CN104406756B - 模拟发动机叶片工作环境单/双声波激振测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟发动机叶片工作环境单/双声波激振测试系统及方法，通过单/双声波同步控制单选择单声波或双声波控制声道搭建单声波或双声波旋转激振系统；在测试件的最大应力点位置粘贴应变片，开启信号发射器；通过扬声器功率放大单元调整声压到规定值；转动旋转机械装置的旋转平台手柄，通过转接装置旋转扬声器原激振角度；待测试子系统测取测试件共振状态时，读取测试件最大应力点的应力值进行记录；对以上测试件的应力值进行比较，得到试验分析结果。本发明创造性地实现了双声波可调角度耦合激励，使其声波激振的能量最充分的作用在试验件上，为今后研究试验件在多声源激励的响应分析奠定技术基础，为深入研究发动机典型构件振动故障奠定坚实基础。

Description

模拟发动机叶片工作环境单/双声波激振测试系统及方法

技术领域

本发明涉及航空发动机结构件振动测试领域，具体的说是一种模拟发动机叶片工作环境单/双声波激振测试系统及方法。

背景技术

随着现代科学技术的发展，尤其是边缘学科及多学科重叠领域的研究，技术人员对结构件振动影响的研究，越来越多地考虑到环境及其它多重因素。国内许多高校、研究所内对航空发动机典型结构件的声波激振，包括声波对结构件的振动影响以及构件在气动力作用下振动发声的情况均有过研究。最初，研发人员直接采用两套单声波激振系统进行激振，后发现两套激振系统由于控制精度实际误差，无法实现同频和同步。同时耦合激振后的波形由于频差导致能量衰减，如图3A所示。有些装置可以实现在振动台激振的基础上同时叠加声波激振并测取试验件的振动应力。以往虽有过机械力与声波耦合振动系统，但其系统是由机械力激振试验件，由于不同结构的试验件感受声波激励角度敏感程度不同，使其产生共振的基础上叠加声波激振，声波激振角度不可调。对航空发动机典型构件的单双声波可调角度耦合激振测试研究目前还是空白，相应测试试验系统也无从借鉴。

发明内容

针对现有技术中对航空发动机典型构件的激振采用机械力与声波耦合振动系统导致声波激振角度不可调等不足，本发明要解决的技术问题是提供一种可实现单/双声波激振的发动机叶片工作环境单/双声波激振测试系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种模拟发动机叶片工作环境单/双声波激振测试系统，包括：声波激振子系统、旋转机械装置以及测试子系统，其中：

声波激振子系统，用于产生作用于发动机叶片的同步声波信号；

旋转机械装置，用于夹持声波激振子系统中的扬声器并控制扬声器旋转改声波激励角度；

测试子系统，用于测取测试件即被测发动机叶片在声波激振子系统声波作用下的固有频率和振动应力。

所述声波激振子系统包括声波信号发生器、扬声器功率放大单元、单/双声波同步控制单元以及扬声器，其中扬声器功率放大单元将声波信号发生器输出的激振信号进行功率放大后送至单/双声波同步控制单元，由单/双声波同步控制单元输出控制信号到扬声器。

单/双声波同步控制单元为三向转换端子，其中两端输出单向声波激振信号，中间端输出双向声波激振信号，三个端子用于连接扬声器；三向转换端子的输入端通过扬声器功率放大单元连接一台信号发生器输出的激振信号，三向转换端子通过控制器杆实现转换操作。

所述测试子系统包括激光位移传感器、激光调理器以及示波器和毫伏表，其中激光位移传感器安装于测试件侧边，采集其振动信号传输至激光调理器，激光调理器对振动信号进行调理和放大处理，通过示波器和毫伏表显示。

激光位移传感器安装于测试件的上方一厘米范围内，采集测试振动信号传输至激光调理器，激光调理器对振动信号进行调理和放大处理，通过示波器和毫伏表显示。

所述旋转机械装置包括旋转平台、升降平台、扬声器转接装置以及控制手柄，其中旋转平台安装于升降平台上，旋转平台前端安装有可调整双声波激振角度的扬声器转接装置。

该扬声器转接装置包括第一夹具体和第二夹具体，其中，二者通过连接件固定，第一夹具体固定在旋转平台上，旋转平台联轴器与一控制手柄转动连接；第一扬声器固装于第一夹具体上，第二扬声器固装于第二夹具体上。

第一夹具体和第二夹具体通过连接件以90度角度固定或以180度的角度固定。

本发明一种模拟发动机叶片工作环境单/双声波激振测试方法包括以下步骤：

连接单/双声波激振测试系统；

通过单/双声波同步控制单元选择单声波或双声波控制声道搭建单声波或双声波旋转激振系统；

在测试件的最大应力点位置粘贴应变片，开启信号发生器；

通过扬声器功率放大单元调整声压到规定值；

转动旋转机械装置的旋转平台手柄，通过扬声器转接装置旋转扬声器原激振角度；

待测试子系统测取测试件共振状态时，读取测试件最大应力点的应力值进行记录；

对以上测试件的应力值进行比较，得到试验分析结果。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明模拟航空发动机叶片在单声源激振、双声源激振甚至是多声源激振环境下的固有频率和振动应力测试，包括模拟发动机叶片工作环境，实现多声源同频(同相位)激振和错频(双声波频率不同形成拍振)激振，模拟发动机叶片工作环境，实现多声源，多种方向对结构件进行旋转耦合激振，提出多角度的双声波耦合旋转激振装置，创造性地实现了双声波可调角度耦合激励，使其声波激振的能量最充分的作用在试验件上，为今后研究试验件在多声源激励的响应分析奠定技术基础。

2.本发明可以作为航空、航天及其他工业关键零部件的机械振动及声波激振方向的测试研究装置，借此开展结构件的声波激振方式及声波振动疲劳强度测试研究，尤其是该系统实现了可调激励角度的双声波同相位耦合激振，填补了国内该领域空白，为今后该方向的科研研究提供了设备保障。

3.本发明完成模拟发动机叶片工作环境下，测试航空试验件在双声波耦合激振下的振动状态，测试试验件对声波激振不同角度的振动特性。为深入研究航空发动机典型结构件振动断裂故障机理提供依据；实现双声激振同频、同相位耦合，耦合应力幅值可控、可精确测试，为深入研究发动机典型构件振动故障奠定坚实基础。

附图说明

图1为本发明中声波激振子系统原理框图；

图2为本发明中测试子系统原理框图；

图3A为现有技术中双声波耦合示意图；

图3B为本发明双声波叠加示意图；

图4为本发明系统中的双声波同步控制单元结构示意图；

图5为本发明系统中的旋转激振装置结构示意图；

图6为本发明系统中的双声波耦合旋转激振装置和测试系统图；

图7为本发明系统采用初始激振角度为90度的结构示意图；

图8为本发明系统采用初始激振角度为180度的结构示意图；

图9为本发明系统涉及的直板试验件图示；

图10为本发明系统涉及的带直角试验件图示；

图11为本发明系统涉及的带圆角试验件图示。

其中，1为基座平台，2为升降平台，3为联轴器，4为控制手柄，5为夹具，6为扬声器转接装置，61为第一夹具体，62为第二夹具体，63为固定螺栓，7为三向转换端子，8为控制器杆，11为测试件，12为激光位移传感器，13a为第一扬声器，13b为第二扬声器，14为旋转平台。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。

本发明模拟发动机叶片工作环境单/双声波激振测试系统包括：声波激振子系统、旋转机械装置以及测试子系统，其中：声波激振子系统，用于产生作用于发动机叶片的同步声波信号；旋转机械装置，用于夹持声波激振子系统中的扬声器，并控制扬声器旋转改变声波激励角度。

测试子系统，用于测取测试件即被测发动机叶片在声波激振子系统声波作用下的固有频率和振动应力。

如图1所示，声波激振子系统包括声波信号发生器、扬声器功率放大单元、单/双声波同步控制单元以及扬声器，其中扬声器功率放大单元将声波信号发生器输出的激振信号进行功率放大后送至单/双声波同步控制单元，由单/双声波同步控制单元输出控制信号到扬声器。

声波激振子系统是根据试验需求，自行设计和搭建。该子系统内每个部件均为市场上独立采购，其中，扬声器选择市场上的常规产品，型号为天音500，频率为5—8000Hz；最大输出功率为1500W；最大声压级为155dB。

为了满足试验需求，研发人员设计了单/双声同步波控制单元，如图4所示，单/双声波同步控制单元包括三向转换端子，其中两端输出单向声波激振信号，中间端输出双向声波激振信号，三个端子用于连接扬声器；三向转换端子的输入端通过扬声器功率放大单元连接一台信号发生器输出的激振信号，三向转换端子通过控制器杆8实现转换操作。

如图4，由一部三向转换端子7控制单向声波激振信号和双向声波耦合激振信号的转换。为了保证双声波耦合激振后的信号损失最小，采用同一台声波信号发生器输出激振信号，由此保证了双声波激振器信号的同一来源和信号同步，能量得到了充分叠加，应用本发明之前的双声波耦合示意图如图3A所示，图3B为本发明双声波叠加示意图。

如图2所示，测试子系统包括激光位移传感器12、激光调理器以及示波器和毫伏表，其中激光位移传感器12安装于测试件11的上方一厘米范围内，采集测试振动信号传输至激光调理器，激光调理器对振动信号进行调理和放大处理，通过示波器和毫伏表显示。

激光位移传感器12采集测试件振动信号，再把振动信号传输给激光调理器，激光调理器对振动信号进行调理和放大，再通过示波器和毫伏表完成显示。示波器用来显示振动信号波形，毫伏表用来显示结构件振动副值的大小和判断试验件共振状态，结构件的应力值通过安装在构件上的应变计采集分析出最大应力值。

如图5所示，旋转机械装置包括旋转平台14、升降平台2、扬声器转接装置6以及控制手柄4，其中旋转平台14安装于升降平台2上，旋转平台14前端安装有可调整双声波激振角度的扬声器转接装置6，该扬声器转接装置6由两个夹具即第一夹具体61和第二夹具体62通过6个螺钉连接固定，从而实现双声波耦合激励的初始角度为90和180度如图7、图8所示。该扬声器转接装置6包括第一夹具体61和第二夹具体62，其中，二者通过连接件固定，第一夹具体61固定在旋转平台14上，旋转平台14通过联轴器3与一控制手柄4转动连接；第一扬声器13a固装于第一夹具体61上，第二扬声器13b固装于第二夹具体62上。将扬声器转接装置6用螺栓固定在旋转平台14上，通过旋转手柄4带动联轴器3从而带动旋转平台14旋转，从而带动扬声器转接装置6旋转，固定在扬声器转接装置6上的扬声器也随之旋转，从而实现旋转角度声波激励。

旋转平台14和升降平台2同一控制。将夹具安放在旋转平台14上，通过旋转平台14的控制手柄4转动控制扬声器转接装置中夹具体的旋转角度，以此来控制安装在夹具体上的声波激振器的激励角度。

由以上两个子系统、一个旋转机械装置组合完成的双声波耦合旋转激振系统如图6所示，可以完成以下试验项目：

1.对测试件单向声波激振，同时测取试验件的固有频率和振动应力；

2.对测试件双向声波耦合激振，同时测取试验件的固有频率和振动应力；

3.对测试件双向声波耦合旋转激振，同时测试试验件的固有频率和振动应力。

本发明模拟发动机叶片工作环境单/双声波激振测试方法步骤如下：

连接单/双声波激振测试系统；

通过单/双声波同步控制单元选择单声波或双声波控制声道搭建单声波或双声波旋转激振系统；

在测试件的最大应力点位置粘贴应变片，开启信号发生器；

通过扬声器功率放大单元调整声压到规定值；

转动旋转机械装置的旋转平台14的控制手柄4，通过扬声器转接装置旋转扬声器原激振角度；

待测试子系统测取测试件共振状态时，读取测试件最大应力点的应力值进行记录；

对以上测试件的应力值进行比较，得到试验分析结果。

现根据以上方法进行如下测试：

测试1

试验目的：在声压级为140db的单声波条件下旋转激励角度激振铝制试验件，设定声波激振初始方向为垂直试验件表面，测取试验件上最大振动应力状况。

试验系统：

按照图4连接单/双声波激振测试系统，将单/双声波同步控制单元转换到单声波控制通道，搭建单声波旋转激振系统。

试验方法：在测试件表面最大应力点位置粘贴应变计，开启声波信号发生器，通过功率调配器调整扬声器的输出能量，使扬声器出口声压值达到140db。转动旋转平台14的控制手柄4，通过扬声器转接装置6带动两个扬声器或单个扬声器的激振角度，待测试子系统检测得到试验件共振状态时，读取试验件最大应力点的应力值。

试验结果：试验中发现试验件在单声波激振条件下状态稳定，当扬声器旋转到试验件垂直方向时，最大应力点处的应力值最大,试验数据见表1。

表1单声波旋转激振试验数据

试验分析：当扬声器垂直试验件表面时，声波对试验件的作用距离最短。故而振动应力最大。

测试2

试验目的：在声压级140db双声波条件下，旋转激励角度激振铝制试验件。设定双声波激振初始夹角为180度和90度两种，测取试验件上最大振动应力状况。

试验系统：按照图4所示连接单/双声波激振测试系统，单/双声波同步控制单元转换到双声波控制通道，搭建双声波旋转激振系统。

试验方法：在测试件表面最大应力点位置粘贴应变计，开启信号发生器，通过功率调配器调整扬声器的输出能量，使扬声器出口声压值达到140db。转动转台手柄，通过扬声器转接装置6带动两个扬声器或单个扬声器的激振角度对测试件的激振角度，待测试子系统测得到测试件共振状态时，读取试验件最大应力点的应力值。

试验结果：试验中发现测试件在双声波激振条件下状态稳定，双声波耦合后的信号没有出现波动和拍振，当初始夹角180度时扬声器旋转到试验件垂直方向时，最大应力点处的应力值最大,试验数据见表2。

表2双声波耦合(初始夹角为180度)旋转激振试验数据

表3双声波耦合(初始夹角为90度)旋转激振试验数据

试验结论

1.扬声器初始激振夹角180度时，双声波耦合能量增大，根据声波传递能量公式(1)可知声强与声源距离成反比关系，而声压、声功率与声强成正比关系。当声波激振旋转到与试验件表面垂直时，扬声器的端口距离试验件表面最小，由此保证了声波耦合后对试验件的充分作用。因为是双声波耦合作用，弥补了机械力耦合单声波作用下试验件振动位移对声源距离的变化而导致的能量损失。

2.扬声器初始激振夹角90度时，虽然双声波耦合能量增大，但是因为试验件是板状结构，声波作用试验件表面的距离达不到最小位置，甚至比单声波激振的距离要远，故而应力值比单声波激振应力值小。

其中I为声压级，W为扬声器输出的声功率，s为试验件板片的受到激励的面积。

Claims (6)

1.一种模拟发动机叶片工作环境单/双声波激振测试系统，其特征在于包括：声波激振子系统、旋转机械装置以及测试子系统，其中：

声波激振子系统，用于产生作用于发动机叶片的同步声波信号；

旋转机械装置，用于夹持声波激振子系统中的扬声器并控制扬声器旋转改变声波激励角度；

测试子系统，用于测取测试件即被测发动机叶片在声波激振子系统声波作用下的固有频率和振动应力；

所述旋转机械装置包括旋转平台、升降平台、扬声器转接装置以及控制手柄，其中旋转平台安装于升降平台上，旋转平台前端安装有可调整双声波激振角度的扬声器转接装置；该扬声器转接装置包括第一夹具体和第二夹具体，其中，二者通过连接件固定，第一夹具体固定在旋转平台上，旋转平台通过联轴器与一控制手柄转动连接；第一扬声器固装于第一夹具体上，第二扬声器固装于第二夹具体上；第一夹具体和第二夹具体通过连接件以90度角度固定或以180度的角度固定。

2.按权利要求1所述的模拟发动机叶片工作环境单/双声波激振测试系统，其特征在于：所述声波激振子系统包括声波信号发生器、扬声器功率放大单元、单/双声波同步控制单元以及扬声器，其中扬声器功率放大单元将声波信号发生器输出的激振信号进行功率放大后送至单/双声波同步控制单元，由单/双声波同步控制单元输出控制信号到扬声器。

3.按权利要求2所述的模拟发动机叶片工作环境单/双声波激振测试系统，其特征在于：单/双声波同步控制单元为三向转换端子，其中两端输出单向声波激振信号，中间端输出双向声波激振信号，三个端子用于连接扬声器；三向转换端子的输入端通过扬声器功率放大单元连接一台信号发生器输出的激振信号，三向转换端子通过控制器杆实现转换操作。

4.按权利要求1所述的模拟发动机叶片工作环境单/双声波激振测试系统，其特征在于：所述测试子系统包括激光位移传感器、激光调理器以及示波器和毫伏表，其中激光位移传感器安装于测试件侧边，采集其振动信号传输至激光调理器，激光调理器对振动信号进行调理和放大处理，通过示波器和毫伏表显示。

5.按权利要求4所述的模拟发动机叶片工作环境单/双声波激振测试系统，其特征在于：激光位移传感器安装于测试件的上方一厘米范围内，采集测试振动信号传输至激光调理器，激光调理器对振动信号进行调理和放大处理，通过示波器和毫伏表显示。

6.按权利要求1所述的模拟发动机叶片工作环境单/双声波激振测试系统的测试方法，其特征在于包括以下步骤：

连接单/双声波激振测试系统；

通过单/双声波同步控制单元选择单声波或双声波控制声道搭建单声波或双声波旋转激振系统；

在测试件的最大应力点位置粘贴应变片，开启信号发生器；

通过扬声器功率放大单元调整声压到规定值；

转动旋转机械装置的旋转平台手柄，通过扬声器转接装置旋转扬声器原激振角度；

待测试子系统测取测试件共振状态时，读取测试件最大应力点的应力值进行记录；

对以上测试件的应力值进行比较，得到试验分析结果。