来分析爆震波；随着一些比较先进信号分析方法出现，爆震声音数据也会凭其便于测量的特性在爆震分析及故障诊断上得到进一步应用。

4 结束语

对爆震声音信号一般都是按照有害噪声来处理的，而通过对单次爆震声音分析可知，爆震声音数据里包含了与压力数据里同样的主频和多倍频，而倍频通常是判断故障模式的1个重要特征，说明一直作为噪声处理的爆震声音数据可以用来辅助分析爆震发动机性能。而与压力采集相比，声音数据的采集更加经济和方便。随着信号处理方法不断发展，也必将有办法从声音数据中提取出有效部分，从而对爆震分析起到积极作用。

[1]程正兴.小波分析算法与应用[M].西安：西安交通大学出版社，1998.

[2]L.科恩.时-频分析：理论与基础[M].西安：西安交通大学出版社，1998.

[3]罗俊.脉冲爆震发动机数值模拟与实验研究[D].西安：空军工程大学，2008.

[4]严传俊，范玮.脉冲爆震发动机原理及关键技术[M].西安：西北工业大学出版社，2005.

[5]徐明远，刘增力.MATLAB仿真在信号处理中的应用[M].西安：西安电子科技大学出版社,2007.

[6]周浩敏.信号处理技术基础[M].北京：北京航空航天大学出版社,2001.

[7]何立明.脉冲爆震发动机性能分析及试验研究[D].西安：西北工业大学,1999.