專利名稱：一種超聲速流場中有源聲波檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測和分析超聲速流場中有源聲波信號的試驗(yàn)方法，尤其是檢測超聲速流場中邊界層對有源聲波響應(yīng)信號的方法。
背景技術(shù)：
目前，邊界層對聲波的接收和放大已被普遍認(rèn)為是流動(dòng)不穩(wěn)定性起源的主要機(jī)理之一。因此，采用外加聲波作為干擾源并進(jìn)而研究邊界層對聲波的響應(yīng)的方法已成為研究流動(dòng)穩(wěn)定性的一個(gè)有效手段。邊界層對聲波的響應(yīng)一般包括直接響應(yīng)(Stokes波)和線性不穩(wěn)定性波(Tollmien-Schlichting波)兩部分。Stokes波和聲波干擾源的相位相同、振幅相似，但線性不穩(wěn)定性T-S波的振幅一般將隨著流動(dòng)而指數(shù)增長，而相位也將連續(xù)變化。T-S波的波速一般約為邊界層外流動(dòng)速度的三分之一到三分之二，對于低速流動(dòng)，它要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于外加聲波的波速。因此，在低速流場中，如果采用脈沖聲波干擾源，那么，只要經(jīng)過足夠長的距離增長以后，就可以利用波速不同這一事實(shí)把Stokes波和T-S波有效地分離出來[Saric，W. S.，Wei，W.，Rasmussen，B.K.，Krutckoff，T.K.，1995“Experiments on Leading-edge Recptivity to Sound，”AIAA Paper 95-2253.]。但是，對于超聲速流動(dòng)，這一辦法并不可行，主要是因?yàn)槌曀倭鲌鲋械谋尘霸胍舴浅?qiáng)烈，對于通常的超聲速風(fēng)洞，背景噪音可達(dá)140分貝以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外加聲波能夠達(dá)到的強(qiáng)度。同時(shí)，背景噪音也是聲波，在進(jìn)入邊界層以后同樣要誘導(dǎo)出振幅很大的T-S波[Graziosi，P.and Brown，G.L.，2002“Experiments on Stability，Receptivity and Transition for aCompressible Boundary Layer at Mach 3，”J.Fluid Mech.47283-124.]，足以把邊界層對外加聲波的響應(yīng)信號淹沒。同時(shí)，由于在超聲速風(fēng)洞中，背景聲波及其自然誘導(dǎo)的不穩(wěn)定性波涵蓋所有感興趣的頻率范圍，因此即使采用過濾技術(shù)也無法把外加聲波信號及其邊界層響應(yīng)從背景噪音中分離出來。另外，更為嚴(yán)重的是，在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，波導(dǎo)管和風(fēng)洞的尺寸都是有限的，聲波在波導(dǎo)管以及風(fēng)洞壁面上的來回反射將產(chǎn)生的雜波，這些波有可能和原有信號混雜起來，而且由于它們之間的相位一般是固定的，分離起來非常困難。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種超聲速流場中有源聲波檢測方法，能夠?qū)⑼饧勇暡ㄐ盘柤捌溥吔鐚禹憫?yīng)從背景噪音中分離出來。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明一種超聲速流場中有源聲波檢測方法包括如下步驟1)由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一系列高頻脈沖信號，每個(gè)脈沖根據(jù)需要包括適當(dāng)數(shù)目的振蕩周期，脈沖之間的間隔應(yīng)當(dāng)足夠長，以保證各種反射波有足夠的時(shí)間經(jīng)過測試點(diǎn)而不影響下次脈沖信號的采集；2)脈沖信號經(jīng)過音頻放大器放大，再輸入揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器生成聲波脈沖；3)通過波導(dǎo)管將聲波脈沖導(dǎo)入風(fēng)洞的穩(wěn)定段中，所述波導(dǎo)管的具有適當(dāng)長度，以使由管口產(chǎn)生的反射波和入射波之間有足夠的時(shí)間間隔把兩者分離出來；高頻聲波的傳播方向與氣流方向保持適當(dāng)?shù)慕嵌?，以使高頻聲波可順利通過風(fēng)洞的喉道；4)高頻聲波進(jìn)入風(fēng)洞的試驗(yàn)段后，通過熱線風(fēng)速儀將聲波以及背景噪音記錄下來，熱線信號通過揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)信號進(jìn)行鎖相；5)通過濾波器濾波后，從背景噪音中分離出小幅的高頻信號；6)經(jīng)過放大器放大后，將信號輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行系綜平均計(jì)算，消除背景噪音，得到振幅和相位的信息。
進(jìn)一步地，所述熱線風(fēng)速儀包括兩個(gè)探頭，分別放置在試驗(yàn)段的適當(dāng)位置記錄聲波信號，得到不同位置信號之間的相移，并計(jì)算聲波的傳播速度。
本發(fā)明能夠?qū)⒊曀倭鲌鲋型饧勇暡ㄐ盘柤捌溥吔鐚禹憫?yīng)從背景噪音中分離出來，并且能夠精確地確定其振幅和相位；并且兩個(gè)熱線風(fēng)速探頭的檢測，還可以相應(yīng)地得到聲波波速和氣流靜溫。


圖1是馬赫3風(fēng)洞示意圖；圖2是聲波驅(qū)動(dòng)裝置示意圖；圖3是驅(qū)動(dòng)信號和自由外流中通過系綜平均后的熱線脈動(dòng)信號，其中，驅(qū)動(dòng)頻率8.9KHz，驅(qū)動(dòng)脈沖信號包含30個(gè)周期，系綜平均樣本500個(gè)；圖4是相同x不同y處兩個(gè)熱線的輸出信號，其中，驅(qū)動(dòng)頻率8.9KHz，脈沖包含30個(gè)周期，系綜平均樣本200個(gè)；圖5是不同x不同y處兩個(gè)熱線的輸出信號，其中，驅(qū)動(dòng)頻率8.9KHz，脈沖包含30個(gè)周期，系綜平均樣本500個(gè)；
圖6是外流和邊界層中熱線信號對比，其中，x＝17.48cm，R＝614，驅(qū)動(dòng)頻率8.9KHz，驅(qū)動(dòng)脈沖包含8個(gè)周期，系綜平均樣本2500個(gè)；圖7是外流和邊界層中熱線信號對比，其中，x＝24.26cm，R＝724，驅(qū)動(dòng)頻率8.9KHz，驅(qū)動(dòng)脈沖包含8個(gè)周期，系綜平均樣本2500個(gè)；圖8是不同x位置邊界層中熱線信號對比，其中，Δx＝1.27cm，y/(x/R)＝7.10，驅(qū)動(dòng)頻率8.9KHz，驅(qū)動(dòng)脈沖包含8個(gè)周期，系綜平均樣本2500個(gè)。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，相關(guān)實(shí)驗(yàn)在一個(gè)馬赫數(shù)3的超聲速風(fēng)洞中進(jìn)行。為了最大限度地降低風(fēng)洞的背景噪音，風(fēng)洞運(yùn)行在很低的氣流的總壓，約0.27大氣壓。在這個(gè)壓力下，除了風(fēng)洞的四角以外，風(fēng)洞壁面邊界層均為層流，同時(shí)自由外流的湍流度低于0.11％。超聲速邊界層由放置于試驗(yàn)段2的平板產(chǎn)生，邊界層流動(dòng)也是層流。
一系列高頻脈沖信號由計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成，每個(gè)脈沖根據(jù)需要包括適當(dāng)數(shù)目的振蕩周期，頻率約8.9KHz。脈沖之間的間隔必須足夠長，以保證各種反射波有足夠的時(shí)間經(jīng)過測量點(diǎn)而不影響下次脈沖信號的采集；同時(shí)，由于超聲速風(fēng)洞的試驗(yàn)時(shí)間很有限，大約只有60s，信號之間的間隔也不能太長，以保證每次實(shí)驗(yàn)?zāi)苋菰S足夠次數(shù)的脈沖信號發(fā)射和采集去進(jìn)行系綜平均。實(shí)際采用的脈沖間隔為25ms，該間隔基本上保證各種反射聲波有足夠的時(shí)間被氣流帶走。聲波驅(qū)動(dòng)裝置及其在風(fēng)洞中的安裝情況如圖2所示。脈沖信號經(jīng)過音頻放大器放大，并輸入Mccauley 6520型揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器5，生成聲波脈沖，該驅(qū)動(dòng)器的喉部口徑約為5cm，最大脈沖功率1KW。為了最大限度地降低聲波驅(qū)動(dòng)裝置對流場的擾動(dòng)，沒有直接在風(fēng)洞的試驗(yàn)段2中導(dǎo)入聲波，而是通過波導(dǎo)管4導(dǎo)入風(fēng)洞的穩(wěn)定段1中。波導(dǎo)管4的長度進(jìn)行了加長，以使由管口產(chǎn)生的反射聲波和入射波之間有足夠的時(shí)間間隔把兩者分離出來。由于風(fēng)洞在低壓下運(yùn)行，揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器5的薄膜前后風(fēng)洞氣動(dòng)瞬間將產(chǎn)生很大的壓差，為了平衡壓力以保護(hù)驅(qū)動(dòng)器5，薄膜前后腔之間采用了管道連接。另外，由于超聲速風(fēng)洞的喉道3對聲波的反射作用，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，高頻聲波的傳播方向必須與氣流保持一定的夾角，才能順利通過喉道3，實(shí)驗(yàn)中采用了一個(gè)θ為24°的夾角。
聲波信號進(jìn)入試驗(yàn)段2后，由熱線風(fēng)速儀接收。熱線探頭由直徑5μm鎢絲制成，長約1mm。熱線信號放大器采用Dantec DISA 55M01型恒溫放大器。通過精確匹配熱線和電橋的阻抗，放大器的頻率響應(yīng)可以達(dá)到150KHz以上。在熱線恒溫工作情況下，熱線的輸出信號主要對氣流的速度和總溫敏感。為了最大限度的消除總溫的影響，熱線的過熱比，即工作電阻和冷態(tài)電阻之比，設(shè)置為較高的數(shù)值，約2.15，而工作電阻約為4-5Ω。熱線平均輸出電壓通過低頻濾波器得到，而脈動(dòng)信號通過帶通為8-12.5KHz的窄帶濾波器得到。經(jīng)過50倍的放大器放大以后，脈動(dòng)信號由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。數(shù)據(jù)采集使用主頻為1.25Mhz的NI6250型多功能數(shù)據(jù)采集板，采用頻率100KHz。每次實(shí)驗(yàn)最多約可以采集到2000-2500個(gè)脈沖信號樣本。由于所有脈沖聲波信號通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)產(chǎn)生，驅(qū)動(dòng)信號和熱線信號之間的相位可以精確地得到鎖定，而流場中背景噪音是由流動(dòng)引起的，一般不具有固定的相位，因此，通過系綜平均，可以把噪音最大限度地消除。在邊界層中，典型的熱線脈動(dòng)信號約100mv，經(jīng)過帶通濾波器后的振幅約為20mv，經(jīng)過系綜平均后，可以得到1mv量級的有源聲波響應(yīng)信號，總的信噪比(振幅比)可以高達(dá)1∶100。另外，盡管采用100KHz的采樣頻率導(dǎo)致單個(gè)樣本的相位誤差為5μs，平均以后的相位誤差非常小，約0.1μs，因此可以用來精確地測量不同信號之間的相差。
圖3是對應(yīng)一系列包含30個(gè)周期的脈沖聲波驅(qū)動(dòng)信號和由熱線測得的自由流中的聲波響應(yīng)信號的系綜平均。平均采用了約500個(gè)樣本。熱線探頭放置在不同x和y處，其中x是平板前緣到探頭的距離，y是探頭到平板的垂直距離。從圖3中可以看出，熱線信號和驅(qū)動(dòng)信號之間有約7ms的時(shí)間延遲，對應(yīng)于聲波從驅(qū)動(dòng)器到探頭的傳播時(shí)間。該時(shí)間間隔在不同脈沖之間保持恒定，保證了以揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)信號鎖相后的熱線信號可以進(jìn)行系綜平均。如果把不同位置的兩個(gè)熱線的平均信號疊加在一起并展開，通過平移可以確定兩個(gè)信號之間的時(shí)間延遲。圖4給出了置于相同x不同y值的兩個(gè)熱線探頭的信號輸出。從圖中可以看出，兩者之間的相位差為零，即外流中聲波在y方向的傳播速度Cy為零。圖5給出了放大了的不同x和不同y位置的兩個(gè)熱線的輸出信號，由于聲波在y方向沒有相移，圖中給出的兩個(gè)信號之間的時(shí)間差Δt實(shí)際上只等于Δx/Cx，其中Δx為兩個(gè)探頭在氣流方向的距離，而Cx為聲波在氣流方向的傳播速度。而Δt約為10.9μs，由此可以求得聲波在氣流方向的波速Cx約為1160m/s。同時(shí)，在超聲速流場中的聲波具有如下幾何關(guān)系Cxa=M±1cosθ---(1)]]>其中，a為聲速，M為馬赫數(shù)，θ為聲波傳播方向和氣流的夾角，正負(fù)號分別對應(yīng)于正向和逆向傳播的聲波。考慮到馬赫3風(fēng)洞中的氣流速度約為606m/s，與預(yù)期一樣，外流中的聲波是正向傳播的，而且和氣流夾角為θ～68°，與穩(wěn)定段1中的24°角相比，有了很大變化，這是因?yàn)闅饬魉俣鹊木壒?。如果聲速a未知，可以通過測量測向波速Cz來得到，從中也可得到氣流靜溫。
實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步測量了超聲速邊界層對聲波的響應(yīng)。圖6給出了x＝17.48cm處分別置于外流和邊界層中的兩個(gè)熱線輸出信號的系綜平均。其中，揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)信號包含8個(gè)振蕩周期，頻率為8.9KHz。邊界層中熱線探頭的無量綱坐標(biāo)為y/(x/R)＝7.10，其中R為以邊界層厚度定義的雷諾數(shù)，R=Ux/v,]]>其中U為氣流速度，v為氣體運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。平均采用了2500個(gè)信號樣本。從圖6中可以看出，與外流中的信號相比，邊界層中的熱線信號除了包括一個(gè)相位和振幅和外流中聲波一致的直接響應(yīng)(Stokes波)之外，還出現(xiàn)了一個(gè)相位滯后，振幅放大了的第二個(gè)波。圖7進(jìn)一步給出了其下游x＝24.26cm處響應(yīng)的熱線信號。從中可見，邊界層響應(yīng)有類似的特征，即第一個(gè)波的振幅和相位不變，仍和外流中聲波一樣，但第二個(gè)波的振幅有了進(jìn)一步的放大。為了進(jìn)一步確定第二個(gè)波的來源，圖8給出了不同x位置，邊界層中的熱線響應(yīng)信號。從圖8中可以得到，經(jīng)過距離x＝1.27cm后，第二個(gè)波落后了約30μs，這一滯后相當(dāng)于氣流方向一個(gè)418m/s的傳播速度。從公式(1)中可知，以該速度行進(jìn)的波是個(gè)逆向傳播的波，這一結(jié)果和有關(guān)背景噪音在邊界層中誘導(dǎo)的不穩(wěn)定波的測量結(jié)果一致。
權(quán)利要求
1.一種超聲速流場中有源聲波檢測方法，其特征在于，包括如下步驟1)由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一系列高頻脈沖信號，每個(gè)脈沖根據(jù)需要包括適當(dāng)數(shù)目的振蕩周期，脈沖之間的間隔應(yīng)當(dāng)足夠長，以保證各種反射波有足夠的時(shí)間經(jīng)過測試點(diǎn)而不影響下次脈沖信號的采集；2)脈沖信號經(jīng)過音頻放大器放大，再輸入揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器生成聲波脈沖；3)通過波導(dǎo)管將聲波脈沖導(dǎo)入風(fēng)洞的穩(wěn)定段中，所述波導(dǎo)管的具有適當(dāng)長度，以使由管口產(chǎn)生的反射波和入射波之間有足夠的時(shí)間間隔把兩者分離出來；高頻聲波的傳播方向與氣流方向保持適當(dāng)?shù)慕嵌?，以使高頻聲波可順利通過風(fēng)洞的喉道；4)高頻聲波進(jìn)入風(fēng)洞的試驗(yàn)段后，通過熱線風(fēng)速儀將聲波以及背景噪音記錄下來，熱線信號通過揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)信號進(jìn)行鎖相；5)通過濾波器濾波后，從背景噪音中分離出小幅的高頻信號；6)經(jīng)過放大器放大后，將信號輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行系綜平均計(jì)算，消除背景噪音，得到振幅和相位的準(zhǔn)確信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲速流場中有源聲波檢測方法，其特征在于，所述熱線風(fēng)速儀包括兩個(gè)探頭，分別放置在試驗(yàn)段的適當(dāng)位置記錄聲波信號，得到不同位置信號之間的相移，并計(jì)算聲波的傳播速度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超聲速流場中有源聲波檢測方法，包括如下步驟1)由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一系列高頻脈沖信號；2)脈沖信號經(jīng)過音頻放大器放大，再輸入揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器生成聲波脈沖；3)通過波導(dǎo)管將聲波脈沖導(dǎo)入風(fēng)洞的穩(wěn)定段中；4)高頻聲波進(jìn)入風(fēng)洞的試驗(yàn)段后，通過熱線風(fēng)速儀將聲波以及背景噪音記錄下來；5)通過濾波器濾波后，將背景噪音分離出小幅的高頻信號；6)經(jīng)過放大器放大后，將信號輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行系綜平均計(jì)算。本發(fā)明能夠?qū)⑼饧勇暡ㄐ盘柤捌溥吔鐚禹憫?yīng)從背景噪音中分離出來，并且熱線風(fēng)速儀兩個(gè)探頭的檢測，還可以相應(yīng)地得到超聲波速和氣流靜溫。
文檔編號G01M9/02GK1670491SQ20051006927
公開日2005年9月21日 申請日期2005年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月16日
發(fā)明者范學(xué)軍 申請人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所