CN109018397A - 基于气动噪声监测的旋翼涡环状态自动预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于气动噪声监测的旋翼涡环状态自动预警方法。该自动预警方法包括：获取麦克风采集的在下降或着陆飞行时机身的气动噪声信号，麦克风有多个，布置于直升机或倾转旋翼飞行器机身表面；对气动噪声信号进行频谱分析，得到气动噪声频域信号；滤除低频噪声信号，得到旋翼和尾桨的噪声频域信号并进行分离；对旋翼的气动噪声频域信号进行动态分析；当6～40倍旋翼桨叶通过频率对应的噪声声压级呈增长趋势时，向报警器发送旋翼已进入危险的涡环状态的告警指令。该发明能够更加便捷地实现在旋翼进入涡环状态的早期进行及时自动预警，保证直升机以及倾转旋翼飞行器在着陆时的安全。

Description

基于气动噪声监测的旋翼涡环状态自动预警系统及方法

技术领域

本发明涉及旋翼飞行器技术领域，特别是基于气动噪声监测的旋翼涡环状态自动预警系统及方法。

背景技术

旋翼垂直下降时进入涡环状态(Vortex Ring State，VRS)对直升机的安全性具有非常大的影响。据相关资料统计，仅1982年至1997年，因直升机在下降着陆时陷入涡环状态而导致的严重事故就多达42起。

倾转旋翼机同样会出现严重的涡环状态。2000年，一架美国海军陆战队V-22“鱼鹰”倾转旋翼机着陆时由于一侧旋翼陷入涡环状态，机身发生不可控横滚并迅速坠落，直接造成了19名乘员无一生还的惨剧。因此，探索涡环状态的预警方法，对保障旋翼飞行器的飞行安全具有重要的实际意义。

在过去的数十年间，国内外已经进行了一些关于旋翼垂直下降和涡环状态的试验，研究发现，旋翼处于深度涡环状态时，桨盘附近存在大尺度且高度不稳定的回流，这种回流会周期性地形成和破坏，与此同时，旋翼拉力、扭矩和辐射出的气动噪声信号也会发生显著的变化。

截至目前，一些学者提出了通过关注旋翼下降过程中的拉力平均波动幅值、座舱振动水平或是扭矩变化引起的机身异常航向摆动来对涡环状态进行告警的方法。这些方法主要存在以下缺点和不足：

1)旋翼拉力和扭矩的直接监测较为困难，旋翼拉力和扭矩的监测需要在桨叶上布置大量的应变片，实现起来较为复杂，同时会影响旋翼的性能。

2)尽管旋翼逐步进入涡环状态会伴随产生一定程度的振动，但是由于发动机运行带来的振动干扰，直升机或倾转旋翼机飞行员很难根据座舱的振动水平来较早地发现旋翼已经进入涡环状态，当驾驶员发现座舱振动水平显著提高时，旋翼可能已经陷于深度涡环状态。

发明内容

本发明的目的是提供了基于气动噪声监测的旋翼涡环状态自动预警系统及方法，能够更加便捷地实现在旋翼进入涡环状态的早期进行及时自动预警，保证直升机以及倾转旋翼飞行器在着陆时的安全。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

基于气动噪声监测的旋翼涡环状态自动预警方法，包括：

获取麦克风采集的在直升机或倾转旋翼飞行器下降或着陆飞行时机身的气动噪声信号，所述麦克风有多个，布置于直升机或倾转旋翼飞行器机身表面；

对所述气动噪声信号进行频谱分析，得到气动噪声频域信号；

滤除所述气动噪声频域信号中的低频噪声信号，得到旋翼和尾桨的噪声频域信号；

对所述旋翼和尾桨的噪声频域信号进行分离，分别得到旋翼的气动噪声频域信号以及尾桨的气动噪声频域信号；

对所述旋翼的气动噪声频域信号进行动态分析，得到旋翼各时间段对应的气动噪声频域信号声压级与旋翼桨叶通过频率的关系；

比较旋翼各时间段对应的气动噪声频域信号，当6～40倍旋翼桨叶通过频率对应的噪声声压级呈增长趋势时，向报警器发送旋翼已进入危险的涡环状态的告警指令。

可选的，所述获取麦克风采集的在直升机或倾转旋翼飞行器下降或着陆飞行时机身的气动噪声信号，具体包括：获取麦克风在直升机或倾转旋翼飞行器做下降或着陆飞行时动态采集的时域噪声信号。

可选的，所述对所述气动噪声信号进行频谱分析，得到气动噪声频域信号，具体包括：

将接收到的时域气动噪声信号均分为多个时间段；

将各时间段的气动噪声时域信号进行傅里叶变换，转化为对应的气动噪声频域信号。

可选的，所述对所述旋翼和尾桨的噪声频域信号进行分离，分别得到旋翼的气动噪声频域信号以及尾桨的气动噪声频域信号，具体包括：根据旋翼和尾桨桨叶通过频率的不同，分离出旋翼和尾桨气动噪声成分，旋翼的频域噪声信号处理为桨叶通过频率整数倍的形式。

基于气动噪声监测的旋翼涡环状态自动预警系统，包括：

气动噪声信号获取模块，用于获取麦克风采集的在直升机或倾转旋翼飞行器下降或着陆飞行时机身的气动噪声信号，所述麦克风有多个，布置于直升机或倾转旋翼飞行器机身表面；

频谱分析模块，用于对所述气动噪声信号进行频谱分析，得到气动噪声频域信号；

低频噪声信号滤除模块，用于滤除所述气动噪声频域信号中的低频噪声信号，得到旋翼和尾桨的噪声频域信号；

噪声频域信号分离模块，用于对所述旋翼和尾桨的噪声频域信号进行分离，分别得到旋翼的气动噪声频域信号以及尾桨的气动噪声频域信号；

动态分析模块，用于对所述旋翼的气动噪声频域信号进行动态分析，得到旋翼各时间段对应的气动噪声频域信号声压级与旋翼桨叶通过频率的关系；

告警模块，用于比较旋翼各时间段对应的气动噪声频域信号，当6～40倍旋翼桨叶通过频率对应的噪声声压级呈增长趋势时，向报警器发送旋翼已进入危险的涡环状态的告警指令。

可选的，所述气动噪声信号获取模块，具体包括：气动噪声信号获取单元，用于获取麦克风在直升机或倾转旋翼飞行器做下降或着陆飞行时动态采集的时域噪声信号。

可选的，所述频谱分析模块，具体包括：

划分单元，用于将接收到的时域气动噪声信号均分为多个时间段；

傅里叶变换单元，用于采用公式：

将各时间段的气动噪声时域信号进行傅里叶变换，转化为对应的气动噪声频域信号，其中，X(f)为x(t)的像函数。

可选的，所述噪声频域信号分离模块，具体包括：

噪声频域信号分离单元，用于根据旋翼和尾桨桨叶通过频率的不同，分离出旋翼和尾桨气动噪声成分，旋翼的频域噪声信号处理为桨叶通过频率整数倍的形式。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了基于气动噪声监测的旋翼涡环状态自动预警系统及方法，噪声信号采集只需要在机身上安装几个麦克风即可实现，结构简单，实行过程便捷、成本低廉，且对旋翼和尾桨的气动性能无影响，信号采集方便、告警及时，自动化程度高，减轻飞行员驾驶负担。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1基于气动噪声监测的旋翼涡环状态自动预警方法的流程示意图；

图2为本发明实施例2基于气动噪声监测的旋翼涡环状态自动预警系统的结构示意图；

图3为本发明基于气动噪声监测的旋翼涡环状态自动预警系统中麦克风安装位置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

提供了基于气动噪声监测的旋翼涡环状态自动预警系统及方法，能够更加便捷地实现在旋翼进入涡环状态的早期进行及时自动预警，保证直升机以及倾转旋翼飞行器在着陆时的安全。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

图1为本发明基于气动噪声监测的旋翼涡环状态自动预警方法的流程示意图。

如图1所示，基于气动噪声监测的旋翼涡环状态自动预警方法，包括：

步骤101：获取麦克风采集的在直升机或倾转旋翼飞行器下降或着陆飞行时机身的气动噪声信号，如图3所示，所述麦克风有多个，布置于直升机或倾转旋翼飞行器机身表面；

步骤102：对所述气动噪声信号进行频谱分析，得到气动噪声频域信号；

步骤103：滤除所述气动噪声频域信号中的低频噪声信号，得到旋翼和尾桨的噪声频域信号；

步骤104：对所述旋翼和尾桨的噪声频域信号进行分离，分别得到旋翼的气动噪声频域信号以及尾桨的气动噪声频域信号；

步骤105：对所述旋翼的气动噪声频域信号进行动态分析，得到旋翼各时间段对应的气动噪声频域信号声压级与旋翼桨叶通过频率的关系；

步骤106：比较旋翼各时间段对应的气动噪声频域信号，当6～40倍旋翼桨叶通过频率对应的噪声声压级呈增长趋势时，向报警器发送旋翼已进入危险的涡环状态的告警指令。

所述步骤101：获取麦克风采集的在直升机或倾转旋翼飞行器下降或着陆飞行时机身的气动噪声信号，具体包括：获取麦克风在直升机或倾转旋翼飞行器做下降或着陆飞行时动态采集的时域噪声信号。

所述步骤102：对所述气动噪声信号进行频谱分析，得到气动噪声频域信号，具体包括：

将接收到的时域气动噪声信号均分为多个时间段；

将各时间段的气动噪声时域信号进行傅里叶变换，转化为对应的气动噪声频域信号。

所述步骤104：对所述旋翼和尾桨的噪声频域信号进行分离，分别得到旋翼的气动噪声频域信号以及尾桨的气动噪声频域信号，具体包括：根据旋翼和尾桨桨叶通过频率的不同，分离出旋翼和尾桨气动噪声成分，旋翼的频域噪声信号处理为桨叶通过频率整数倍的形式。

实施例2

图2为本发明基于气动噪声监测的旋翼涡环状态自动预警系统的结构示意图。

如图2所示，基于气动噪声监测的旋翼涡环状态自动预警系统，包括：

气动噪声信号获取模块201，用于获取麦克风采集的在直升机或倾转旋翼飞行器下降或着陆飞行时机身的气动噪声信号，所述麦克风有多个，布置于直升机或倾转旋翼飞行器机身表面；

频谱分析模块202，用于对所述气动噪声信号进行频谱分析，得到气动噪声频域信号；

低频噪声信号滤除模块203，用于滤除所述气动噪声频域信号中的低频噪声信号，得到旋翼和尾桨的噪声频域信号；

噪声频域信号分离模块204，用于对所述旋翼和尾桨的噪声频域信号进行分离，分别得到旋翼的气动噪声频域信号以及尾桨的气动噪声频域信号；

动态分析模块205，用于对所述旋翼的气动噪声频域信号进行动态分析，得到旋翼各时间段对应的气动噪声频域信号声压级与旋翼桨叶通过频率的关系；

告警模块206，用于比较旋翼各时间段对应的气动噪声频域信号，当6～40倍旋翼桨叶通过频率对应的噪声声压级呈增长趋势时，向报警器发送旋翼已进入危险的涡环状态的告警指令。

所述气动噪声信号获取模块201，具体包括：气动噪声信号获取单元，用于获取麦克风在直升机或倾转旋翼飞行器做下降或着陆飞行时动态采集的时域噪声信号。

所述频谱分析模块202，具体包括：

划分单元，用于将接收到的时域气动噪声信号均分为多个时间段；

傅里叶变换单元，用于采用公式：

将各时间段的气动噪声时域信号进行傅里叶变换，转化为对应的气动噪声频域信号，其中，X(f)为x(t)的像函数。

所述噪声频域信号分离模块204，具体包括：

噪声频域信号分离单元，用于根据旋翼和尾桨桨叶通过频率的不同，分离出旋翼和尾桨气动噪声成分，旋翼的频域噪声信号处理为桨叶通过频率整数倍的形式。

实施例3

以单旋翼带尾桨直升机为例，旋翼和尾桨桨叶片数均为两片，旋翼桨叶的通过频率为13Hz，尾桨的通过频率为55Hz，基于气动噪声监测的旋翼涡环状态自动预警方法包括：

气动噪声信号采集：获取麦克风采集的在直升机或倾转旋翼飞行器下降或着陆飞行时机身的气动噪声信号，如图3所示，所述麦克风有多个，布置于直升机或倾转旋翼飞行器机身表面而在做平飞等其他飞行时，麦克风保持关闭状态，以提高其使用寿命。

气动噪声信号频谱分析：将采集到的各麦克风时域动态噪声信号均分为若干段，例如，假设当前已经采集了2s的噪声信号，以0.1s的时间间隔，将各麦克风时域动态噪声信号划分为20个时间段，基于傅里叶变换，将20个时间段的时域噪声信号依次转化为对应的频域噪声信号，以20个频域噪声信号为对象，由于振动噪声的频率一般不超过桨叶通过频率，将不超过13Hz的噪声信号从总噪声信号中过滤出去，其余部分为旋翼和尾桨的气动噪声频域信号。

旋翼和尾桨气动噪声信号分离：根据旋翼和尾桨桨叶通过频率的不同，分离出旋翼和尾桨气动噪声成分，旋翼的频域噪声信号处理为其桨叶通过频率(BPF)整数倍的形式，即26Hz(2BPF)，39Hz(3BPF)，52Hz(4BPF)……。

旋翼频域噪声信号动态分析：比较20个旋翼频域噪声信号，当发现6～40倍旋翼桨叶通过频率(6～40BPF)对应的噪声声压级显著提高时，认为旋翼已经进入危险的涡环状态。

机载计算机自动告警：旋翼频域噪声信号动态分析确认旋翼已经进入涡环状态后，机载计算机发出指令，安装在驾驶舱内的警报器及时发出告警的声和光信号，对飞行员进行提醒。

涡环状态的改出：在告警器发出告警后，驾驶员可以及时施加纵向周期变距操纵，让直升机获得前飞速度，避免进入难以挽救的深度涡环状态。

对于先进的电传操纵直升机而言，机载计算机也可以直接发出操纵指令，自动施加纵向周期变距。

布置多个麦克风的目的是为了降低误报警的可能性，当其中大部分麦克风的噪声测量和分析结果都表明旋翼有进入涡环状态的迹象时，机载计算机才采取报警措施。

本发明提供的基于气动噪声监测的旋翼涡环状态自动预警系统及方法，克服了传统技术中旋翼拉力和扭矩的监测需要在桨叶上布置大量的应变片，实现起来较为困难，同时会影响旋翼的性能的缺陷，在进行噪声信号采集时只需要在机身上安装几个麦克风即可实现，成本低廉，且对旋翼和尾桨的气动性能无影响。

旋翼进入涡环状态引起的座舱异常振动和机身航向摆动存在一定的时间滞后，而噪声信号的传播相对很快，告警及时。

噪声信号的采集和旋翼进入涡环状态的告警都不需要直升机飞行员的直接参与，大大减轻飞行员的驾驶负担。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.基于气动噪声监测的旋翼涡环状态自动预警方法，其特征在于，包括：

获取麦克风采集的在直升机或倾转旋翼飞行器下降或着陆飞行时机身的气动噪声信号，所述麦克风有多个，布置于直升机或倾转旋翼飞行器机身表面；

对所述气动噪声信号进行频谱分析，得到气动噪声频域信号；

滤除所述气动噪声频域信号中的低频噪声信号，得到旋翼和尾桨的噪声频域信号；

对所述旋翼和尾桨的噪声频域信号进行分离，分别得到旋翼的气动噪声频域信号以及尾桨的气动噪声频域信号；

对所述旋翼的气动噪声频域信号进行动态分析，得到旋翼各时间段对应的气动噪声频域信号声压级与旋翼桨叶通过频率的关系；

比较旋翼各时间段对应的气动噪声频域信号，当6～40倍旋翼桨叶通过频率对应的噪声声压级呈增长趋势时，向报警器发送旋翼已进入危险的涡环状态的告警指令。

2.根据权利要求1所述的基于气动噪声监测的旋翼涡环状态自动预警方法，其特征在于，所述获取麦克风采集的在直升机或倾转旋翼飞行器下降或着陆飞行时机身的气动噪声信号，具体包括：获取麦克风在直升机或倾转旋翼飞行器做下降或着陆飞行时动态采集的时域噪声信号。

3.根据权利要求1所述的基于气动噪声监测的旋翼涡环状态自动预警方法，其特征在于，所述对所述气动噪声信号进行频谱分析，得到气动噪声频域信号，具体包括：

将接收到的时域气动噪声信号均分为多个时间段；

将各时间段的气动噪声时域信号进行傅里叶变换，转化为对应的气动噪声频域信号。

4.根据权利要求1所述的基于气动噪声监测的旋翼涡环状态自动预警方法，其特征在于，所述对所述旋翼和尾桨的噪声频域信号进行分离，分别得到旋翼的气动噪声频域信号以及尾桨的气动噪声频域信号，具体包括：根据旋翼和尾桨桨叶通过频率的不同，分离出旋翼和尾桨气动噪声成分，旋翼的频域噪声信号处理为桨叶通过频率整数倍的形式。

5.基于气动噪声监测的旋翼涡环状态自动预警系统，其特征在于，包括：

气动噪声信号获取模块，用于获取麦克风采集的在直升机或倾转旋翼飞行器下降或着陆飞行时机身的气动噪声信号，所述麦克风有多个，布置于直升机或倾转旋翼飞行器机身表面；

频谱分析模块，用于对所述气动噪声信号进行频谱分析，得到气动噪声频域信号；

低频噪声信号滤除模块，用于滤除所述气动噪声频域信号中的低频噪声信号，得到旋翼和尾桨的噪声频域信号；

噪声频域信号分离模块，用于对所述旋翼和尾桨的噪声频域信号进行分离，分别得到旋翼的气动噪声频域信号以及尾桨的气动噪声频域信号；

动态分析模块，用于对所述旋翼的气动噪声频域信号进行动态分析，得到旋翼各时间段对应的气动噪声频域信号声压级与旋翼桨叶通过频率的关系；

告警模块，用于比较旋翼各时间段对应的气动噪声频域信号，当6～40倍旋翼桨叶通过频率对应的噪声声压级呈增长趋势时，向报警器发送旋翼已进入危险的涡环状态的告警指令。

6.根据权利要求5所述的基于气动噪声监测的旋翼涡环状态自动预警系统，其特征在于，所述气动噪声信号获取模块，具体包括：气动噪声信号获取单元，用于获取麦克风在直升机或倾转旋翼飞行器做下降或着陆飞行时动态采集的时域噪声信号。

7.根据权利要求5所述的基于气动噪声监测的旋翼涡环状态自动预警系统，其特征在于，所述频谱分析模块，具体包括：

划分单元，用于将接收到的时域气动噪声信号均分为多个时间段；

傅里叶变换单元，用于采用公式：

将各时间段的气动噪声时域信号进行傅里叶变换，转化为对应的气动噪声频域信号，其中，X(f)为x(t)的像函数。

8.根据权利要求5所述的基于气动噪声监测的旋翼涡环状态自动预警系统，其特征在于，所述噪声频域信号分离模块，具体包括：

噪声频域信号分离单元，用于根据旋翼和尾桨桨叶通过频率的不同，分离出旋翼和尾桨气动噪声成分，旋翼的频域噪声信号处理为桨叶通过频率整数倍的形式。