声学风洞流场低湍流度及频谱测量研究

2015-06-22汤更生

实验流体力学 2015年4期

关键词：通滤波风洞干扰信号

朱博, 汤更生

(中国空气动力研究与发展中心设备设计及测试技术研究所, 四川绵阳 621000)

声学风洞流场低湍流度及频谱测量研究

朱博*, 汤更生

(中国空气动力研究与发展中心设备设计及测试技术研究所, 四川绵阳 621000)

采用热线风速仪对5.5m×4m低湍流航空声学风洞闭口试验段低湍流度流场进行测量，根据对干扰信号的分析，提出了高通惯性衰减滤波方法，并与一般数据处理方法进行了比较，给出了流场测量方案、方法和结果。采用功率谱方法和斯特罗哈数方法分析脉动速度信号中的干扰噪声，发现40Hz～10kHz频谱范围内同时存在电磁干扰噪声和支架干扰噪声。比较分析了0.5Hz～5kHz带通滤波方法、电磁噪声解耦方法和0.5Hz高通惯性衰减滤波方法对干扰信号的滤除效果，采用0.5Hz高通惯性衰减滤波方法获得了流场低湍流度数据，流场速度30～100m/s的湍流度平均值小于0.05%。实验结果表明，高通惯性衰减滤波方法可以有效控制干扰信号对测量结果的影响程度，为低湍流度流场信号处理提供了一种方法。

低速风洞；声学风洞；低湍流度；信号处理；热线风速仪

0 引言

5.5m×4m低湍流航空声学风洞(简称声学风洞)属于我国重大科技基础设施建设项目，是一座新建的连续式单回流低速风洞，主要用于声学试验、低湍流度试验和低速试验。湍流度对飞行器气动力特性影响较大，因此，湍流度是风洞流场校测的重要指标，在飞行器模型的风洞试验中，需要对风洞流场湍流度进行准确测量，并对其影响进行修正，以提高风洞试验数据精准度。如果湍流度测量不准确，风洞试验得到的模型气动系数也不精确，就会在很大程度上影响飞行器气动性能的预测精度[1-3]。目前，测量流场湍流度的最理想仪器是热线风速仪(简称热线)，但是由于测量目标为动态信号，导致测量结果容易受到干扰，特别对于低湍流度测量而言，更容易受到电磁干扰[3-4]和支架干扰[5]。因此，在声学风洞低湍流度测量中，需要对测量数据进行信号处理。

国内外文献对低速流场低湍流度测量数据进行信号处理的方法主要有带通滤波[6-9]和干扰信号解耦[10-11]的方法，这些风洞的尺寸、阻尼网层数、收缩比、测量位置、试验风速、湍流度和采用的信号处理方法比较如表1所示。

可见，表1中各风洞采用的带通滤波参数不尽相同。其中，高通滤波截止频率取值范围为0.1Hz～10Hz，低通滤波截止频率取值范围为1kHz～10kHz。滤波参数如何选取，不同的滤波参数和数据处理方法对低湍流度测量结果的影响程度如何，是测量低湍流度需要分析的问题。为此，本文在测量声学风洞低湍流度时，对热线信号频谱中的干扰信号进行初步分析，探讨识别电磁干扰和支架干扰的方法，并对几种滤波参数的数据处理结果和文献[10]的电磁噪声解耦处理结果进行比较，根据脉动速度频谱能量的指数衰减特征，提出基于高通惯性衰减的滤波方法。

表1 低速风洞低湍流度信号处理方法和效果Table 1 Low turbulence intensity signal process methods and results in low speed wind tunnel

1 设备条件及热线仪

1.1 设备条件

本文主要试验在声学风洞的闭口试验段和开口试验段上进行，风洞稳定段设置6层阻尼网，部分关键部段设置了消声部件，开口试验段设置了消声室。闭口试验段流场湍流度设计指标为0.05%，开口试验段流场湍流度设计指标为0.2%。

1.2 热线仪

热线仪采用丹麦丹迪公司的STREAMLINE系统，测量探头主要有55P11一维探头和55P61二维探头，测点布置于风洞试验段的中心，系统配置的采集卡分辨率为16位。数据采样频率为20kHz，采样时间为10s。

2 低速低湍流度流场的干扰信号分析

判断流场非低湍流度测量结果是否受到干扰，可观察流场的速度频谱是否有干扰信号，如图1所示(速度40m/s)。由于充分发展的湍流能谱按照一定的标度率呈现指数衰减[12-13]，因此，无明显干扰的速度幅值随着频率的增加呈现按指数衰减的趋势，而且其频谱无明显的尖峰信号。但是，对于低湍流度测量而言，由于测量目标的量值较小(湍流度0.05%)，已经接近测量系统的自生噪声量值(丹迪热线仪16位数采系统对流场速度40m/s的热线信号仅有0.04%的分辨率，而且常规数采有1～3个最小有效位的电噪声)，这时仪器的本底电噪声和测量支架振动干扰对测量结果的影响是不容忽视的，因此需要进一步识别和滤除这类干扰量。

图1 低通滤波10kHz，湍流度为0.053%的流场速度频谱

Fig.1 Flow velocity spectrum with low pass of 10kHz, turbulence intensity of 0.053%

图2 低通滤波10kHz，湍流度为0.053%的流场脉动速度频谱

Fig.2 Flow velocity fluctuation spectrum with low pass of 10kHz, turbulence intensity of 0.053%

图3 低通滤波10kHz，40m/s的流场脉动速度平均频谱

Fig.3 Flow velocity fluctuation mean spectrum at flow speed of 40m/s with low pass of 10kHz

从湍流度值的计算方法来看：

(1)

图4 不同流场速度的脉动速度功率谱

Fig.4 Flow velocity fluctuation power spectrum at different flow speed

图5 频带40Hz～1kHz的流场脉动速度功率谱

Fig.5 Flow velocity fluctuation power spectrum at frequencies of 40Hz～1kHz

图6 频带500Hz～10kHz的流场脉动速度功率谱

Fig.6 Flow velocity fluctuation power spectrum at frequencies of 500Hz～10kHz

根据斯特罗哈数常数的定义：

(2)

在相同风速v的条件下，改变漩涡发生体的尺寸l就可以产生漩涡频率f和幅值的变化。据此，调整热线探针支杆尺寸缩短三分之一，测量获得图7，可见相同风速下信号尖峰频率稍微变大，90～100m/s风速的尖峰幅值有明显减小。当流场风速达到110m/s时，采用长支杆测量获得的脉动速度，比采用短支杆测量获得的脉动速度在整个频谱范围内的幅值都明显偏大(见图8)，可见特定频率的干扰信号可能对整个频域的湍流能谱标度率都有影响。由此，可判断700Hz～2kHz频带内随流速变化的尖峰信号为支架干扰，不是风洞试验段流场固有的脉动速度信号，应该予以滤除。

图7 短支杆测量的流场脉动速度功率谱

Fig.7 Flow velocity fluctuation power spectrum with short probe support

图8 长支杆和短支杆测量的110m/s流场脉动速度频谱

Fig.8 Flow velocity fluctuation spectrum with short or long probe support at speed of 110m/s

3 低速低湍流度流场的信号处理方法

3.1 带通滤波方法

带通滤波方法是低速低湍流度流场的干扰信号处理的常用方法[6-9]，其对低频干扰信号采用高通滤波，同时对高频干扰信号采用低通滤波。对于大型风洞而言，低频压力脉动对湍流度的贡献是不容忽视的，但是，低频脉动对转捩的影响还有待研究[6]，因此，测量湍流度时通常对低频信号进行了高通滤波。低通截止频率通常根据测量现场的高频干扰信号频率确定。

对脉动信号U′(n)进行频域带通滤波[14]可以表示为：

(3)

(4)

式中：X(k)为U′(n)的频谱幅值，Δf为频谱的频率分辨率，fl为通带的最低频率，fh为通带的最高频率。

3.2 电磁噪声解耦方法

电磁噪声解耦方法[10]是根据电磁噪声信号与流场速度无关的假设，对干扰信号进行解耦的方法，其解析表达式为：

(5)

3.3 高通惯性衰减滤波方法

若对图2进行0.5Hz～5kHz带通滤波和尖峰滤波，效果如图9所示，滤波后，在5kHz～10kHz的范围内不仅干扰信号滤除了，而且有效信号的衰减也很大；在40Hz～5kHz的范围内干扰信号不能有效滤除。因此，干扰信号的影响程度并未得到准确控制。

图9 带通滤波前后的脉动速度谱比较

Fig.9 Flow velocity fluctuation spectrum with or without band pass filtering

文献[3]指出，为准确控制干扰信号的影响程度，滤波频率的选择不能太大也不能太小，应该是最小湍流脉动对应的Kolmogorov频率。实际观察声学引导风洞[15]蜂窝器后较大湍流度的流场频谱(见图10，湍流度10%，平均速度17m/s，频谱平均数25)，也可见在干扰信号不影响有效信号频谱的情况下，有效信号的频谱能量是呈指数衰减的。据此分析，图7所示信号的40Hz～5kHz频谱在无干扰的情况下也应该呈指数衰减。因此，对干扰信号进行基于0.5Hz高通惯性衰减的带通滤波(效果见图11)，可以控制干扰信号对测量结果的影响程度。

图10 声学引导风洞蜂窝器后湍流度为10%的流场脉动速度频谱

Fig.10 Flow velocity fluctuation spectrum with turbulence intensity of 10% behind honeycomb in pilot aeroacoustic wind tunnel

Fig.11 Flow velocity fluctuation spectrum with or without 0.5Hz high pass inertia attenuation filtering

高通惯性衰减滤波方法，指对低频干扰信号采用高通滤波，同时对高频干扰信号采用阻带惯性衰减和尖峰中值滤波的方法，其阻带衰减斜率为无干扰尖峰的脉动速度信号指数衰减斜率。

尖峰中值滤波在频域可以表示为：

(6)

(7)

式中：X(k)为干扰信号频率ft的幅值，m•Δf为干扰信号频率的阻尼半宽。

阻带惯性衰减可采用巴特沃斯低通滤波器进行设计，使得图2的40Hz～10kHz频谱沿1Hz～40Hz的斜率进行惯性衰减。本文的巴特沃斯低通滤波器设计参数为通带角频率1，阻带角频率0.31，通带最大衰减1dB，阻带最小衰减50dB。

4 测量结果和分析

4.1 不同数据处理方法的比较

图12是采用不同方法对闭口试验段的同一组数据进行处理获得的湍流度结果比较。由于存在测量支架振动，而且随着风速的增加，振动对流场脉动速度的影响加大(见图6和7)，因此，电磁噪声解耦方法获得的湍流度结果随着风速的增加逐渐接近原始值。带通滤波方法虽然对低于0.5Hz和高于5kHz的信号进行了滤波，但是对高于5kHz的高频干扰信号未予有效滤除，因此，湍流度测量结果较大。高通惯性衰减滤波方法对低于0.5Hz的信号进行了滤波，并根据前文的电磁干扰分析和支架干扰分析的结果，对高频干扰信号进行了惯性衰减滤波，获得的测量结果比其他两种方法的测量结果小。

图12 闭口试验段湍流度不同数据处理方法的比较

Fig.12 A comparison between results with different kinds of data process method in closed test section

图13是采用不同方法对开口试验段的同一组数据进行处理获得的湍流度结果比较。可见，由于开口试验段低频压力脉动较大，0.5Hz高通滤波对试验数据的影响较大，高频干扰信号对测量结果的影响相对较小。因此，电磁噪声解耦方法获得的湍流度结果与原始值接近，0.5Hz～5kHz带通滤波与0.5Hz高通惯性衰减滤波结果接近。

Fig.13 Comparison between results with different kinds of data process method in open test section

4.2 声学风洞闭口试验段流场湍流度分析

图14是采用0.5Hz高通惯性衰减滤波方法获得的声学风洞闭口试验段流场湍流度分布，图15是湍流度平均值。测量结果表明，闭口试验段流场湍流度值随着流场速度的增加而呈上升趋势(文献[9]的数据也为上升趋势)，湍流度值在流场速度100m/s以下优于设计指标0.05%。当流场速度达到110m/s时，由于支架干扰信号已经对整个频域的有效信号的频谱幅值有较大影响(见图8)，这时采用高通惯性衰减的滤波方法也不能有效去除干扰信号，因此采用现有测量方法在110m/s流场速度获得的湍流度值不宜作为流场考核指标。

图14 闭口试验段流场湍流度分布

Fig.14 Turbulence intensity distribution in flow field of closed test section

图15 闭口试验段流场湍流度平均值Fig.15 Turbulence mean intensity in flow field of closed test section

5 结论

本文给出了5.5m×4m低湍流航空声学风洞流场湍流度测量方法、分析方法和测量结果。

采用功率谱方法和斯特罗哈数方法分析了脉动速度信号中的干扰噪声，发现40Hz～10kHz频谱范围内同时存在电磁干扰噪声和支架干扰噪声。

提出了高通惯性衰减滤波方法，比较分析了0.5Hz～5kHz带通滤波方法、电磁噪声解耦方法和0.5Hz高通惯性衰减滤波方法对干扰信号的滤除效果。比较情况表明，高通惯性衰减滤波方法在一定风速范围内，可以有效控制干扰信号对测量结果的影响程度。

采用0.5Hz高通惯性衰减滤波方法获得了5.5m×4m低湍流航空声学风洞闭口试验段流场低湍流度数据，流场速度30～100m/s的湍流度平均值优于设计指标0.05%。

当流场速度达到110m/s时，由于支架干扰信号已经对整个频域的有效信号的频谱幅值有较大影响，这时采用0.5Hz高通惯性衰减的滤波方法也不能有效去除干扰信号，因此需要在测量支架设计、系统电磁兼容设计中进一步做好抗干扰措施，以提高流场湍流度的测量精度。

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(编辑：杨娟)

Low turbulence intensity and spectrum measurement research in aeroacoustic wind tunnel

Zhu Bo*, Tang Gengsheng

(Facility Design and Instrumentation Institute, China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang Sichuan 621000, China)

The 5.5m×4m low turbulence aeroacoustic wind tunnel is a low speed single-return wind tunnel, capable of performing aeroacoustic, low turbulence and general low speed tests. The flow of this tunnel presents the important quality of low turbulence intensity, which needs to be measured accurately. The band pass filter and signal noise separation are the two main methods to process the low turbulence intensity data. However, the parameters of the two methods are different, and thus there is no direct comparison between their results. In this paper the low turbulence intensity of the flow field is measured in the closed test section of the 5.5m×4m low turbulence aeroacoustic wind tunnel with the hot wire anemometry. A 0.5Hz high pass inertia attenuation filter is adopted to process the data according to the noise analysis, and the results are compared with other two methods, that the 0.5Hz～5kHz band pass filter and the signal noise separation. Noises in the flow field fluctuation are analyzed based on the power spectrum and the Strouhal numbers. The electromagnetic noise and support disturbing noise are found in spectrum domain of 40Hz～10kHz. Using a 0.5Hz high pass inertia attenuation filter, the flow field turbulence intensity is measured and found to be less than 0.05% at the speed of 30～100m/s. Experimental results show that, the high pass inertia attenuation filter method can be used to control the disturbance to the results induced by noises, which is a practical method for processing the low turbulence intensity digital signal.

low speed wind tunnel;aeroacoustic wind tunnel;low turbulence intensity;signal process;hot wire anemometer

1672-9897(2015)04-0058-07

10.11729/syltlx20140118

2014-10-19;

2015-01-09

ZhuB,TangGS.Lowturbulenceintensityandspectrummeasurementresearchinaeroacousticwindtunnel.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(4): 58-64. 朱博, 汤更生. 声学风洞流场低湍流度及频谱测量研究. 实验流体力学, 2015, 29(4): 58-64.

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