BR112015011366B1

BR112015011366B1 - método e dispositivo de detecção acústica de uma disfunção de um motor equipado com um controle ativo do ruído

Info

Publication number: BR112015011366B1
Application number: BR112015011366-4A
Authority: BR
Inventors: Geoffroy Nicq
Original assignee: Snecma
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2021-01-05
Also published as: CA2891205A1; EP2932226B1; BR112015011366A2; RU2647261C2; EP2932226A1; CN104870969B; FR2999711B1; CN104870969A; WO2014091165A1; US10330648B2; RU2015120741A; US20150316512A1; FR2999711A1; CA2891205C

Abstract

MÉTODO E DISPOSITIVO DE DETECÇÃO ACÚSTICA DE UMA DISFUNÇÃO DE UM MOTOR EQUIPADO COM UM CONTROLE ATIVO DO RUÍDO. A presente invenção tem como objeto um método de detecção acústica de pelo menos uma disfunção (DIS) de um motor, o motor gerando um ruído primário Po que é tratado por um sistema de controle ativo do ruído que emite para os alvos de redução de ruído um sinal acústico Pc produzido por pelo menos um acionador e que é ligado por uma função de transferência H a um sinal Y produzido pelo dito sistema de controle ativo do ruído, a dita disfunção (DIS) tendo uma assinatura acústica identificável no ruído primário Po nos alvos de redução de ruído, caracterizado pelo fato de que ele compreende as etapas seguintes: aquisição do dito sinal Y produzido pelo sistema de controle ativo; identificação do aparecimento eventual da disfunção por um meio de vigilância que explora o conhecimento de Y e de H e emite uma mensagem de alerta se for o caso.

Description

[0001] A presente invenção se refere ao domínio dos motores e mais especialmente à detecção acústica de uma disfunção de um motor embarcado em uma aeronave.

[0002] São conhecidos meios de detectar acusticamente a disfunção de um motor, por exemplo, identificando para isso as raias em frequência características de defeitos tipos em sua resposta acústica a uma excitação, como é proposto no pedido de patente EP 1 205 749 para verificar o dano de uma pá de turbina.

[0003] Por outro lado, a aplicação do controle ativo de ruído aos motores de aeronaves, notadamente no exemplo descrito pelo presente depositante para a atenuação acústica do ruído de hélice de um turbopropulsor de aeronave de hélice dupla contrarrotativa em seu pedido de patente FR 2 972 710, permite elaborar sistemas ativos de atenuação acústica do ruído do motor para seu ambiente. Um tal sistema produz um sinal sonoro por acionadores de tal modo que ele se combina com o ruído emitido pelo motor, chamado aqui de ruído primário, para anular o ruído percebido em regiões alvos do espaço.

[0004] Para um dispositivo de vigilância de funcionamento do motor, esses sistemas ativos de atenuação acústica apresentam o inconveniente de mascarar os ruídos característicos de uma disfunção. Sabendo que os ruídos das disfunções que se deseja vigiar compreendem frequências características, o presente depositante elaborou um método de vigilância que consiste em desativar o sistema de controle ativo de ruído em bandas de frequências estreitas em torno dessas raias características, descrito no pedido e patente FR 1153076 depositado em 8 de abril de 2011.

[0005] Esse método apresenta vários inconvenientes. Ele impõe não reduzir no ruído de motor os harmônicos seguidos pelo dispositivo de vigilância. Isso provoca uma degradação dos desempenhos do sistema ativo de atenuação de ruído visto que todos os harmônicos de motor, e entre eles os mais significativos, não são reduzidos.

[0006] Além disso, os circuitos de comando dos sistemas de controle ativo são bastante delicados de desenvolver e a robustez dos mesmos é crítica. Para minimizar o ruído e para bem identificar as disfunções, as faixas de frequências nas quais o ruído não é reduzido em torno das raias características são limitadas inserindo-se para isso filtros passa-banda estreita no circuito de regulação do controle ativo, o que provoca defasagens grandes que apresentam o risco de desestabilizar o sistema. Em certas configurações, a aplicação desse método pode degradar bastante os desempenhos de redução de ruído do sistema de controle ativo, e mesmo tornar o mesmo instável. Esse problema pode ser especialmente sensível se for tentado aplicar o método com um sistema de controle ativo que funciona em “Feed back” (com retroação), do qual os dados de saída são utilizados para corrigir os comandos dos acionadores.

[0007] Finalmente, quando esse método é utilizado com um sistema de controle ativo que funciona em “Feed forward” (sem retroação), do qual os dados de entrada são captados a montante sem interação com os alvos de redução de ruído, ele necessita da utilização de um meio suplementar de gravação dos ruídos.

[0008] A invenção visa evitar interferir com o funcionamento do sistema de controle ativo, não impõe limitações de desempenhos para a atenuação de ruído e não introduz, em todos os casos, a utilização de meios secundários de gravação do ruído.

[0009] Com essa finalidade, a invenção se refere a um método de detecção acústica de pelo menos uma disfunção (DIS) de um motor, o motor gerando um ruído primário Po que é tratado por um sistema de controle ativo do ruído que emite para os alvos de redução de ruído um sinal acústico Pc produzido por pelo menos um acionador e que é ligado por uma função de transferência H a um sinal Y produzido pelo dito sistema de controle ativo do ruído, a dita disfunção (DIS) tendo uma assinatura acústica identificável no ruído primário Po nos alvos de redução de ruído, caracterizado pelo fato de que ele compreende as etapas seguintes:

[0010] Uma aquisição do dito sinal Y produzido pelo sistema de controle ativo;

[0011] A identificação do aparecimento eventual da disfunção por um meio de vigilância que explora o conhecimento de Y e de H e emite uma mensagem de alerta se for o caso.

[0012] De preferência, o sinal Y é constituído pelo conjunto dos sinais de comando dos acionadores e o meio de vigilância analisa o ruído primário reconstituído a partir do conhecimento de Y e de H para identificar nele o ruído de eventuais disfunções a partir de harmônicos característicos.

[0013] Quando a função de transferência entre o sinal y e os alvos de redução de ruído é considerada estável e não reavaliada em decorrer de funcionamento, um modo de realização preferencial do método a utiliza como dado da etapa de identificação. Em contrapartida, se a função de transferência é reavaliada pelo sistema de controle ativo do ruído, por exemplo, por causa de uma modificação de regime do motor, um modo de execução do método adaptado a essa situação compreende a aquisição das evoluções temporais dessa função de transferência além do sinal Y para a utilização dos mesmos na etapa de identificação.

[0014] Vantajosamente, um modo de realização do método limita os cálculos da etapa de identificação a frequências características a vigiar. Nesse caso, uma etapa intermediária entre a aquisição e a identificação extrai indicadores reduzidos nos sinais de comando e na função de transferência (os harmônicos utilizados para os cálculos para reconstituir o ruído primário nas frequências características). A utilização de indicadores reduzidos torna bastante mais leve a carga de cálculo e permite um tratamento em tempo real com meios de cálculo embarcados na instalação que compreende o motor.

[0015] Em uma variante suplementar, o sinal de controle do ruído assim como a evolução temporal do estado da função de transferência são transmitidos ao solo para análises mais completas. Isso permite tornar mais leve ainda a carga dos meios de calculo embarcados.

[0016] A invenção se refere também a um dispositivo de detecção acústica de pelo menos uma disfunção (DIS) de um motor, o motor gerando um ruído primário Po, disposto para ser utilizado na presença de um sistema de controle ativo do ruído que emite para os alvos de redução de ruído um sinal acústico Pc produzido por pelo menos um acionador e ligado por uma função de transferência H a um sinal Y produzido pelo dito sistema de controle ativo do ruído, a dita disfunção (DIS) tendo uma assinatura acústica identificável no ruído primário nos alvos de redução de ruído, caracterizado pelo fato de que ele compreende:

[0017] um meio de aquisição do sinal Y produzido pelo sistema de controle ativo;

[0018] um meio de vigilância disposto para identificar o aparecimento eventual da disfunção (DIS) a partir do sinal Y e do conhecimento da função de transferência H e emitir uma mensagem de alerta se for o caso.

[0019] O dispositivo de detecção acústica de disfunção pode ser adaptado a um sistema de redução ativa de ruído que existe. Ele não necessita de modificação das leis de controle nem de instrumento intrusivo complementar. Se o sistema de controle ativo do ruído não é equipado com meios de recópia dos sinais de comandos com finalidade de vigilância eletrônica, chamada monitorização, simples sensores indutivos nos cabos de comando dos acionadores podem bastar para adquirir esses sinais.

[0020] Vantajosamente, o dispositivo será completado com os meios para implementar os diferentes modos de realização do método apresentados mais acima.

[0021] A invenção será melhor compreendida graças a uma descrição mais detalhada de um modo de realização, em referência aos desenhos anexos nos quais:

[0022] A figura 1 representa esquematicamente um processo de redução do ruído por um sistema de controle ativo “Feed-forward”;

[0023] A figura 2 representa esquematicamente um processo de redução do ruído por um sistema de controle ativo “Feed-back”;

[0024] A figura 3 representa esquematicamente a relação entre as bandas características de frequências de certas disfunções e o regime do motor;

[0025] A figura 4 representa esquematicamente o funcionamento de um dispositivo de detecção acústica de certas disfunções do motor de acordo com a invenção no caso de um sistema de controle ativo “Feed-back”;

[0026] A figura 5 representa esquematicamente o tratamento das informações de acordo com uma variante da invenção;

[0027] A figura 6 representa esquematicamente o tratamento das informações de acordo com uma segunda variante da invenção.

[0028] A figura 1 representa esquematicamente o princípio de redução do ruído para motor em uma instalação equipada com um sistema de controle ativo Feed- forward. A instalação pode ser um veículo, por exemplo, uma aeronave, e mesmo um banco de ensaio. A redução do ruído visa uma região do espaço que se buscará geralmente bastante extensa. No interior dessa região, se está suscetível de gravar o ruído percebido em localizações chamadas de alvos de redução de ruído.

[0029] O motor 1 emite um ruído primário que corresponde a um sinal acústico Po para os alvos de redução de ruído 31. Um sistema de controle ativo do ruído 2 de acordo com o estado da arte emite, graças a um ou vários acionadores 5, um outro ruído que corresponde a um sinal Pc para os alvos de redução de ruído tal que o ruído percebido Pr pela adição dos sinais Po e Pc permanece de uma intensidade inferior a um nível adequado. Para chegar a esse resultado, o sistema de controle ativo em modo “Feed-forward” utiliza sensores de dados 3 sobre o funcionamento do motor que não interferem com o resultado sobre o ruído percebido Pr e calcula com o auxílio de um algoritmo implementado em um computador 4 os sinais de comando enviados aos acionadores 5 para que eles produzam o sinal Pc na direção dos alvos de redução de ruído. O termo de sinal Y será utilizado no presente documento para representar o conjunto dos sinais de comando dos acionadores quando há vários deles; o sinal Y tem, portanto, várias componentes nesse caso.

[0030] É possível notar nesse estágio que, por definição, na banda frequencial na qual o sistema de controle ativo é eficaz o ruído percebido é pequeno e, portanto, o ruído Pc emitido pelos acionadores para os alvos de redução de ruído dá diretamente uma boa estimativa daquele do ruído primário Po por uma defasagem. Além disso, o conhecimento dos sinais de controle dos acionadores dá diretamente acesso a Pc por uma função de transferência H que leva em consideração a resposta dos acionadores e a transmissão do sinal acústico dos mesmos para os alvos de redução de ruído. Finalmente, uma boa estimativa dessa função de transferência está disponível, pois o sistema de controle ativo do ruído a utiliza ou como dado de entrada ou por uma avaliação interna.

[0031] Um modo preferencial de execução da invenção utiliza, portanto, uma avaliação do ruído primário do motor nos alvos de redução de ruído calculando para isso o ruído Pc diretamente a partir do sinal Y produzido pelo sistema de controle ativo do ruído por uma combinação matricial com a função de transferência H que pode ser anotada no domínio frequencial: Pci = Yk . Hki (1)

[0032] na qual Pci e Yk são as componentes dos sinais Pc e Y nas frequências i e k, e Hki é uma decomposição matricial da função de transferência H nas frequências de cálculo.

[0033] A figura 2 representa esquematicamente o princípio de redução do ruído para motor em uma instalação equipada com um sistema de controle ativo por um sistema de controle ativo “Feed-back”. A principal diferença em relação à figura 1 é a posição do sensor 3 que, nesse caso, fornece ao sistema de controle ativo informações sobre o ruído percebido. Essa diferença é importante, pois ela pode permitir elaborar sistemas mais eficazes de redução de ruído, mas ao preço de uma complexidade aumentada do algoritmo utilizado no computador 4. É, entretanto, notável que essa disposição não modifica a relação que foi descrita precedentemente entre os sinais dos acionadores e o sinal nos alvos de redução de ruído.

[0034] A figura 4 mostra o esquema de princípio de um primeiro modo de realização do método de acordo com a invenção para a detecção acústica das disfunções de um motor 1 equipado com um sistema de controle ativo do ruído 2.

[0035] Um meio de aquisição 6 do sinal Y utiliza de preferência sensores indutivos 7 em torno dos cabos de comando dos acionadores 5 próprios para registrar esse sinal. Ele é em geral completado por uma caixa eletrônica 8 que permite transformar o sinal dos sensores em um sinal digital explorável pelo meio de identificação 10.

[0036] A aquisição do sinal Y é não intrusiva no sentido em que ela não tem nenhuma influencia sobre o funcionamento do sistema de controle ativo de ruído 2. Se o sistema de controla ativo 2 está equipado com uma saída que fornece o sinal de Y, uma simples ligação constituirá, por exemplo, um modo de realização simplificado da etapa de aquisição.

[0037] O sinal Y tem tantas componentes escalares quantos forem os acionadores 5. No exemplo, Y corresponde ao sinal diretamente enviado aos acionadores, mas isso não é limitativo. Por exemplo, uma variante do método utilizará um sinal para um componente interno do sistema de controle ativo do ruído a montante cuja função de transferência para os acionadores é definida.

[0038] Quando a função de transferência H entre os acionadores e os sinais de controle é considerada como estável e não reavaliada no decorrer do funcionamento do sistema de controle ativo de ruído 2, o algoritmo do meio de vigilância 10 do motor que identifica as disfunções emite um sinal de alarme se for o caso e é alimentado unicamente pelos sinais de comando Y dos sensores que provêm do meio de aquisição 6. Em um modo de realização especial, o ruído primário gerado pelo motor que será percebido pelos alvos de redução de ruído na ausência de controle ativo é reconstituído, de acordo com a fórmula (1), por combinação matricial entre o sinal de comando Y e a função de transferência H, que é um dado registrado no computador do meio de vigilância 10.

[0039] Para realizar a detecção acústica de uma disfunção (DIS) no motor a partir do ruído de motor reconstituído, o meio de vigilância 10 explora as características da assinatura acústica da dita disfunção que podem ser extraídas desse ruído. De maneira conhecida para os motores, a cada disfunção DIS vigiada pode ser associada pelo menos uma raia R1 a uma frequência característica. O gráfico da esquerda da figura 3 ilustra de que maneira um defeito DIS1 pode introduzir no espectro do ruído de motor a um regime dado uma raia R1 assim como eventualmente um ou vários harmônicos tais como R2 ou R3. Algoritmos conhecidos pelo profissional permite isolar essas raias no espectro de ruído e associar as mesmas a um evento que se deseja identificar. É possível, por exemplo, aplicar o método utilizado no pedido de patente FR 1153076 que consiste em avaliar a intensidade de energia em uma banda estreita de frequências em torno da raia característica (representada na figura 3), e depois identificar a assinatura da disfunção DIS na ultrapassagem de um limite fixado. O profissional saberá também, a partir desses dados, acompanhar o aparecimento eventual de várias disfunções que correspondem a conjuntos de frequências características específicas. Será também possível adaptar esses algoritmos se as frequências características dessas disfunções evoluem, notadamente em função do regime do motor como está ilustrado no gráfico da direita da figura 3. O meio de vigilância é em seguida equipado com algoritmos específicos para determinar se ele dispara ou não alarmes em função das disfunções identificadas.

[0040] Quando a função de transferência H evolui no decorrer do tempo e que ela é reavaliada pelo computador 4 do sistema de controle ativo do ruído do motor, em um modo de realização preferencial, o meio de aquisição 6 recolhe as informações sobre as evoluções da função de transferência H, por exemplo por meio de uma ligação 9 na direção do computador 4. Nesse modo de realização, o meio de vigilância 10 aplica no princípio o mesmo método de combinação matricial de Y e H a cada momento que precedentemente, mas com um volume de cálculos maior do que quando a função de transferência é estável.

[0041] A ligação 9, contrariamente ao registro 7 do sinal de comando Y, pode exigir uma adaptação opcional do sistema de controle ativo de ruído 2.

[0042] A figura 4 apresenta o princípio de funcionamento com um sistema de controle ativo de tipo “Feed-back”, mas o dispositivo de detecção acústica das disfunções funcionaria do mesmo modo com um sistema de controle ativo de tipo “Feed-forward”, pois ele não interfere com o funcionamento do computador 4.

[0043] De acordo com um modo de realização vantajoso, a transformação em componentes frequências do sinal Y, se for o caso das evoluções da função de transferência H, é feita no meio de aquisição 6 de preferência do que no meio de vigilância 10. Essa disposição não limitativa será utilizada em especial para implementar uma variante do método que utiliza indicadores reduzidos sobre o sinal Y e sobre as evoluções da função de transferência.

[0044] Nessa variante, o meio de vigilância 10 só reconstitui o ruído primário em um pequeno número de frequências características para identificar disfunções críticas. Ele só precisa, portanto, na entrada de informações que se referem a Y e H em um número limitado de frequências para reconstituir o ruído nas frequências características. Essas informações são chamadas aqui de os indicadores reduzidos. Em um modo de realização especial descrito na figura 5, um meio intermediário 11 realiza uma etapa de extração desses indicadores reduzidos a partir do meio de aquisição 6.

[0045] Essa variante permite limitar a potência de cálculo para o meio de vigilância de funcionamento do motor. Para limitar ainda mais a necessidade em potência de cálculo embarcada em uma aeronave, por exemplo, uma variante do método consiste em transferir para o solo o meio de vigilância das disfunções 10. Um modo de realização correspondente, ilustrado na figura 6, compreende meios de transmissão à distância 12 interpostos entre o meio de extração 11 e o meio de vigilância deportado.

[0046] Um outro meio de limitar a potência de cálculo e de aumentar a confiabilidade da detecção é detectar faixas de funcionamento repetíveis (em 11) e só efetuar os meios de extração harmônicos e de transmissão ao solo durante somente essas faixas de funcionamento chamadas de “Operating Modes”.

Claims

1. Método de detecção acústica de pelo menos uma disfunção (DIS) de um motor (1), o motor gerando um ruído primário Po que é tratado por um sistema de controle ativo do ruído (2) emitindo para os alvos de redução de ruído um sinal acústico Pc produzido por pelo menos um acionador (5) e que é ligado por uma função de transferência H a um sinal Y de comando do dito pelo menos um acionador (5) produzido pelo dito sistema de controle ativo do ruído, a dita disfunção (DIS) tendo uma assinatura acústica identificável no ruído primário Po nos níveis dos alvos de redução de ruído, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas seguintes: - aquisição do dito sinal Y produzido pelo sistema de controle ativo; - identificação do aparecimento eventual da disfunção (DIS) por um meio de vigilância que explora o conhecimento de Y e da função de transferência H utilizada pelo sistema de controle ativo de ruído e emite uma mensagem de alerta se for o caso.

2. Método de detecção acústica de pelo menos uma disfunção (DIS) de um motor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle ativo do ruído avalia evoluções da função de transferência H no decorrer do tempo que são objeto de uma aquisição e são utilizadas pela etapa de identificação.

3. Método de detecção acústica de pelo menos uma disfunção de um motor, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o sinal Y é constituído pelo conjunto dos sinais de comando dos acionadores do sistema de controle ativo.

4. Método de detecção acústica de pelo menos uma disfunção de um motor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o meio de vigilância reconstitui uma representação do sinal acústico Pc por combinação matricial entre o sinal Y e a função de transferência H e identifica aí a presença eventual da assinatura acústica da dita disfunção (DIS) por comparação com um ruído de motor sem disfunção.

5. Método de detecção acústica de pelo menos uma disfunção de um motor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a etapa de identificação é implementada em um conjunto limitado de frequências características e que compreende uma etapa intermediária de extração dos sinais que provêm da etapa de aquisição que fornece indicadores reduzidos aos componentes de Y e H para frequências específicas na identificação do ruído da disfunção (DIS) nas ditas frequências características.

6. Método de detecção acústica de pelo menos uma disfunção de um motor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a etapa de identificação é efetuada à distância, fora da instalação que compreende o motor.

7. Dispositivo de detecção acústica de pelo menos uma disfunção (DIS) de um motor (1), o motor gerando um ruído primário Po, disposto para ser utilizado na presença de um sistema de controle ativo do ruído (2) que emite para os alvos de redução de ruído um sinal acústico Pc produzido por pelo menos um acionador (5) e ligado por uma função de transferência H a um sinal Y de comando do dito pelo menos um acionador (5) produzido pelo dito sistema de controle ativo do ruído, a dita disfunção (DIS) tendo uma assinatura acústica identificável no ruído primário nos alvos de redução de ruído, caracterizado pelo fato de que compreende: - um meio de aquisição (6) do sinal Y produzido pelo sistema de controle ativo; - um meio de vigilância (10) disposto para identificar o aparecimento eventual da disfunção (DIS) a partir do sinal Y e do conhecimento da função de transferência H utilizada pelo sistema de controle ativo de ruído e emitir uma mensagem de alerta se for o caso.

8. Dispositivo de detecção acústica de pelo menos uma disfunção (DIS) de um motor, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o meio de aquisição (6) é disposto para captar junto ao sistema de controle ativo de ruído as evoluções da função de transferência que ele avalia no decorrer do tempo e em que o meio de vigilância (10) é disposto para utilizar as ditas evoluções da função de transferência.

9. Dispositivo de detecção acústica das disfunções de um motor, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o meio de aquisição do sinal Y compreende sensores indutivos (7) nos cabos de comando dos acionadores próprios para recolher os sinais de comando.

10. Dispositivo de detecção acústica das disfunções de um motor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizado pelo fato de que compreende, entre o meio de aquisição (6) e o meio de vigilância (10), um meio de extração (11) de indicadores reduzidos nos componentes de Y e de H para as frequências específicas na identificação do ruído da disfunção (DIS) em um conjunto limitado de frequências características.

11. Dispositivo de detecção acústica das disfunções de um motor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 10, caracterizado pelo fato de que o meio de vigilância (10) é deportado e compreende meios de transmissão à distância (12) entre os meios embarcados do dispositivo e o meio de vigilância deportado.