CN104870969A - 声学检测具有有源噪声控制的发动机的故障的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于声学检测发动机的至少一个故障(DYS)的方法。该发动机产生由有源噪声控制系统处理的主要噪声Po，该有源噪声控制系统向降噪目标发射声频信号Pc，所述声频信号Pc由至少一个致动器产生，并由传递函数H关联到由所述有源噪声控制系统产生的信号Y，所述故障(DYS)具有能够在降噪目标处从主要噪声Po中识别的声学特征，其特征在于，该方法包括如下步骤：获取由所述有源控制系统产生的所述信号Y；由监控单元识别出现的故障(如果有的话)，该监控单元使用Y和H的知识，并在必要时发出警报消息。

Description

声学检测具有有源噪声控制的发动机的故障的方法和装置
技术领域
本发明涉及发动机领域，并且尤其涉及对飞行器机载发动机的故障进行声学检测。
背景技术
已经公知了例如通过识别频率线对发动机故障进行声学检测的方式，其中，频率线为该发动机对激励的声波响应中典型故障的特征，如在用于检验涡轮叶片损伤的专利申请EP 1 205 749中所提出的那样。
此外，将有源噪声控制应用于飞行器发动机，使得有可能开发出用于声波衰减环境中的发动机噪声的有源系统，特别是本申请人的专利申请FR 2 972 710所述的示例，其用于声波衰减具有相反旋转的两个推进器的涡轮螺桨飞行器发动机的推进器噪声。这种系统利用致动器产生声响信号，使得所述声响信号与发动机发出的噪声(文中称为主要噪声)相结合，以便抵消目标空间区域中的感知噪声。
对于用于监控发动机运行的装置而言，所述有源声波衰减系统具有的缺点是掩盖了表示故障特性的噪声。已知待监控的故障的噪声具有特征频率，本申请人已经开发出一种监控方法，其包括在这些特征线周围的窄频带中去激活有源噪声控制系统，该方法在2011年4月8日递交的专利申请FR 1153076中有所描述。
该方法具有若干缺点。它要求监控装置之前的谐波在发动机噪声中不能减少。这导致有源噪声衰减系统的性能恶化，因为不是所有的发动机谐波都减少，但是其中最具指示性的会减少。
此外，有源控制系统的控制回路很难开发，其鲁棒性非常关键。为了减小噪声并更好地识别故障，通过将窄带滤波器插入有源控制的调节回路中来限制围绕特征线噪声不会减少的频率范围，由此导致可能动摇系统的显著相移。在一些配置中，使用该方法可能明显降低有源控制系统的噪声衰减性能，或者使其不稳定。如果试图在以反馈形式运行的有源控制系统中使用该方法，那么这个问题将尤其严重，所述反馈是指输出数据用于修正对致动器的控制。
最后，当该方法与以前馈形式运行的有源控制系统一起使用时，需要使用其他手段来寄存噪声，所述前馈是指在上游检测输入数据，而不需要与降噪目标交互。
发明内容
本发明的目的在于避免干扰有源控制系统的操作，不需要对噪声衰减施加任何性能限制，并且在任何情况下，都不用引入对用于寄存噪声的辅助装置的使用。
为此，本发明涉及用于声学检测发动机的至少一个故障(DYS)的方法，所述发动机产生由有源噪声控制系统处理的主要噪声Po，有源噪声控制系统向降噪目标发射声频信号Pc，声频信号Pc由至少一个致动器产生，并由传递函数H关联到由所述有源噪声控制系统产生的信号Y，所述故障(DYS)具有可在降噪目标处从主要噪声Po中识别的声学特征，其特征在于，该方法包括如下步骤：
-获取由有源控制系统产生的所述信号Y；
-使用监控单元识别可能发生的故障，该监控单元使用Y和H的知识，并在必要时发出警报消息。
优选地，信号Y由致动器的一组控制信号组成，并且监控单元分析由Y和H的知识重构的主要噪声，以根据特征谐波识别其中可能的故障噪声。
当信号Y和降噪目标之间的传递函数被认为是稳定的，且在操作过程中不会被重新评估时，本方法优选的实施例用它作为识别步骤中的一条数据。然而，如果传递函数由有源噪声控制系统重新评估，例如，由于发动机速度发生变化，那么适用于这种情况的该方法的实施例除了信号Y之外还在该传递函数中包括获取时间变化特征，以在识别步骤中使用它们。
有利的是，该方法的实施例将识别步骤的计算局限于待监控的特征频率。在这种情况下，获取和识别之间的中间步骤提取关于控制信号和传递函数的简化指示符(用于重构特征频率上的主要噪声的计算所使用的谐波)。简化指示符的使用极大地减少了计算工作量，并使得能够使用包括发动机的设备中的机载计算单元实时进行处理。
在另外的变体中，传递函数状态中的噪声控制信号和时间变化特征被传送到地面，用于更完整的分析。这使得进一步降低机载计算单元的负载成为可能。
本发明也涉及用于声学检测发动机的至少一个故障(DYS)的装置，所述发动机产生主要噪声Po，其中，所述装置被设置成在存在有源噪声控制系统情况下使用，有源噪声控制系统向降噪目标发射声频信号Pc，声频信号Pc由至少一个致动器产生，并由传递函数H关联到由所述有源噪声控制系统产生的信号Y，所述故障(DYS)具有可在降噪目标处从主要噪声Po中识别的声学特征，其特征在于，所述装置包括：
-获取单元，用于获取由有源控制系统产生的所述信号Y；
-监控单元，其被设置成根据信号Y和传递函数H的知识识别可能发生的故障(DYS)，并在必要时发出警报消息。
用于声学检测故障的装置可以适于有效减少现有噪声的系统。它不需要对控制规则做任何修改，也不需要任何补充的侵入式仪器。如果有源噪声控制系统没有配备出于电子监控目的而复制控制信号的单元，那么致动器控制线缆上的简单电感式传感器足以获取所述信号。
有利的是，所述装置还包括用于实现上述方法的各个实施例的单元。
附图说明
在参照附图对实施例进行更详细描述的基础上，将更好地理解本发明，其中：
图1示意性地示出使用有源控制前馈系统减小噪声的方法；
图2示意性地示出使用有源控制反馈系统减小噪声的方法；
图3示意性地示出某些故障的特征频带与发动机速度之间的关系；
图4示意性地示出根据本发明的用于声学检测发动机的某些故障的装置在有源控制反馈系统的情况下的操作；
图5示意性地示出根据本发明变体的信息处理；
图6示意性地示出根据本发明第二变体的信息处理。
具体实施方式
图1示意性地示出配备有有源控制前馈系统的设备中发动机降噪的原理。所述设备可以是诸如飞行器之类的交通工具或试验设备。通常试图使以降噪为目标的空间的区域非常广阔。在这一区域内，感知噪声可能被寄存(registered)在被称为降噪目标的位置处。
发动机1发出与降噪目标31处的声频信号Po相对应的主要噪声。根据现有技术的有源噪声控制系统2通过一个或多个致动器5发出与降噪目标处的信号Pc相对应的另一噪声，从而通过添加信号Po和Pc使感知噪声Pr保持在比适当水平(adequate level)小的强度。为了获得这种结果，前馈模式下的有源控制系统使用了用于发动机操作中不干扰感知噪声Pr结果的数据的传感器3，并且使用在计算机4上实施的算法来计算送往致动器5的控制信号，以便所述信号产生朝向降噪目标的信号Pc。信号术语“Y”将被使用在本文中，以在具有多个致动器时表示用于多个致动器的所有控制信号；因此，在这种情况下，信号Y具有多个分量。
在这一点上应该注意到，在有源控制系统有效的频带，按照定义，感知噪声低，因此，致动器在降噪目标处发射的噪声Pc通过相移直接给出了感知噪声Po的良好估计。此外，致动器控制信号的知识使得能够通过传递函数H直接访问Pc，传递函数H考虑了致动器的响应和声频信号向降噪目标的传输。最后，该传递函数的良好估计是可获得的，因为有源噪声控制系统用它作为输入数据或者用作内部评估。
因此，本发明的优选实施例通过直接根据信号Y计算噪声Pc来使用降噪目标处的主发动机噪声的评估，其中信号Y由有源噪声控制系统通过与传递函数H矩阵结合产生，传递函数H记录在频域中：
Pci＝Yk·Hki  (1)
其中，Pci和Yk是信号Pc和Y在频率i和k处的分量，而Hki是传递函数H在计算频率处的矩阵分解。
图2示意性地示出配备有有源控制反馈系统的设备中发动机降噪的原理。与图1相比的主要区别是传感器3的位置，在这种情况下，传感器3向有源控制系统提供关于感知噪声的信息。这种差别很重要，因为它使得更多有效的降噪系统被开发，但是以计算机4上所使用的算法的复杂度提高为代价。然而，值得注意的是，这种设置并没有改变上述的致动器信号与降噪目标处的信号之间的关系。
图4是根据本发明方法的第一实施例的基本简图，该方法用于声学检测配有有源噪声控制系统2的发动机1的故障。
用于获取信号Y的单元6优选使用位于致动器5的控制线缆周围并能寄存该信号的电感式传感器7。通常还辅以电子单元8，其使得来自传感器的信号转换成识别单元10能够使用的数字信号。
在不会影响有源噪声控制系统2的操作这层意义上，获取信号Y是非侵入式的。如果有源控制系统2配有提供信号Y的输出端，那么简单的分支将(例如)构成获取步骤的简化实施例。
信号Y具有与致动器5一样多的标量分量。在示例中，Y对应于直接发送给致动器的信号，但是不局限于此。例如，该方法的变体使用达到有源噪声控制系统上游的内部分量的信号，其中，定义了到达致动器的传递函数。
当致动器与控制信号之间的传递函数H被认为是稳定的，并且在有源噪声控制系统2的运行过程中没有被重新评估时，发动机的监控单元10(其识别故障)的算法在必要时发射警报信号，警报信号由源自获取单元6的传感器的控制信号Y单独提供。在特定的实施例中，发动机产生的主要噪声在有源控制缺失的情况下由降噪目标感知，并且根据方程式(1)由控制信号Y和传递函数H之间的矩阵组合被重构，主要噪声是寄存在监控单元10的计算机上的一条数据。
为了根据重构的发动机噪声声学检测发动机中的故障(DYS)，监控单元10使用所述故障的声学特征的特性，其可以从该噪声中提取出来。按照对于发动机而言已知的方式，每个被监控的故障DYS都可以与特征频率处的至少一条线R1相关联。图3中左手边的图示出故障DYS1以给定速度将线R1以及可能的一个或多个谐波(例如R2或R3)引入发动机噪声频谱的方式。本领域技术人员公知的算法使得隔离噪声频谱中的所述线并将它们与所识别的事件相关联成为可能。例如，有可能执行用在专利申请FR 1153076中的方法，其包括评估特征线(图3所示)周围的窄频带中的能量强度，然后当超过固定阈值时识别故障DYS的特征。本领域技术人员也能从这些数据知晓可能发生对应具体特征频率集合的多个故障。如果所述故障的特征频率变化，尤其是根据发动机速度变化，那么也可能适用这些算法，如图3中右手边的图所示。然后，监控单元配备有具体的算法，用于确定是否根据所识别的故障触发警报。
在优选实施例中，如果传递函数H随时间变化，并由发动机的有源噪声控制系统的计算机4重新评估，获取单元6例如采用导向计算机4的分支9接收关于传递函数H变化的信息。在该实施例中，监控单元10原则上将Y和H的矩阵组合的同一方法应用于如以前的每个时刻，但是与传递函数稳定时相比，具有更大的计算量。
分支9与控制信号Y的寄存7相反，需要有源噪声控制系统2选择性地被适应。
图4提出了使用反馈型有源噪声控制系统的操作原理，但是用于声学检测故障的装置将按照与前馈型有源噪声控制系统相同的方式运行，因为它不干扰计算机4的操作。
根据有利的实施例，信号Y以及有需要时传递函数H的变化在获取单元6而不是监控单元10中被转换成频率分量。这种不受限的设置尤其用于执行方法的变体，其使用关于信号Y和传递函数中的变化的减小指示符。
在该变体中，监控单元10仅重构关于足以识别关键故障的少量特征频率的主要噪声。因此，仅有必要输入关于有限频率上的Y和H的信息，以重构特征频率处的噪声。该信息在本文中称为减小指示符。在图5所述的特定实施例中，中间单元11执行从获取单元6提取所述减小指示符的步骤。
该变体使得限制用于监控发动机运行的单元的计算能力成为可能。为了进一步限制飞行器机载所需的计算能力，该方法的变体包括将用于监控故障的单元10移至地面。图6所示的对应实施例包括远程传输单元12，其置于提取单元11与远程监控单元之间。
另一种用于限制计算能力并用于提高检测可靠性的手段是检测可重复的操作范围(11中)，并且仅在所述操作范围(称为操作模式)内在地面实现谐波提取单元和传输单元。

Claims (11)

1.一种用于声学检测发动机(1)的至少一个故障(DYS)的方法，所述发动机产生由有源噪声控制系统(2)处理的主要噪声Po，该有源噪声控制系统(2)向降噪目标发射声频信号Pc，所述声频信号Pc由至少一个致动器(5)产生，并由传递函数H关联到由所述有源噪声控制系统产生的信号Y，所述故障(DYS)具有能够在降噪目标处从所述主要噪声Po中识别的声学特征，其特征在于，该方法包括如下步骤：
-获取由所述有源控制系统产生的所述信号Y；
-使用监控单元识别可能发生的故障(DYS)，该监控单元使用Y和H的知识，并在必要时发出警报消息。
2.如前述权利要求所述的用于声学检测发动机的至少一个故障(DYS)的方法，其中，所述有源噪声控制系统评估所述传递函数随时间的变化，所述变化是获取的对象，并由识别步骤使用。
3.如权利要求1或2所述的用于声学检测发动机的至少一个故障的方法，其中，所述信号Y由所述有源控制系统的致动器的一组控制信号组成。
4.如权利要求1-3中任一项所述的用于声学检测发动机的至少一个故障的方法，其中，所述监控单元利用所述信号Y与所述传递函数H之间的矩阵组合重构所述声频信号Pc的表示，并通过与没有任何故障的发动机噪声进行比较来识别其中可能存在的所述故障(DYS)的声学特征。
5.如前述权利要求中任一项所述的用于声学检测发动机的至少一个故障的方法，其中，所述识别步骤针对一组有限的特征频率来执行，并包括提取源自获取步骤的信号的中间步骤，其提供简化至分量Y和H的指示符作为专用于识别所述特征频率处的故障(DYS)噪声的频率。
6.如前述权利要求中任一项所述的用于声学检测发动机的至少一个故障的方法，其中，识别和监控故障的步骤在包括所述发动机的设备的外面被远程执行。
7.一种用于声学检测发动机(1)的至少一个故障(DYS)的装置，所述发动机产生主要噪声Po，该装置被设置成用在存在有源噪声控制系统(2)的情况下，该有源噪声控制系统(2)向降噪目标发射声频信号Pc，所述声频信号Pc由至少一个致动器(5)产生，并由传递函数H关联到由所述有源噪声控制系统产生的信号Y，所述故障(DYS)具有能够在降噪目标处从所述主要噪声Po中识别的声学特征，其特征在于，所述装置包括：
-获取单元(6)，其用于获取由所述有源控制系统产生的所述信号Y；
-监控单元(10)，其被设置为根据所述信号Y和所述传递函数H的知识，识别可能发生的故障(DYS)，并在必要时发出警报消息。
8.如前述权利要求所述的用于声学检测发动机的至少一个故障(DYS)的装置，其中，所述获取单元(6)被设置成使用所述有源噪声控制系统检测被评估的所述传递函数随时间的变化，并且其中，所述监控单元(10)被设置成使用所述传递函数的所述变化。
9.如前述权利要求所述的用于声学检测发动机的至少一个故障的装置，其中，所述获取信号Y的单元包括所述致动器的控制线缆上的电感式传感器(7)，其能接收所述控制信号。
10.如权利要求7-9中任一项所述的用于声学检测发动机的至少一个故障的装置，其中，所述监控单元(10)仅将简化至分量Y和H的指示符作为专用于识别一组有限的特征频率处的故障(DYS)噪声的频率；并且包括用于从来自所述获取单元的数据中提取所述减小指示符的单元(11)。
11.如权利要求7-10中任一项所述的用于声学检测发动机的至少一个故障的装置，其中，所述监控单元(10)是远程的，并包括用于在装置的机载单元与远程监控单元之间进行远程传输的单元(12)。
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