液体火箭发动机试验噪声测试分析.pdf

第4 0 卷第3 期 2 0 1 4 年6 月 火箭推进 J O U R N A LO FR O C K E TP R O P U L S I O N V 0 1 4 0 N o 3 J u n 2 0 1 4 液体火箭发动机试验噪声测试分析 陈海峰，刘晓，赵政社，张少博，辛欣 ( 西安航天动力试验技术研究所，陕西西安7 1 0 1 0 0 ) 摘要：研究液体火箭发动机的声学特性不仅对发动机故障识别与预报有重要意义，还 会对液体火箭上的有效载荷工作可靠性产生影响。为此，对液体火箭发动机试验噪声进行测 试分析就显得尤为必要。针对液体火箭发动机试验噪声的特点，提出了一种适用于液体火箭 发动机试验的噪声测试方法，介绍了该噪声测试系统的原理和各组成部分功能。对某型号液 体火箭发动机地面试验所产生的噪声进行了测量，结合所测得的噪声信号进行了时域与频域 分析，对发动机周围噪声特性进行了研究，得出了发动机在试车台上的噪声分布特征，对液 体火箭发动机的设计改进和地面试验台的降噪措施有一定参考价值。 关键词：液体火箭发动机；噪声测量；试车台 中图分类号：V 4 3 4 + 3 3 4文献标识码：A文章编号：1 6 7 2 9 3 7 4 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 0 8 3 0 8 N o i s ed e t e c t i o ni nt e s to f l i q u i dr o c k e te n g i n e C H E N H a i - f e n g ，L I UX i a o ，Z H A OZ h e n g - s h e ，Z H A N GS h a o - b o ，X I NX i n ( X i a nA e r o s p a c eP r o p u l s i o nT e s tT e c h n o l o g yI n s t i t u t e ，X i a n7 1 0 1 0 0 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：R e s e a r c hf o rt h ea c o u s t i c sc h a r a c t e r i s t i c so fl i q u i dr o c k e te n g i n e ( E R E ) n o to n l yp l a y sa v e r yi m p o r t a n tr o l et oi d e n t i f ya n dp r e d i c te n g i n ef a u l t ，b u ta l s oi m p a c t st h ew o r k i n gr e l i a b i l i t yo f p a y l o a di nL R E T h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oa n a l y z et h en o i s ep r o d u c e di nL R E t e s t B a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fn o i s ei nL R Et e s t ，an o i s ed e t e c t i o nm e t h o ds u i t a b l ef o rL R Et e s ti sp r o p o s e di nt h i s p a p e r T h ep r i n c i p l eo ft h en o i s ed e t e c t i o ns y s t e ma n df u n c t i o n so fv a r i o u sp a n so ft h es y s t e mi sa l s o i n t r o d u c e d T h en o i s ep r o d u c e di nt h eg r o u n dt e s to fat y p eo fL R Ew a sd e t e c t e d T h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h en o i s ea r o u n dL R Ew e r er e s e a r c h e di nc o m b i n a t i o nw i t ht i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i n a n a l y s e sf o rt h ed e t e c t e dn o i s es i g n a l T h en o i s ed i s t r i b u t i n gf e a t u r e so fL R E o nt h et e s ts t a n dw e r e a c q u i r e d T h er e s e a r c hr e s u l ti su s e f u lt ot h ei m p r o v e m e n to ft h eL R Ed e s i g na n dt h en o i s er e d u c t i o n o f t h eg r o u n dt e s ts t a n d K e y w o r d a ：l i q u i dr o c k e te n g i n e ；n o i s ed e t e c t i o n ；t e s ts t a n d 收稿日期：2 0 1 3 1 2 1 3 ；修回日期：2 0 1 4 0 2 2 7 作者简介：陈海峰( 1 9 7 7 一) ，男，工程师，研究领域为液体火箭发动机试验测控技术 万方数据 火箭推进2 0 1 4 年6 月 0 引言 液体火箭发动机噪声是火箭噪声的主要来 源，液体火箭发动机噪声不仅对人们的身心健康 危害极大，而且对发动机本身的性能及结构的影 响也很大，可导致发动机部件产生结构疲劳、性 能恶化及工作不稳定等。近来的一些研究表明： 发动机噪声还隐含着某种即将发生的故障的特征 信息。噪声测量分析作为一种非接触性测量方 法，在振动和应变测量难以实现或无法实现原位 监测时，不失为一种切实可行的监测方法。一般 情况下，机械部件在发生磨损或故障后，发射的 噪声会在声级和特性两方面变化，机械的声学特 征可以诊断任何有缺陷的部件。液体火箭发动机 的声学测量对可能性故障的识别与预报有着重要 的实际意义。 另一方面，声振环境直接影响到航天产品的 正常工作及系统的可靠性。在运载火箭的研制过 程中，必须对其可能产生的声振环境载荷谱进行 预估，这是航天产品声振环境鉴定试验的前提。 液体火箭发动机所产生的高量级噪声和振动载荷 对箭载仪器设备及有效载荷的结构和性能产生影 响，严重的会导致发射失败。因此，获取发动机 真实的声振环境数据成为研究运载系统力学环境 的基础工作。 1 发动机噪声测量系统 1 1 声压测量系统原理 当声源振动时，其周围的空气分子受到交替 的压缩和膨胀，形成疏密相间的状态，这样在空 气传播过程中，空间各处的空气压强产生起伏变 化。日常所遇到的声音，其声压的变化范围相当 宽。人耳的感觉特性从2 x 1 0 。5P a 的阈值到2 0P a 的痛域，相差1 0 0 万倍，用声压表示为0 1 2 0d B 。 因此，在声学中普遍使用对数标度来度量声压。 声压级定义公式如下： L ，_ 10 1 9 著( d B ) ( 1 ) 式中：P 。为2 x 1 0 。5P a ，即指正常人耳的阈值；P 为声压的有效值。 对于液体火箭发动机燃气射流所产生的噪声，声 功率约为发动机功率的0 4 。0 8 ，最大声压级 可达1 6 0 1 7 0d B ，在射流近场甚至高达1 8 5d B 以上，频谱很宽，约为2 0 1 00 0 0H z 。为准确评 定液体火箭发动机试验环境效应对试车台的影 响，对试车台的可靠性做出定量的评价，结合发 动机试验和试验台改造任务，在关键部位布设声 学传感器，对试车台进行噪声环境特性测量，并 对液体火箭发动机环境效应做定量分析。通过对 发动机周围噪声声压的测量来研究发动机工作时 噪声对周围环境的影响。由于火箭发动机地面试 验产生的噪声具有频率范围宽和峰值频率高的特 征，为了能准确获得其噪声和背景噪声的信号数 据，要求噪声测试系统应具有较宽的通频带和较 大的动态范围。本噪声测试系统采用5 个噪声传 感器构成探测阵列，由多路一致性良好的宽带放 大器对信号进行放大，高速动态数据采集系统记 录数据。本噪声测试系统主要由噪声传感器、放 大器、滤波或计权器、记录仪、分析仪等组成， 如图1 所示。 噪J ，f ! j $ 器 图1 声压测量系统原理框图 F i g 1 F u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mo fs o u n d p r e 鹦u r ed e t e c f i o ns y s t e m 图1 中噪声传感器是将声信号转换成相应电 信号的换能器，是整个噪声测试系统的关键部 件。噪声传感器的性能和质量直接影响系统的精 度和能否正确反映被测信号的全部信息。本系统 采用电容式噪声传感器，它具有体积小、成本 低、结构牢固、电容量大和输出阻抗较低等特 点。另外，这种噪声传感器和前置放大器是集成 在一起的，所以稳定性和一致性好，完全符合噪 声测试系统的使用要求。放大器是声学测量的必 备仪器。放大器的选择原则主要是使接收到的信 号最有效地、不失真地进行传输。因此，放大器 要具有宽频带、动态范围大、非线性失真小、噪 声低及稳定性能好等特点，本噪声测试系统采用 万方数据 第4 0 卷第3 期陈海峰，等：液体火箭发动机试验噪声测试分析 8 5 低噪电缆和每通道专用的声频信号放大器。噪声 数据记录仪主要为丹麦B K 公司生产的3 5 6 0 C ， 其采样速率达到5 1 2k B s ，且具有双2 4 位A D ， 能有效提高测量信号的动态范围。采集和分析软 件主要为P U L S E 系统，能够同时进行多通道、 实时、F F T 、C P B 及总级值等分析。 1 2 发动机地面试验噪声源分析 液体火箭发动机地面试验噪声是液体火箭发 动机地面试车时存在的各种噪声源的声辐射总和 这种噪声主要有3 类：冲击波啸叫噪声、超音速 噪声和混合噪声。 1 2 1 冲击波啸叫噪声 在液体火箭发动机地面试验时，高温的燃气 流从发动机喷口以超音速喷出，产生一系列复杂 的冲击波。冲击波在其通过气体介质的瞬间，在 气体介质厚度和面积很小的范围内，介质的压 力、密度及温度等会急剧增高，进而会对周围气 体产生极大的扰动，形成强大的冲击波啸叫噪 声，其噪声频率很高，易引起声学传感器过载。 1 2 2 超音速噪声 自液体火箭发动机喷口至冲击波完全消失之 间的中心气流速度很高，中心气流与外界气流尚 无明显的混合，中心气流仍保持明显的界限，这 就是超音速核心区，然而在超音速核心区的边 界，由于气体的粘滞作用，高速燃气流与外界气 体互相拉扯，剧烈混合，其间的速度梯度极大， 气流所受剪切力最强，气流之间存在着复杂多变 应力。湍流强度高，气流内各处强度和流速发生 剧烈变化。从而辐射出强烈的超音速噪声。 1 2 3 混合噪声 在超音速燃气流逐渐减速到亚音速流的一段 相当长的区域内，亚音速流与外界气流的剪切力 虽不及超音速核心剪切层强。但由于燃气流与外 界气流的强烈混合，湍流强度得到充分提高。气 体中动量的变化需要由作用力来平衡，在无固定 边界的纯空气流中，该作用力的变化是由压力变 化产生。流动区域内压力起伏引起密度起伏，气 流内各向应力急剧变化，使气流内介质体元的运 动发生复杂变化，因而辐射出强烈的喷气噪声， 其噪声强度大，频率范围很宽。这类噪声是液体 火箭发动机地面试验噪声的主要部分。 2 发动机噪声测量方案设