CN100390510C - 一种超声速流场中有源声波检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声速流场中有源声波检测方法，包括如下步骤：1)由计算机产生一系列高频脉冲信号；2)脉冲信号经过音频放大器放大，再输入扬声器驱动器生成声波脉冲；3)通过波导管将声波脉冲导入风洞的稳定段中；4)高频声波进入风洞的试验段后，通过热线风速仪将声波以及背景噪音记录下来；5)通过滤波器滤波后，将背景噪音分离出小幅的高频信号；6)经过放大器放大后，将信号输入计算机进行系综平均计算。本发明能够将外加声波信号及其边界层响应从背景噪音中分离出来，并且热线风速仪两个探头的检测，还可以相应地得到超声波速和气流静温。

Description

一种超声速流场中有源声波检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测和分析超声速流场中有源声波信号的试验方法，尤其是检测超声速流场中边界层对有源声波响应信号的方法。

背景技术

目前，边界层对声波的接收和放大已被普遍认为是流动不稳定性起源的主要机理之一。因此，采用外加声波作为干扰源并进而研究边界层对声波的响应的方法已成为研究流动稳定性的一个有效手段。边界层对声波的响应一般包括直接响应(Stokes波)和线性不稳定性波(Tollmien-Schlichting波)两部分。Stokes波和声波干扰源的相位相同、振幅相似，但线性不稳定性T-S波的振幅一般将随着流动而指数增长，而相位也将连续变化。T-S波的波速一般约为边界层外流动速度的三分之一到三分之二，对于低速流动，它要远远小于外加声波的波速。因此，在低速流场中，如果采用脉冲声波干扰源，那么，只要经过足够长的距离增长以后，就可以利用波速不同这一事实把Stokes波和T-S波有效地分离出来[Saric，W.S.，Wei，W.，Rasmussen，B.K.，Krutckoff，T.K.，1995“Experiments on Leading-edge Recptivity to Sound，”AIAA Paper 95-2253.]。但是，对于超声速流动，这一办法并不可行，主要是因为超声速流场中的背景噪音非常强烈，对于通常的超声速风洞，背景噪音可达140分贝以上，远远高于外加声波能够达到的强度。同时，背景噪音也是声波，在进入边界层以后同样要诱导出振幅很大的T-S波[Graziosi，P.and Brown，G.L.，2002“Experiments on Stability，Receptivity and Transition for aCompressible Boundary Layer at Mach 3，”J.Fluid Mech.472：83-124.]，足以把边界层对外加声波的响应信号淹没。同时，由于在超声速风洞中，背景声波及其自然诱导的不稳定性波涵盖所有感兴趣的频率范围，因此即使采用过滤技术也无法把外加声波信号及其边界层响应从背景噪音中分离出来。另外，更为严重的是，在风洞实验中，波导管和风洞的尺寸都是有限的，声波在波导管以及风洞壁面上的来回反射将产生的杂波，这些波有可能和原有信号混杂起来，而且由于它们之间的相位一般是固定的，分离起来非常困难。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种超声速流场中有源声波检测方法，能够将外加声波信号及其边界层响应从背景噪音中分离出来。

为实现本发明的目的，本发明一种超声速流场中有源声波检测方法包括如下步骤：

1)由计算机产生一系列高频脉冲信号，每个脉冲根据需要包括适当数目的振荡周期，脉冲之间的间隔应当足够长，以保证各种反射波有足够的时间经过测试点而不影响下次脉冲信号的采集；

2)脉冲信号经过音频放大器放大，再输入扬声器驱动器生成声波脉冲；

3)通过波导管将声波脉冲导入风洞的稳定段中，所述波导管具有适当长度，以使由管口产生的反射波和入射波之间有足够的时间间隔把两者分离出来；高频声波的传播方向与气流方向保持适当的角度，以使高频声波可顺利通过风洞的喉道；

4)高频声波进入风洞的试验段后，通过热线风速仪将声波以及背景噪音记录下来，热线信号通过扬声器驱动信号进行锁相；

5)通过滤波器滤波后，从背景噪音中分离出小幅的高频信号；

6)经过放大器放大后，将信号输入计算机进行系综平均计算，消除背景噪音，得到振幅和相位的信息。

进一步地，所述热线风速仪包括两个探头，分别放置在试验段的适当位置记录声波信号，得到不同位置信号之间的相移，并计算声波的传播速度。

本发明能够将超声速流场中外加声波信号及其边界层响应从背景噪音中分离出来，并且能够精确地确定其振幅和相位；并且两个热线风速探头的检测，还可以相应地得到声波波速和气流静温。

附图说明

图1是马赫3风洞示意图；

图2是声波驱动装置示意图；

图3是驱动信号和自由外流中通过系综平均后的热线脉动信号，其中，驱动频率8.9KHz，驱动脉冲信号包含30个周期，系综平均样本500个；

图4是相同x不同y处两个热线的输出信号，其中，驱动频率8.9KHz，脉冲包含30个周期，系综平均样本200个；

图5是不同x不同y处两个热线的输出信号，其中，驱动频率8.9KHz，脉冲包含30个周期，系综平均样本500个；

图6是外流和边界层中热线信号对比，其中，x＝17.48cm，R＝614，驱动频率8.9KHz，驱动脉冲包含8个周期，系综平均样本2500个；

图7是外流和边界层中热线信号对比，其中，x＝24.26cm，R＝724，驱动频率8.9KHz，驱动脉冲包含8个周期，系综平均样本2500个；

图8是不同x位置边界层中热线信号对比，其中，Δx＝1.27cm，y/(x/R)＝7.10，驱动频率8.9KHz，驱动脉冲包含8个周期，系综平均样本2500个。

具体实施方式

如图1所示，相关实验在一个马赫数3的超声速风洞中进行。为了最大限度地降低风洞的背景噪音，风洞运行在很低的气流的总压，约0.27大气压。在这个压力下，除了风洞的四角以外，风洞壁面边界层均为层流，同时自由外流的湍流度低于0.11％。超声速边界层由放置于试验段2的平板产生，边界层流动也是层流。

一系列高频脉冲信号由计算机自动生成，每个脉冲根据需要包括适当数目的振荡周期，频率约8.9KHz。脉冲之间的间隔必须足够长，以保证各种反射波有足够的时间经过测量点而不影响下次脉冲信号的采集；同时，由于超声速风洞的试验时间很有限，大约只有60s，信号之间的间隔也不能太长，以保证每次实验能容许足够次数的脉冲信号发射和采集去进行系综平均。实际采用的脉冲间隔为25ms，该间隔基本上保证各种反射声波有足够的时间被气流带走。声波驱动装置及其在风洞中的安装情况如图2所示。脉冲信号经过音频放大器放大，并输入Mccauley 6520型扬声器驱动器5，生成声波脉冲，该驱动器的喉部口径约为5cm，最大脉冲功率1KW。为了最大限度地降低声波驱动装置对流场的扰动，没有直接在风洞的试验段2中导入声波，而是通过波导管4导入风洞的稳定段1中。波导管4的长度进行了加长，以使由管口产生的反射声波和入射波之间有足够的时间间隔把两者分离出来。由于风洞在低压下运行，扬声器驱动器5的薄膜前后风洞气动瞬间将产生很大的压差，为了平衡压力以保护驱动器5，薄膜前后腔之间采用了管道连接。另外，由于超声速风洞的喉道3对声波的反射作用，实验中发现，高频声波的传播方向必须与气流保持一定的夹角，才能顺利通过喉道3，实验中采用了一个θ为24°的夹角。

声波信号进入试验段2后，由热线风速仪接收。热线探头由直径5μm钨丝制成，长约1mm。热线信号放大器采用Dantec DISA 55M01型恒温放大器。通过精确匹配热线和电桥的阻抗，放大器的频率响应可以达到150KHz以上。在热线恒温工作情况下，热线的输出信号主要对气流的速度和总温敏感。为了最大限度的消除总温的影响，热线的过热比，即工作电阻和冷态电阻之比，设置为较高的数值，约2.15，而工作电阻约为4-5Ω。热线平均输出电压通过低频滤波器得到，而脉动信号通过带通为8-12.5KHz的窄带滤波器得到。经过50倍的放大器放大以后，脉动信号由计算机数据采集系统采集。数据采集使用主频为1.25Mhz的NI6250型多功能数据采集板，采用频率100KHz。每次实验最多约可以采集到2000-2500个脉冲信号样本。由于所有脉冲声波信号通过计算机自动产生，驱动信号和热线信号之间的相位可以精确地得到锁定，而流场中背景噪音是由流动引起的，一般不具有固定的相位，因此，通过系综平均，可以把噪音最大限度地消除。在边界层中，典型的热线脉动信号约100mv，经过带通滤波器后的振幅约为20mv，经过系综平均后，可以得到1mv量级的有源声波响应信号，总的信噪比(振幅比)可以高达1∶100。另外，尽管采用100KHz的采样频率导致单个样本的相位误差为5μs，平均以后的相位误差非常小，约0.1μs，因此可以用来精确地测量不同信号之间的相差。

图3是对应一系列包含30个周期的脉冲声波驱动信号和由热线测得的自由流中的声波响应信号的系综平均。平均采用了约500个样本。热线探头放置在不同x和y处，其中x是平板前缘到探头的距离，y是探头到平板的垂直距离。从图3中可以看出，热线信号和驱动信号之间有约7ms的时间延迟，对应于声波从驱动器到探头的传播时间。该时间间隔在不同脉冲之间保持恒定，保证了以扬声器驱动信号锁相后的热线信号可以进行系综平均。如果把不同位置的两个热线的平均信号叠加在一起并展开，通过平移可以确定两个信号之间的时间延迟。图4给出了置于相同x不同y值的两个热线探头的信号输出。从图中可以看出，两者之间的相位差为零，即外流中声波在y方向的传播速度C_y为零。图5给出了放大了的不同x和不同y位置的两个热线的输出信号，由于声波在y方向没有相移，图中给出的两个信号之间的时间差Δt实际上只等于Δx/C_x，其中Δx为两个探头在气流方向的距离，而C_x为声波在气流方向的传播速度。而Δt约为10.9μs，由此可以求得声波在气流方向的波速C_x约为1160m/s。同时，在超声速流场中的声波具有如下几何关系：

$\frac{C_x}{a}=M\±\frac{1}{\cos \mathrm{\θ}}---\left(1\right)$

其中，a为声速，M为马赫数，θ为声波传播方向和气流的夹角，正负号分别对应于正向和逆向传播的声波。考虑到马赫3风洞中的气流速度约为606m/s，与预期一样，外流中的声波是正向传播的，而且和气流夹角为θ～68°，与稳定段1中的24°角相比，有了很大变化，这是因为气流速度的缘故。如果声速a未知，可以通过测量测向波速C_z来得到，从中也可得到气流静温。

实验进一步测量了超声速边界层对声波的响应。图6给出了x＝17.48cm处分别置于外流和边界层中的两个热线输出信号的系综平均。其中，扬声器驱动信号包含8个振荡周期，频率为8.9KHz。边界层中热线探头的无量纲坐标为y/(x/R)＝7.10，其中R为以边界层厚度定义的雷诺数， $R=\sqrt{\mathrm{Ux}/v}$ ，其中U为气流速度，v为气体运动粘性系数。平均采用了2500个信号样本。从图6中可以看出，与外流中的信号相比，边界层中的热线信号除了包括一个相位和振幅和外流中声波一致的直接响应(Stokes波)之外，还出现了一个相位滞后，振幅放大了的第二个波。图7进一步给出了其下游x＝24.26cm处响应的热线信号。从中可见，边界层响应有类似的特征，即第一个波的振幅和相位不变，仍和外流中声波一样，但第二个波的振幅有了进一步的放大。为了进一步确定第二个波的来源，图8给出了不同x位置，边界层中的热线响应信号。从图8中可以得到，经过距离x＝1.27cm后，第二个波落后了约30μs，这一滞后相当于气流方向一个418m/s的传播速度。从公式(1)中可知，以该速度行进的波是个逆向传播的波，这一结果和有关背景噪音在边界层中诱导的不稳定波的测量结果一致。

Claims (2)

1.一种超声速流场中有源声波检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)由计算机产生一系列高频脉冲信号，每个脉冲根据需要包括适当数目的振荡周期，脉冲之间的间隔应当足够长，以保证各种反射波有足够的时间经过测试点而不影响下次脉冲信号的采集；

2)脉冲信号经过音频放大器放大，再输入扬声器驱动器生成声波脉冲；

3)通过波导管将声波脉冲导入风洞的稳定段中，所述波导管具有适当长度，以使由管口产生的反射波和入射波之间有足够的时间间隔把两者分离出来；高频声波的传播方向与气流方向保持适当的角度，以使高频声波可顺利通过风洞的喉道；

4)高频声波进入风洞的试验段后，通过热线风速仪将声波以及背景噪音记录下来，热线信号通过扬声器驱动信号进行锁相；

5)通过滤波器滤波后，从背景噪音中分离出小幅的高频信号；

6)经过放大器放大后，将信号输入计算机进行系综平均计算，消除背景噪音，得到振幅和相位的准确信息。

2.根据权利要求1所述的一种超声速流场中有源声波检测方法，其特征在于，所述热线风速仪包括两个探头，分别放置在试验段的适当位置记录声波信号，得到不同位置信号之间的相移，并计算声波的传播速度。

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