CN114486134A - 一种振动疲劳试验辐射噪声监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种振动疲劳试验辐射噪声监测装置,其技术方案要点是，该噪声监测装置利用传声管道内只传输叶片的振动辐射噪声，使传声器测量的叶片振动辐射噪声声压与叶片叶尖振动位移、叶片叶根振动应变之间成线性关系，当电动激振台输出较小激振力时，对叶片叶根振动应变s和传声器监测的叶片振动辐射噪声声压p的线性关系进行标定，获得振动应变‑声压的关系式s＝K·p中的系数K，当应变片失效后，可以通过监测的噪声声压p换算得到叶片叶根振动应变s，由此实现对所述叶片振动疲劳试验的全程振动监测。该噪声监测装置可实现对宽频带、高温和大振动状态下的声压测量和叶片振动应变间接监测。所述噪声监测装置便于实施，通用性强，可多次重复使用。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机叶片振动疲劳试验技术领域，具体涉及一种振动疲劳试验辐射噪声监测装置。
背景技术
航空发动机叶片振动疲劳试验是获取叶片振动疲劳极限等振动疲劳性能的重要手段，叶片振动疲劳试验中叶片振动监测是重要环节。叶片振动监测方法分为直接监测法和间接监测法。直接监测法主要是应变片测量法，该监测法可以直接监测叶片振动时的振动应变，测量结果较准确，但是应变片在大振动状态时容易损坏，因此应变片测量法只适用于小振动状态时的振动监测，一般用于对间接监测法进行标定。
间接监测法主要有振动位移测量法，该监测法属于非接触式测量方法，振动位移监测受到频率监测范围、试件表面温度、位移监测量程的限制，对高频、高温、大振动状态下的振动监测无能为力，一般振动位移监测频率低于3000Hz，试件表面温度低于200℃，叶尖振动位移小于2mm。叶片振动疲劳试验时一般以其一阶弯曲频率为激振频率，有时也需要考虑其二阶、三阶等高阶频率下的振动疲劳性能，使得叶片的激振频率达到甚至超过10kHz。叶片大位移振动时叶尖振幅甚至超过5mm,试件温度甚至高于800℃。在如此高的激振频率、如此高的试件表面温度和如此大的振动位移情况下，振动位移测量法就不适用了。
传声器噪声测量方法也属于非接触式测量方法，它的测量频响范围宽、频响范围高达20kHz～140kHz，甚至更高。传声器离高温试件距离远，所处监测环境温度普遍低于200℃，声压监测量程甚至高达180dB，传声器完全满足宽频带、高温、大振动状态下的声压测量。但是直接测量辐射噪声，测量的辐射噪声包括叶片振动辐射噪声和其他外部噪声源的辐射噪声，这样会影响测量的噪声声压与叶片振动应变之间的相关性和线性关系。
现有的应变片测量法在大振动状态下容易损坏失效，振动位移测量法不能满足高频、高温、大位移振动监测的要求。因此，使用现有方法的装置无法满足振动疲劳试验中高频、高温、大振动状态下长时间振动监测的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种振动疲劳试验辐射噪声监测装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
所述振动疲劳试验辐射噪声监测装置包括支座、叶片、压块、传声管道、压紧螺栓、加速度传感器一、加速度传感器二和传声器。所述支座设置在电动激振台上，所述叶片通过所述压块和所述压紧螺栓设置在所述支座上，所述叶片设置于所述传声管道内部，所述支座和所述压块上分别设置有所述加速度传感器一和所述加速度传感器二。所述传声管道用于传输所述叶片的振动辐射噪声，而隔离电动激振台以及其他外部噪声源的辐射噪声，所述传声器用于测量所述叶片的振动辐射噪声，所述加速度传感器一和所述加速度传感器二用于监测所述电动激振台输出和传输到所述叶片上的振动加速度。
进一步，所述传声管道包括传声斗、传声管、消声末端和测声管，所述传声斗、传声管和消声末端依次连接，所述测声管与所述传声管连接。
进一步，所述叶片在电动激振台以激振频率f激振下所辐射的噪声，在所述传声管道内以平面波向前传播，而不存在反射波，所述叶片振动辐射噪声的频率f与所述电动激振台的激振频率相同，所述传声管的直径需满足
其中D为所述传声管的直径，co为声速。
进一步，所述消声末端包括穿孔管和多孔吸声材料，所述穿孔管沿着轴向均匀加工有消声孔，所述多孔吸声材料包裹在所述穿孔管外面，所述消声孔和所述多孔吸声材料使得所述叶片的振动辐射噪声在所述传声管内传播时只存在入射波，而不存在反射波干扰。
进一步，所述传声斗为簸箕形，所述传声斗包括两段相互垂直的台体外壳，所述传声斗一端的台体外壳与所述传声管连接，另一端的台体外壳设置有矩形槽开口，所述传声斗通过矩形槽将所述叶片的叶身设置于内部。
进一步，所述测声管设置于所述传声管靠近消声末端一侧的管壁上，所述传声器设置于所述测声管内部，所述传声器用于测量所述叶片的振动辐射噪声声压。
进一步，所述传声器测量的叶片振动辐射噪声声压与所述叶片叶尖振动位移、所述叶片叶根振动应变之间成线性关系。
进一步，所述噪声监测装置通过监测所述传声管内的叶片振动辐射噪声声压来实现对所述叶片叶根振动应变的间接监测，相对叶尖振动位移间接监测，所述噪声监测装置很容易实现对宽频带、高温、大振动状态下的声压测量。
进一步，所述叶片叶根振动应变通过在所述叶片的叶根处粘贴应变片进行监测，当电动激振台输出较小激振力时，对所述叶片叶根振动应变s和所述传声器监测的叶片振动辐射噪声声压p的线性关系进行标定，获得振动应变-声压的关系表达式s＝K·p中的系数K；当应变片失效后，通过所述传声器监测的叶片振动辐射噪声声压p换算得到所述叶片叶根振动应变s，实现对所述叶片振动疲劳试验的全程振动监测。所述噪声监测装置通过监测噪声声压实现对宽频带、高温、大振动状态下的叶片振动应变间接监测。
本发明的技术效果和优点：该振动疲劳试验辐射噪声监测装置通过监测噪声声压实现在宽频带、高温、大振动状态下的叶片振动应变间接监测，通过传声管道的传声斗、传声管、消声末端等结构来向前传播叶片的振动辐射噪声，测声管内的传声器测量的噪声只与叶片的振动辐射噪声有关，而隔离了电动激振台等外部噪声源的辐射噪声，所述测量的叶片振动辐射噪声与叶片叶根振动应变之间成线性关系。所述噪声监测装置实现了对叶片振动应变的间接监测，相对于间接监测叶尖振动位移来说，所述噪声监测装置可以实现对宽频带(如监测频率在10Hz～10kHz之间)、高温(如试件表面温度800℃以上)、大振动(如叶尖振幅超过5mm)状态下的声压测量。所述噪声监测装置便于实施，通用性强，可多次重复使用。
附图说明
图1为本发明振动疲劳试验辐射噪声监测装置的整体结构图；
图2为图1中沿A-A线的横向剖视图；
图3为图2中沿B-B线的横向剖视图；
图4为图3中沿C-C线的横向剖视图。
图中：1-支座；2-叶片；3-压块；4-传声管道；40—传声斗；41—传声管；42—消声末端；43—测声管；5-压紧螺栓；60—加速度传感器一；61—加速度传感器二；7-传声器。
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。
本发明提供了如图1-4所示的一种振动疲劳试验辐射噪声监测装置，图1为本发明振动疲劳试验辐射噪声监测装置的整体结构图，图2为图1中沿A-A线的横向剖视图，图3为图2中沿B-B线的横向剖视图，图4为图3中沿C-C线的横向剖视图。
所述振动疲劳试验辐射噪声监测装置包括支座1、叶片2、压块3、传声管道4、压紧螺栓5、加速度传感器一60、加速度传感器二61和传声器7。
所述支座1设置在电动激振台上，所述叶片2通过所述压块3和所述压紧螺栓5设置在所述支座1上，所述叶片设置于所述传声管道4内部，所述支座1和所述压块3上分别设置有所述加速度传感器一60和所述加速度传感器二61，所述传声管道4用于传输所述叶片2的振动辐射噪声，而隔离电动激振台以及其他外部噪声源的辐射噪声，所述传声器7用于测量所述叶片的振动辐射噪声，所述加速度传感器一60和所述加速度传感器二61用于监测所述电动激振台输出和传输到所述叶片上的振动加速度。
所述传声管道4包括传声斗40、传声管41、消声末端42和测声管43，所述传声斗40、所述传声管41和所述消声末端42依次连接，所述测声管43与所述传声管41连接。声波在所述传声管41中以平面波的形式传播，不存在高次波。当声波频率f满足
(D为传声管的直径，c0为声速)时，所述声波在所述传声管中将以平面波传播，高次波被截止。所述声波在圆形管道内以第一个径向模态开始传播时，ka＝1.841(
为波数，λ为波长，
为半径)。即当满足ka<1.841或
或
时，所述圆形管道内只有平面波传播。
所述叶片2在所述电动激振台以激振频率f激振下所辐射的噪声，在所述传声管道4内以平面波向前传播，而不存在反射波。所述叶片振动辐射噪声的频率f与所述电动激振台的激振频率相同。所述传声管41的直径需满足
其中D为所述传声管的直径，co为声速。
所述消声末端42包括穿孔管和多孔吸声材料，所述穿孔管沿着轴向均匀加工有消声孔，所述多孔吸声材料包裹在所述穿孔管外面，所述消声孔和所述多孔吸声材料使得所述叶片的振动辐射噪声在所述传声管内传播时只存在入射波，而不存在反射波干扰。所述消声孔孔径为0.5-1.5mm、穿孔率为20％-40％,所述多孔吸声材料可采用填充密度200kg/m3的长纤维玻璃丝绵。所述消声孔采用比较小的孔径和比较大穿孔率，但所述消声孔的穿孔率不应高于40％，当所述消声孔的穿孔率高于40％，工程设计中可以忽略穿孔管的存在。所述多孔吸声材料随着填充密度和厚度的增加，消声性能得以改善和提高。
所述传声斗40为簸箕形，所述传声斗包括两段相互垂直的台体外壳，所述传声斗一端的台体外壳与所述传声管连接，另一端的台体外壳设置有矩形槽开口，所述传声斗通过矩形槽将所述叶片的叶身设置于内部。所述叶片与矩形槽边之间有间隙，在电动激振台激励下，所述叶片发生振动，所述叶片叶身始终不会触碰到矩形槽边以及台体外壳的内壁。
所述测声管43设置于所述传声管41靠近消声末端42一侧的管壁上，所述传声器7设置于所述测声管内部，所述传声器用于测量所述叶片的振动辐射噪声声压，不受电动激振台和其它外部噪声的干扰。
所述传声器测量的叶片振动辐射噪声声压与所述叶片叶尖振动位移、所述叶片叶根振动应变之间成线性关系。所述噪声监测装置通过监测所述传声管41内的叶片2振动辐射噪声声压可以实现对所述叶片叶根振动应变的间接监测。
所述叶片叶根振动应变通过在所述叶片的叶根处粘贴应变片进行监测。当电动激振台输出较小激振力时，对所述叶片叶根振动应变s和所述传声器监测的叶片振动辐射噪声声压p的线性关系进行标定，获得振动应变-声压的关系表达式s＝K·p中的系数K；当应变片失效后，通过所述传声器监测的叶片振动辐射噪声声压p换算得到所述叶片叶根振动应变s，实现对所述叶片振动疲劳试验的全程振动监测。
本发明通过监测辐射噪声声压实现在宽频带、高温、大振动状态下的叶片振动应变间接监测，通过传声管道的传声斗、传声管、消声末端等结构来向前传播叶片的振动辐射噪声，测声管内的传声器测量的噪声只与叶片的振动辐射噪声有关，所述测声管内的传声器测量的噪声隔离了电动激振台等外部噪声源的辐射噪声，所述辐射噪声与叶片叶根振动应变之间成线性关系。本发明相对于间接监测叶尖振动位移来说，利用噪声监测方式可以很容易实现对宽频带(如监测频率在10Hz～10kHz之间)、高温(如试件表面温度在800℃以上)、大振动(如叶尖振幅超过5mm)状态下的声压测量。所述叶尖振动位移测量很难达到如此高的振动频率(一般低于3000Hz),很难满足如此高的试件表面温度(试件表面温度低于200℃)，很难满足如此大的叶尖振动位移(叶尖振幅小于2mm),在高频、高温、大振动状态下振动疲劳试验中，叶尖振动位移监测方式无法实施。本发明相对直接监测振动应变来说，可以在宽频带、高温、大振动状态下进行叶片辐射噪声声压监测。所述直接监测法，由于应变片在大振动状态下损坏而失效。本发明相对直接在叶片附近使用传声器测量振动辐射噪声，隔离了电动激振台等其他辐射噪声源的干扰，提高了测量的噪声声压与叶片振动应变之间的相关性和线性度，通过监测噪声声压实现了对叶片振动的间接监测，可有效摆脱叶尖振动位移监测时受到的频率监测范围、试件表面温度、位移监测量程等限制。本发明便于实施，通用性强，可多次重复使用。
工作原理：该振动疲劳试验辐射噪声监测装置利用传声管道内只传输叶片的振动辐射噪声，使传声器测量的叶片振动辐射噪声声压与叶片叶尖振动位移以及叶根振动应变之间成线性关系，当电动激振台输出较小激振力时，对所述叶片叶根的振动应变s和所述传声器监测的叶片振动辐射噪声声压p的线性关系进行标定，获得振动应变-声压的关系表达式s＝K·p中的系数K，当应变片失效后，通过所述传声器监测的叶片振动辐射噪声声压p换算得到所述叶片叶根的振动应变s，实现对所述叶片振动疲劳试验的全程振动监测。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换(如声压可换声功率、声强、声压级、声功率级、声强级等，圆形管道可换成方形管道、椭圆形管道、环形管道等),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 (9)
1.一种振动疲劳试验辐射噪声监测装置，其特征在于：所述振动疲劳试验辐射噪声监测装置包括支座(1)、叶片(2)、压块(3)、传声管道(4)、压紧螺栓(5)、加速度传感器一(60)、加速度传感器二(61)和传声器(7)，
所述支座(1)设置在电动激振台上，所述叶片(2)通过所述压块(3)和所述压紧螺栓(5)设置在所述支座(1)上，所述叶片(2)设置于所述传声管道(4)内部，所述支座(1)和所述压块(3)上分别设置有所述加速度传感器一(60)和所述加速度传感器二(61)，所述传声管道(4)用于传输所述叶片(2)的振动辐射噪声，而隔离电动激振台以及其他外部噪声源的辐射噪声，所述传声器(7)用于测量所述叶片的振动辐射噪声，所述加速度传感器一(60)和所述加速度传感器二(61)用于监测所述电动激振台输出和传输到所述叶片(2)上的振动加速度。
2.根据权利要求1所述的振动疲劳试验辐射噪声监测装置，其特征在于：所述传声管道(4)包括传声斗(40)、传声管(41)、消声末端(42)和测声管(43)，所述传声斗(40)、传声管(41)和消声末端(42)依次连接，所述测声管(43)与所述传声管(41)连接。
3.根据权利要求1-2任一所述的振动疲劳试验辐射噪声监测装置，其特征在于：所述叶片(2)在电动激振台以激振频率f激振下所辐射的噪声，在所述传声管道内以平面波向前传播，而不存在反射波，所述叶片振动辐射噪声的频率f与所述电动激振台的激振频率相同，所述传声管的直径需满足
其中D为所述传声管的直径，co为声速。
4.根据权利要求1-3任一所述的振动疲劳试验辐射噪声监测装置，其特征在于：所述消声末端(42)包括穿孔管和多孔吸声材料，所述穿孔管沿着轴向均匀加工有消声孔，所述多孔吸声材料包裹在所述穿孔管外面，所述消声孔和所述多孔吸声材料使得所述叶片的振动辐射噪声在所述传声管内传播时只存在入射波，而不存在反射波干扰。
5.根据权利要求2所述的振动疲劳试验辐射噪声监测装置，其特征在于：所述传声斗(40)为簸箕形，所述传声斗包括两段相互垂直的台体外壳，所述传声斗一端的台体外壳与所述传声管(41)连接，另一端的台体外壳设置有矩形槽开口，所述传声斗(40)通过矩形槽将所述叶片的叶身设置于内部。
6.根据权利要求2所述的振动疲劳试验辐射噪声监测装置，其特征在于：所述测声管(43)设置于所述传声管(41)靠近消声末端一侧的管壁上，所述传声器(7)设置于所述测声管内部，所述传声器(7)用于测量所述叶片的振动辐射噪声声压。
7.根据权利要求1、3或6任一所述的振动疲劳试验辐射噪声监测装置，其特征在于：所述传声器测量的叶片振动辐射噪声声压与所述叶片叶尖振动位移、所述叶片叶根振动应变之间成线性关系。
8.根据权利要求7所述的振动疲劳试验辐射噪声监测装置，其特征在于：所述噪声监测装置通过监测所述传声管(41)内的叶片(2)振动辐射噪声声压来实现对所述叶片叶根振动应变的间接监测。
9.根据权利要求1或7任一所述的振动疲劳试验辐射噪声监测装置，其特征在于：所述叶片叶根振动应变通过在所述叶片的叶根处粘贴应变片进行监测，当电动激振台输出较小激振力时，对所述叶片叶根振动应变s和所述传声器监测的叶片振动辐射噪声声压p的线性关系进行标定，获得振动应变-声压的关系表达式s＝K·p中的系数K；当应变片失效后，通过所述传声器监测的叶片振动辐射噪声声压p换算得到所述叶片叶根振动应变s，实现对所述叶片振动疲劳试验的全程振动监测。
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|---|---|
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