CN109991003B - 基于声学监测的发动机状态监测与诊断系统及实现方法 - Google Patents

基于声学监测的发动机状态监测与诊断系统及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于声学监测的发动机状态监测与诊断系统，包括声像仪、传声器、多通道数据采集设备和上位机；发动机点火后，传声器和声像仪采集发动机推力建立过程中的声音信号，通过多通道数据采集设备传输到上位机；上位机根据上述声音信号获得发动机不同位置处声音信号声压级、过零率、能量谱分布特征、时频特征随推力建立过程的变化曲线以及火箭周围区域中声信号空间场分布随推力建立过程的变化曲线。本发明进一步给出了利用上述系统的状态检测与诊断实现方法，根据系统获得的声场数据，建立多层次声源评估模型，并利用上述模型对火箭发射时发动机点火后发射台附近实时采集的声场数据进行一致性分析，能够实时监测发动机异常。

Description

基于声学监测的发动机状态监测与诊断系统及实现方法
技术领域
本发明涉及一种基于声学监测的发动机状态监测与诊断系统及实现方法，属于飞行器故障诊断领域。
背景技术
火箭发动机是否工作正常直接决定了火箭发射的成败。发动机点火发生异常时，在点火后的很短一段时间内，可以通过紧急关机程序，终止发射，以避免带来更大损失，因此及时发现发动机异常，对于降低发射风险至关重要。目前，火箭发动机内通过可植入测点监测异常情况，但是为了保证发动机工作的安全性和可靠性，发动机内部可植入测点较少，有可能导致对异常情况的监测不全面。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种非接触式的基于声学监测的发动机状态监测与诊断系统及实现方法，能够辅助现有的植入测点方式，更全面监测发动机运行情况。
本发明的技术解决方案是：
基于声学监测的发动机状态监测与诊断系统，包括一个声像仪、N个传声器、多通道数据采集设备和上位机；
声像仪位于火箭背离发射台一侧的正前方，N个传声器分布在火箭背离发射台方向一定距离处，火箭与各个传声器之间不存在障碍物；
发动机点火后，传声器和声像仪采集发动机推力建立过程中的声音信号，并以模拟信号形式分别传输到多通道数据采集设备的不同通道；多通道数据采集设备各通道分别对接收的模拟信号进行A/D转换和预处理后，传输到上位机进行保存、处理和显示；
上位机对来自各个传声器的声音信号进行处理，获得发动机不同位置处声音信号声压级、过零率、能量谱分布特征以及时频特征随推力建立过程的变化曲线；对来自声像仪的声音信号，进行处理，确定声源点位置，获取火箭周围区域中声信号空间场分布随推力建立过程的变化曲线。
声像仪距离火箭100m至200m，每个传声器距离火箭20m至200m。
每个传声器使用一个三脚架放置在预定位置，传声器外安装风球，消除风和水汽影响。
声像仪包括多个传声器形成的星形结构阵列和摄像头，摄像头用于采集发动机推力建立过程中的火箭图像，星形结构阵列采集发动机推力建立过程中的声音信号；
上位机采用阵列信号处理方法对星形结构阵列采集的声音信号进行处理，确定声源点位置和影响范围信息，并据此在火箭图像上进行标记，形成声像图，便于用户实施监控、使用。
所述传声器低频截止频率不大于0.1Hz，最大声压级不小于160dB。
所述传声器由多通道数据采集设备供电。
上位机对各个传声器的声音信号进行声信号时域特征分析，得到发动机不同位置处声音信号声压级、过零率随推力建立过程的变化曲线；
对各个传声器的声音信号进行信号小波域特征分析，通过选择合适的小波包进行小波变换，得到声信号时频特征随推力建立过程的变化曲线。
上位机对各个传声器的声音信号进行信号频域特征分析，得到信号在多个典型频段的能量谱分布随推力建立过程的变化曲线，明确特征频段参数。
当不同频带间存在相位耦合关系时，采用双谱及高阶分析的方法实现信号频域特征分析。
所述系统的状态监测与诊断实现方法，包括如下步骤：
(1)利用基于声学监测的发动机状态监测与诊断系统，参加相关型号火箭发动机动力试车试验，采集发动机点火后推力建立过程中的声音信号，进而获得不同位置声音信号声压级、过零率、能量谱分布特征、时频特征随推力建立过程的变化曲线，以及火箭周围区域中声信号空间场分布随推力建立过程的变化曲线；
(2)根据每次动力试车试验的数据分析结果，确定与发动机不同部位状态密切相关的声信号窄带频率，在所述窄带频率中进行声源定位与评估，形成多频带声源分析曲线，用于发动机不同部位的状态评估；
(3)基于若干次动力试车试验得到的分析结果，构建火箭发动机正常工作时声音信号变化情况的模型库，后续随着试车试验次数的增多，不断对模型库进行补充、优化；
(4)火箭发射过程中，利用所述基于声学监测的发动机状态监测与诊断系统，采集发动机点火后推力建立过程中的声音信号，提取声音信号声压级、过零率、能量谱分布特征、时频特征随推力建立过程的变化曲线以及火箭周围区域中声信号空间场分布随推力建立过程的变化曲线，并与模型库中的曲线进行一致性分析，当曲线与模型库中历次试验中的曲线相似度均小于0.7时，认为发动机可能存在异常；
(5)根据发射过程中采集的发动机点火后推力建立过程中的声音信号，提取多频带声源分析曲线，并与模型库中的多频带声源分析曲线进行一致性分析，当曲线与模型库中历次试验中的曲线相似度均小于0.7时，认为该频带对应的发动机部位有可能存在异常。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明创新性地采用非接触式的声学监测手段，监测发动机点火后推力建立过程中的声信号变化情况，用于检测发动机异常与故障，辅助现有的植入测点方式，能够更全面监测发动机运行情况。
(2)本发明借助声像仪与分频声源分析方法，建立多层次声源评估模型，能够实现复杂声信号对象的监测。
附图说明
图1为本发明发动机状态检测与诊断系统示意图；
图2为B&K公司1/2英寸的4193型传声器示意图；
图3为声像仪的星形结构阵列示意图；
图4为传声器的设备连接方式；
图5为声像仪的设备连接方式。
具体实施方式
本发明采用非接触式的声学监测手段，对火箭发动机点火后的声场信号进行采集，提取特性信号，并依据模型对发动机的运行状态进行监测与诊断。是对现有的植入测点方式的辅助。
如图1所示，本发明基于声学监测的发动机状态监测与诊断系统，包括一个声像仪、N个传声器、多通道数据采集设备和上位机。N为不为0的自然数。图1中示出了两个传声器。
声像仪位于火箭背离发射台一侧的正前方，距离火箭100m至200m，N个传声器分布在火箭背离发射台方向一定距离(20m至200m)处，火箭与各个传声器之间不存在障碍物。每个传声器使用一个三脚架放置在预定位置，传声器外安装风球，消除风和水汽影响。
声像仪包括多个传声器形成的星形结构阵列和摄像头，摄像头用于采集发动机推力建立过程中的火箭图像，星形结构阵列采集发动机推力建立过程中的声音信号。
发动机点火后，传声器和声像仪采集发动机推力建立过程中的声音信号，并以模拟信号形式分别传输到多通道数据采集设备的不同通道；多通道数据采集设备各通道分别对接收的模拟信号进行A/D转换和预处理(滤波)后，通过网线，按照TCP/IP协议将A/D转换的信号传输到上位机进行保存、处理和显示。
上位机采用与阵列流形相匹配的阵列信号处理方法对声像仪中星形结构阵列采集的声音信号进行处理，形成指向性声音信号采集，确定声源点位置和影响范围信息，并据此在火箭图像上进行标记，形成声像图，便于用户实施监控、使用。同时根据声源点位置，获取火箭周围区域中声信号空间场分布随推力建立过程的变化曲线。
上位机对各个传声器的声音信号进行声信号时域特征分析，得到发动机不同位置处声音信号声压级、过零率随推力建立过程的变化曲线；上位机对各个传声器的声音信号进行信号频域特征分析，得到信号在多个典型频段的能量谱分布随推力建立过程的变化曲线，明确特征频段参数；当不同频带间存在相位耦合关系时，采用双谱及高阶分析的方法实现信号频域特征分析。上位机对各个传声器的声音信号进行信号小波域特征分析，通过选择合适的小波包进行小波变换，得到声信号时频特征随推力建立过程的变化曲线。
本发明中的传声器需要选择具备高动态范围和低频信号采集能力的传声器。低频截止频率不大于0.1Hz，最大声压级不小于160dB。在测试中单个传声器与声像仪形成对发动机声源的多方向空间声场信息采集。
传声器由多通道数据采集设备提供直流恒流源，传声器以电压信号方式提供声信号。
具体地，本发明选用BRAS公司1/4英寸的40BH型传声器用于高声级测量。该型号传声器测量频段为10Hz-20kHz，动态范围高达193dB，灵敏度0.4mV/Pa。该传声器使用LEMO接口的线缆连接多通道数据采集设备。
选用B&K公司1/2英寸的4193型传声器用于次声测量及一般声学测量(低频噪声测量)。该型号传声器测量频段为0.07Hz-20kHz，动态范围19-162dB，本地噪声19dBA，灵敏度12.5mV/Pa。B&K公司1/2英寸的4193型传声器如图2所示，直径约2.5cm，长度约10cm，使用BNC接口，通过线缆连接到多通道数据采集设备。
声像仪包括多个传声器形成的星形结构阵列和摄像头，星形结构阵列的俯仰角度可调整。阵列实际是传声器按照预定几何形状的排列，电气连接与单个传声器相同。传声器阵列本身不包含电源，由多通道数据采集设备向阵列上的传声器供电，并采集传声器输出的模拟电压信号(通常在±5V以内)。声像仪的星形结构阵列如图3所示。
传声器的设备连接方式如图4所示，声像仪的设备连接方式如图5所示。
利用本发明系统进行状态监测与诊断的实现方法，包括如下步骤：
(1)利用基于声学监测的发动机状态监测与诊断系统，参加相关型号火箭发动机动力试车试验，采集发动机点火后推力建立过程中的声音信号，进而获得不同位置声音信号声压级、过零率、能量谱分布特征、时频特征随推力建立过程的变化曲线，以及火箭周围区域中声信号空间场分布随推力建立过程的变化曲线；
(2)根据每次动力试车试验的数据分析结果，确定与发动机不同部位状态密切相关的声信号窄带频率，在所述窄带频率中进行声源定位与评估，形成多频带声源分析曲线，用于发动机不同部位的状态评估；
(3)基于若干次动力试车试验得到的分析结果，构建火箭发动机正常工作时声音信号变化情况的模型库，后续随着试车试验次数的增多，不断对模型库进行补充、优化；
(4)火箭发射过程中，利用所述基于声学监测的发动机状态监测与诊断系统，采集发动机点火后推力建立过程中的声音信号，提取声音信号声压级、过零率、能量谱分布特征、时频特征随推力建立过程的变化曲线以及火箭周围区域中声信号空间场分布随推力建立过程的变化曲线，并与模型库中的曲线进行一致性分析，当曲线与模型库中历次试验中的曲线相似度均小于0.7时，认为发动机可能存在异常；
(5)根据发射过程中采集的发动机点火后推力建立过程中的声音信号，提取多频带声源分析曲线，并与模型库中的多频带声源分析曲线进行一致性分析，当曲线与模型库中历次试验中的曲线相似度均小于0.7时，认为该频带对应的发动机部位有可能存在异常。
本发明的系统与方法，参与了若干次火箭发动机点火试验，采集了发射台附近的声场数据，建立了多层次声源评估模型，并利用该模型对火箭发射时发动机点火后发射台附近实时采集的声场数据进行一致性分析，能够实时监测发动机异常，是现有植入测点方式的有力补充。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.基于声学监测的发动机状态监测与诊断系统，其特征在于：包括一个声像仪、N个传声器、多通道数据采集设备和上位机；
声像仪位于火箭背离发射台一侧的正前方，N个传声器分布在火箭背离发射台方向一定距离处，火箭与各个传声器之间不存在障碍物；
发动机点火后，传声器和声像仪采集发动机推力建立过程中的声音信号，并以模拟信号形式分别传输到多通道数据采集设备的不同通道；多通道数据采集设备各通道分别对接收的模拟信号进行A/D转换和预处理后，传输到上位机进行保存、处理和显示；
上位机对来自各个传声器的声音信号进行处理，获得发动机不同位置处声音信号声压级、过零率、能量谱分布特征以及时频特征随推力建立过程的变化曲线；对来自声像仪的声音信号，进行处理，确定声源点位置，获取火箭周围区域中声信号空间场分布随推力建立过程的变化曲线；
所述系统的状态监测与诊断实现方法，包括如下步骤：
(1)利用基于声学监测的发动机状态监测与诊断系统，参加相关型号火箭发动机动力试车试验，采集发动机点火后推力建立过程中的声音信号，进而获得不同位置声音信号声压级、过零率、能量谱分布特征、时频特征随推力建立过程的变化曲线，以及火箭周围区域中声信号空间场分布随推力建立过程的变化曲线；
(2)根据每次动力试车试验的数据分析结果，确定与发动机不同部位状态密切相关的声信号窄带频率，在所述窄带频率中进行声源定位与评估，形成多频带声源分析曲线，用于发动机不同部位的状态评估；
(3)基于若干次动力试车试验得到的分析结果，构建火箭发动机正常工作时声音信号变化情况的模型库，后续随着试车试验次数的增多，不断对模型库进行补充、优化；
(4)火箭发射过程中，利用所述基于声学监测的发动机状态监测与诊断系统，采集发动机点火后推力建立过程中的声音信号，提取声音信号声压级、过零率、能量谱分布特征、时频特征随推力建立过程的变化曲线以及火箭周围区域中声信号空间场分布随推力建立过程的变化曲线，并与模型库中的曲线进行一致性分析，当曲线与模型库中历次试验中的曲线相似度均小于0.7时，认为发动机可能存在异常；
(5)根据发射过程中采集的发动机点火后推力建立过程中的声音信号，提取多频带声源分析曲线，并与模型库中的多频带声源分析曲线进行一致性分析，当曲线与模型库中历次试验中的曲线相似度均小于0.7时，认为该频带对应的发动机部位有可能存在异常。
2.根据权利要求1所述的基于声学监测的发动机状态监测与诊断系统，其特征在于：声像仪距离火箭100m至200m，每个传声器距离火箭20m至200m。
3.根据权利要求1所述的基于声学监测的发动机状态监测与诊断系统，其特征在于：每个传声器使用一个三脚架放置在预定位置，传声器外安装风球，消除风和水汽影响。
4.根据权利要求1所述的基于声学监测的发动机状态监测与诊断系统，其特征在于：声像仪包括多个传声器形成的星形结构阵列和摄像头，摄像头用于采集发动机推力建立过程中的火箭图像，星形结构阵列采集发动机推力建立过程中的声音信号；
上位机采用阵列信号处理方法对星形结构阵列采集的声音信号进行处理，确定声源点位置和影响范围信息，并据此在火箭图像上进行标记，形成声像图，便于用户实施监控、使用。
5.根据权利要求1或4所述的基于声学监测的发动机状态监测与诊断系统，其特征在于：所述传声器低频截止频率不大于0.1Hz，最大声压级不小于160dB。
6.根据权利要求1或4所述的基于声学监测的发动机状态监测与诊断系统，其特征在于：所述传声器由多通道数据采集设备供电。
7.根据权利要求1所述的基于声学监测的发动机状态监测与诊断系统，其特征在于：上位机对各个传声器的声音信号进行声信号时域特征分析，得到发动机不同位置处声音信号声压级、过零率随推力建立过程的变化曲线；
对各个传声器的声音信号进行信号小波域特征分析，通过选择合适的小波包进行小波变换，得到声信号时频特征随推力建立过程的变化曲线。
8.根据权利要求7所述的基于声学监测的发动机状态监测与诊断系统，其特征在于：上位机对各个传声器的声音信号进行信号频域特征分析，得到信号在多个典型频段的能量谱分布随推力建立过程的变化曲线，明确特征频段参数。
9.根据权利要求8所述的基于声学监测的发动机状态监测与诊断系统，其特征在于：当不同频带间存在相位耦合关系时，采用双谱及高阶分析的方法实现信号频域特征分析。
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