基于NI板卡的采集系统设计与脉冲爆震发动机噪声测量

孙加亮

摘要： 针对脉冲爆震发动机试验样机噪声测试的需求，基于NI/PXI4462板卡进行高速数据采集系统设计与实现。并开展脉冲爆震发动机噪声辐射特性测量与噪声频谱特性分析。应用结果表明，测试系统实时性强，可靠性高，满足了脉冲爆震发动机试验对高速数据采集的功能和实时性要求。并获取了脉冲爆震发动机频谱及声压级噪声辐射特性。

关键词：机械振动 噪声辐射数据采集声学测量

中图分类号：TB532文献标识码：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

脉冲爆震发动机（Pulse detonation engine，PDE）是利用间歇式爆震燃烧形成充分发展的脉冲爆震波产生推力的一种新概念发动机。PDE具有结构简单、热循环效率高、单位燃料消耗率低等特点。脉冲爆震发动机工作时，在爆震管内产生周期性爆震波，爆震波衰减形成强辐射噪声。强噪声不但会对作业环境造成不良影响，而且还会导致飞行器的声致结构疲劳破坏。同时也会对机载设备产生干扰，所以对其噪声辐射特性的研究是非常必要的。

1 脉冲爆震发动机系统组成及工作原理

1.1 脉冲爆震发动机系统组成

脉冲爆震发动机系统组成包括燃料供给装置、氧化剂供给装置、点火器及控制装置、电动阀门与远程控制装置、爆震室、尾喷管等部分，如图1所示。

图1 脉冲爆震发动机总体结构示意图

（1）燃料/氧化剂供给装置

燃料供给装置中的燃料采用液态汽油，利用高压氮气挤压方式将油桶内的燃料汽油喷射入脉冲爆震发动机喷射雾化混合模块内，燃料供给流量可通过控制氮气压力进行调整。

脉冲爆震发动机氧化剂采用瓶装高压空气。此外增加了一瓶高压氧气，用于提高氧化剂中氧气含量，以提升燃料氧化剂爆震性能，减少燃烧转爆震距离，从而可以缩短爆震发动机爆震室长度。

（2）点火器及控制装置

脉冲爆震发动机采用的点火装置为高频、高能点火装置，脉冲点火频率不低于5Hz~30Hz，单次点火能量不小于1J。点火装置工作频率连续可调，并可通过信号发生器进行精确控制。

（3）电动阀门与远程控制装置

燃料与氧化剂供给系统中均安装电磁阀门，采用24V直流电源供电。试验人员通过远程控制方式实现燃料与氧化剂供给系统的开启和闭合。

（4）爆震室（爆震管）

脉冲爆震发动机爆震室结构内径分别为60mm、80mm，长度为1.6m，爆震室内部结构由喷射雾化混合模块、点火器连接模块、燃烧转爆震模块以及尾喷管等组成。

1.2脉冲爆震发动机工作原理

电动阀门分别控制燃料剂与氧化剂，开启电动阀门后，燃料剂与氧化剂分别通过燃料喷射口与氧化剂进气口，进入到爆震室腔体进行均匀混合雾化，之后点火系统将燃料剂与氧化剂形成的混合雾化气体点燃爆震燃烧，混合雾化气体爆震燃烧形成爆震波与激波，经尾喷管喷出后衰减成强噪声，其中强噪声包括爆震噪声，燃烧噪声，高速气流脉冲式排出爆震管时产生的气动噪声，以及由爆震管脉冲振动产生的机械噪声等。

脉冲爆震发动机工作频率为几十赫兹，强噪声包括爆震噪声，燃烧噪声，高速气流脉冲式排出爆震管时产生的气动噪声以及爆震管脉冲振动产生的机械噪声。

2.1采集系统组成

如图2所示为脉冲爆震发动机噪声采集系统框图，其系统组成包括：声学传感器、多通道信号调理器、PXI数据采集板卡和NI工控机。

图2噪声采集系统框图

（1）声学测量系统

脉冲爆震发动机噪声测量系统由声学传感器、校准声源组成。声学传感器采用B&K4939声学传感器，其声压测量范围为40dB～178dB，灵敏度4mV/Pa，频响范围4Hz-100KHz。由B&K4939声学传感器组成的信号采集装置将声音信号转换为电压信号，再经B&K2690信号调理仪进行信号放大后进入数据采集终端。

（2）数据采集系统

数据采集采用NI公司PXI总线4462四通道同步高速数据采集板卡，NI/PXI4462具有24采样精度,最高采样速率为204k/s，具有4通道的输入,动态范围为118dB 。

3脉冲爆震发动机噪声测量及噪声特性分析

3.1脉冲爆震发动机噪声测量

脉冲爆震发动机辐射噪声特性测试是一项较复杂的研究内容，试验测试应以气动低频及脉冲噪声测试方法和标准作为测试依据。如图3所示为脉冲爆震发动机辐射噪声测试系统框图。

测试仪器包括： 声学传感器 B&k4939，信号调理仪B&K2690，标准声源校准器B&K4031，NI/PXI4462板卡及数据采集终端（工控机）。

图3脉冲爆震发动机噪声测试系统框图

3.2脉冲爆震发动机辐射噪声有效声压级计算

测试直接采集得到脉冲爆震发动机噪声时域峰值声压值P（Pa），为了便于对比分析，报告中同时采用了声压级SL进行表述，即用峰值声压级表述，测量单位采用dB，其计算结果由公式（1）-（3）得出。

（1）

（2）

（3）

其中，与分别代表在脉冲爆轰强声源轴线0°方向1m处与10m处的爆轰强声声压级；代表脉冲爆轰强声作用时间内的声压有效值，为参考声压值，2×10-5Pa；为脉冲爆轰强声声压瞬时值。

3.3辐射噪声传播特性

如图4所示为10m、20m处实际采集到的爆震噪声时域波形，首先从爆震噪声传播速度的角度进行分析。脉冲爆震声波传播经过发动机轴线方向10m与20m处传感器时，其时间差约为0.029s，计算得到脉冲爆震噪声传播经过两个传感器之间路程的平均速度为344.8m/s，这与大气环境下声波传播速度基本一致，表明脉冲爆震噪声到达发动机轴线方向10m处传感器并向后传播时，已经不再是高速传播的爆震波，而是声波。

其次，从爆震噪声强度衰减的角度进行分析，图4给出了单一脉冲爆震噪声波经过10m与20m处传感器时的时域波形图。

图4 发动机轴线方向10m与20m处脉冲爆震噪声时域信号

脉冲爆震噪声波经过10m与20m位置时，脉冲爆震声压曲线面积积分值衰减了1.9倍，声压级衰减约5.58dB，基本与球面波衰减（6dB）规律相同，表明采用球面波衰减规律推算1m处脉冲爆震噪声声压级是可行的。

3.4脉冲爆震发动机辐射噪声频谱特性分析

对所测不同频率辐射噪声时域信号进行傅里叶变换得到对应频率辐射噪声信号的频谱结构图。图5所示为脉冲爆震发动机点火频率分别为5Hz、10Hz、20Hz时的频谱结构图。

从发动机辐射噪声频谱图分析得出，脉冲爆震发动机辐射噪声能主要分布在1kHz以下频段，且大部分能量集中在0Hz ~600Hz。

结语

（1）对脉冲爆震发动机在不同爆震频率下的噪声辐射特性进行研究。通过试验测量和数据处理，发现其噪声辐射呈现间歇性和周期性的特点，且在脉冲爆震发动机轴线方向噪声辐射具有一定指向性；噪声辐射的频谱为宽频带谱，其能量主要集中在低频部分(0Hz～600Hz)，点火频率对梳状频谱结构的间隔产生一定影响。

（2）10m距离之外脉冲爆震发动机辐射噪声传播特性符合大气声传播及大气声衰减特性。

（3）應用结果表明，测试系统实时性强，可靠性高，满足了PDE试验对据高速数据采集的功能和实时性要求。并获取了脉冲爆震发动机频谱及声压级初步噪声辐射特性。后续工作中将进一步开展相关系统噪声辐射特性的测试工作。

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