CN110566471B - 一种基于功能参数的便捷式泵声学性能获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于功能参数的便捷式泵声学性能获取方法，包括如下步骤：基于泵流量、扬程以及几何结构尺寸，计算被动参数矩阵T；获取泵进/出口声学状态参数矩阵U；基于被动参数矩阵T、泵进/出口声学状态参数矩阵U与泵声学性能参数之S间的关系，获取泵声学性能参数S。该方法既可以避免复杂的声学测试过程，同时又能在避免试验台架影响的同时，获取全部的泵声学性能信息。

Description

一种基于功能参数的便捷式泵声学性能获取方法

技术领域

本发明属于舰艇管路系统声学性能评估技术领域，具体涉及一种基于功能参数的便捷式泵声学性能获取方法。

背景技术

泵声学性能是设备自身的重要评价指标，同时也是管路系统声学性能评估的重要输入参数。目前，获取泵声学性能指标主要有两种方法：

第一，直接在泵进/出口附近布置水听器或者压力脉动传感器进行监测，这种方法实施起来非常简便快捷，代价最小，但这种方法一方面受试验台架的影响较大，从而使其测试结果的可信度大打折扣，另一方面测试结果仅包含声压信息，无法完全反映泵的声学性能；

第二，根据严格的管路声学理论，利用两负载法、两声源法、两位置声源法等方法，剔除试验台架对测试结果的影响，精确获取被动参数矩阵T和主动矩阵S。这种方法的优点在于能够准确获取泵的声学性能，但其实施步骤复杂，实施周期长，代价大，难以在工程上推广应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于功能参数的便捷式泵声学性能获取方法，既可以避免复杂的声学测试过程，同时又能在避免试验台架影响的同时，获取全部的泵声学性能信息。

本发明是这样实现的：

一种基于功能参数的便捷式泵声学性能获取方法，包括如下步骤：

基于泵流量、扬程以及几何结构尺寸，计算被动参数矩阵T；

获取泵进/出口声学状态参数矩阵U；

基于被动参数矩阵T、泵进/出口声学状态参数矩阵U与泵声学性能参数之S间的关系，获取泵声学性能参数S。

进一步地，本发明计算被动参数矩阵T为：

式中：ΔH/ΔQ为泵水力性能曲线的斜率，H为扬程，Q为泵流量；V_imp为蜗壳的容积；S_imp为蜗壳与叶轮组成的封闭空间内部的横截面；ρ为介质密度；c为声速；ω为角频率。

进一步地，本发明基于最小二乘法开展管路声学测试，获取泵进/出口声学状态参数矩阵U。

进一步地，本发明所述基于最小二乘法开展管路声学测试，获取泵进/出口声学状态参数矩阵U的过程为：

获取泵进口声学状态参数矩阵U₁的具体过程为：

a)将截面x＝0处的声学状态参数作为泵进口的声学状态参数，建立相应的一维坐标系，各个测点的坐标依次为x₁、x₂…..x_n；

b)将泵进口管路上任意测点对应的声压表示为：

式中：N为测点编号，n＝1，2，3…….；

P⁺(0)、P^-(0)为x＝0位置处声压的正行波、反行波；

c)将x＝0处声波的行波表示成如下形式：

P⁺(0)＝c₁+jc₂

P^-(0)＝c₃+jc₄

式中：c_i为波系数，i＝1,2,3,4；

d)基于最小二乘法，计算波系数c_i；

S_im·C_m＝T_i

式中：C_m＝(c₁,c₂,c₃,c₄)，

为p(x_n)的共轭复数；

根据所述P⁺(0)、P^-(0)，计算p(0)、q(0)；

p(0)＝P⁺(0)+P^-(0)

采用与U₁获取相同的方式获取泵出口声学状态参数矩阵U₂。

进一步地，本发明所述被动参数矩阵T、泵进/出口声学状态参数矩阵U与泵声学性能参数之S间的关系为：

U₁＝T·(U₂+S)。

进一步地，本发明还包括针对获取泵进/出口声学状态参数矩阵U，判断其是否满足如下椭圆曲线方程：

式中：R＝re^j2σ为x＝0位置处的反射系数＝P^-(0)/P⁺(0)，2σ为x＝0位置处的入射波和反射波的相位差，根据R可以确定出r，X、Y为任意测点声压p(x_n)的实部和虚部；

在不满足的情况重新进行U的获取。

有益效果

(1)本发明利用泵的流量、扬程、转速、蜗壳与叶轮的几何结构尺寸，根据集中参数理论，直接建立泵的被动传递矩阵T，避免了传统两负载法、两声源法、两位置声源法等方法的复杂实施过程，并能保证一定的精度，大大简化了流程。

(2)基于最小二乘法，在泵进出口管路布置三个及以上传感器进行测试，可在宽广的频率范围内获取声压信息，有效拓宽了本方法的应用范围。

(3)基于管路内部平面波传播原理，建立一种快速评估管路内部声学参数测试结果有效性的方法，保证了本方法测试结果的可信度。

(4)本发明既可以避免复杂的声学测试过程，同时又能在避免试验台架影响的同时，获取全部的泵声学性能信息，有效弥补了目前所采用方法的缺点。

附图说明

图1为本发明基于功能参数的便捷式泵声学性能表征方法的流程图。

图2为本发明所述泵进出口参数矩阵U、泵被动参数矩阵T、泵主动参数矩阵S的原理示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述。

本发明实施例一种基于功能参数的便捷式泵声学性能获取方法，如图1所示，具体过程为：

定义泵进/出口声学状态参数矩阵U₁、U₂，用以表征对应位置处的声学状态。

式中：

U₁、U₂为泵进/出口声学状态参数矩阵，包含声压、体积速度，为2×1矩阵；

p₁、p₂为泵进/出口截面的声压；

q₁、q₂为泵进/出口截面的体积速度。

定义泵的声学性能表征参数，基于功能参数的被动矩阵T、主动源矩阵S。

式中：

T为泵被动参数矩阵，与泵的功能参数有关，是泵的固有特性，为2×2矩阵；T₁₁～T₂₂分别表示矩阵T的元素；

S为泵主动参数矩阵，包含声压、体积速度，与泵运转工况有关，为2×1矩阵；

q_s、q_s为泵主动声压源、主动体积速度源。

步骤一、假设声源位于泵出口附近位置，建立U₁、U₂、T、S四者之间的联系关系，如图2所示。

U₁＝T·(U₂+S)

步骤二、基于泵的流量、扬程以及几何结构尺寸，建立被动参数矩阵T。

式中：

ΔH/ΔQ为泵水力性能曲线的斜率，H为扬程，Q为泵流量；

V_imp为蜗壳的容积；

S_imp为蜗壳与叶轮组成的封闭空间内部的横截面

ρ为介质密度；

c为声速；

ω为角频率。

由于本发明更对针对于低频的情况，此时声波波长远远大于泵蜗壳的尺寸，因此在声学上可采用集中参数法对泵的被动传递特性进行描述。集中参数法具体过程为：将叶轮内部的流体通道类比成声质量和声阻，即公式中的Z2，将蜗壳容腔分成叶轮进口侧Y1和出口侧Y3，均类比成声容，按照流体流动方向，依次将蜗壳进口侧Y1、叶轮Z2、蜗壳出口侧Y3按照传递矩阵进行串联，串联矩阵如下，其中Y1和Y3是声容的倒数。

步骤三、基于最小二乘法开展管路声学测试，获取泵进/出口声学状态参数矩阵U；

获取泵进口声学状态参数矩阵U₁的具体过程为：

a)将截面x＝0处的声学状态参数作为泵进口的声学状态参数，建立相应的一维坐标系，各个测点的坐标依次为x₁、x₂…..x_n。

b)将泵进口管路上任意测点对应的声压表示为：

式中：

N为测点编号，n＝1，2，3…….。

P⁺(0)、P^-(0)为x＝0位置处声压的正行波、反行波，两者之和即为相应位置处的声压p。

c)将x＝0处声波的行波写成如下形式：

P⁺(0)＝c₁+jc₂

P^-(0)＝c₃+jc₄

式中：

c_i为波系数，i＝1,2,3,4。

d)基于最小二乘法，波系数c_i可由如下方程确定：

S_im·C_m＝T_i

式中：

S_im——4×4矩阵，

C_m——4×1矩阵，C_m＝(c₁,c₂,c₃,c₄)；

T_i——4×1矩阵，

——任意测点声压p(x_n)的共轭复数。

在获得x＝0位置处声压的正行波、反行波之后，根据管路声学理论，通过简单的计算即可获得相应位置的声压、体积速度，如下式所示。

p(0)＝P⁺(0)+P^-(0)

式中：

p(0)、q(0)分别为x＝0处的声压、体积速度。

采用与U₁获取相同的方式获取泵出口声学状态参数矩阵U₂。

步骤四、检验泵进/出口声学状态参数矩阵U₁、U₂测试结果的有效性。

通过上述波分解法测得各测点位置处的行波之后，为保证测试结果的正确性，需验证所测声压是否符合平面波传播特性，即是否满足如下椭圆曲线方程：

式中：

p⁺(0)——正行波幅值；

R＝re^j2σ——x＝0位置处的反射系数，即反行波与正行波的比值，2σ为x＝0位置处的入射波和反射波的相位差，根据R可以确定出r；

X、Y——任意测点声压p(x_n)的实部和虚部。

若检验结果为U₁、U₂测试结果无效，则重复步骤三进行重新检测，直至结果有效为止。

步骤五、利用步骤一建立的联系方程，结合步骤二、三获取的T、U₁、U₂，获取包含声压、体积速度的泵主动参数矩阵S，即泵声学性能指标，用于对泵进行客观评价。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于功能参数的便捷式泵声学性能获取方法，其特征在于，包括如下步骤：

基于泵流量、扬程以及几何结构尺寸，计算被动参数矩阵T；

获取泵进/出口声学状态参数矩阵U；

基于被动参数矩阵T、泵进/出口声学状态参数矩阵U与泵声学性能参数S之间的关系，获取泵声学性能参数S；

所述计算被动参数矩阵T为：

式中：ΔH/ΔQ为泵水力性能曲线的斜率，H为扬程，Q为泵流量；V_imp为蜗壳的容积；S_imp为蜗壳与叶轮组成的封闭空间内部的横截面；ρ为介质密度；c为声速；ω为角频率；j表示虚数单位；g表示重力加速度；

基于最小二乘法开展管路声学测试，获取泵进/出口声学状态参数矩阵U的过程为：

获取泵进口声学状态参数矩阵U₁的具体过程为：

a)将x＝0处的声学状态参数作为泵进口的声学状态参数，建立相应的一维坐标系，各个测点的坐标依次为x₁、x₂…..x_n；

b)将泵进口管路上任意测点对应的声压表示为：

式中：k(x_n)表示测点x_n的波束，n为测点编号，n＝1，2，3…….；

P⁺(0)、P^-(0)为x＝0位置处声压的正行波、反行波；

c)将x＝0处声波的行波表示成如下形式：

P⁺(0)＝c₁+jc₂

P^-(0)＝c₃+jc₄

式中：c_i为波系数，i＝1,2,3,4；

d)基于最小二乘法，计算波系数c_i；

S_im·C_m＝T_i

式中：C_m＝(c₁,c₂,c₃,c₄)，

为p(x_n)的共轭复数；

根据所述P⁺(0)、P^-(0)，计算p(0)、q(0)；

p(0)＝P⁺(0)+P^-(0)

采用与泵进口声学状态参数矩阵U₁获取相同的方式获取泵出口声学状态参数矩阵U₂；

所述被动参数矩阵T、泵进/出口声学状态参数矩阵U与泵声学性能参数S之间的关系为：

U₁＝T·(U₂+S)。

2.根据权利要求1所述基于功能参数的便捷式泵声学性能获取方法，其特征在于，还包括针对获取泵进/出口声学状态参数矩阵U，判断其是否满足如下椭圆曲线方程：

式中：R＝re^j2σ为x＝0位置处的反射系数，R＝P^-(0)/P⁺(0)，2σ为x＝0位置处的入射波和反射波的相位差，根据R可以确定出r，X、Y为任意测点声压p(x_n)的实部和虚部；

在不满足的情况重新进行泵进/出口声学状态参数矩阵U的获取。

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