基于解调技术的喷泵空化特征提取方法研究＊

苏永生 王永生 杨哲辉

（海军工程大学动力工程学院1） 武汉 430033） （中国人民解放军91251部队2） 上海 200940）

0 引 言

喷水推进泵具有抗空化能力强的优点，但在启航、紧急加速、转弯、倒车和部分泵工作等工况下，很容易进入空化区．空化发生后，不仅使泵的推力减小，效率降低，振动和噪声加剧，而且还会导致叶轮和导叶体的表面产生空蚀，降低泵的使用寿命．为了减小空化、空蚀的破坏作用，最有效的方法之一就是对喷水推进泵的空化状态进行实时监测，及时提醒操纵人员改变泵的运行工况以尽快脱离空化区．尽管国内外广大科研工作者就叶轮机械空化进行了深入而广泛的研究［1－3］，但就喷水推进泵这个特定对象而言，由于商业的保密性、对象的复杂性，尤其是对空化机理认识的不确定性，实际对其进行空化监测仍然面临许多问题．运行中的喷水推进泵，由于气泡破裂和水流冲击产生高频脉冲，是一个宽谱信号，其受叶轮机械旋转效应作用而被调制．文献［4－5］开展了实船条件下的喷水推进泵空化测量，设计并开发了喷水推进泵空化在线监测的原理样机，通过相应的信号处理方法提取空化特征，对空化的状态进行了分类识别．并根据实船测试的结果分析，提出了喷水推进泵在空化区工作时具有以叶频为代表的调制特征．本文结合某喷水推进泵的实船空化测量，对喷水推进泵空化调制特征进行量化分析并探求其与空化强度的关系．

1 解调技术和声压规律曲线

在喷水推进器中，由于转子与定子的流场相互作用以及受轮毂漩涡振荡的影响，通过叶片通道的水流产生了不平稳流动．这些流动的不平稳迫使瞬时空化的脱落频率变成了空化外在表征的特征频率．运用解调技术能够很好地捕捉这类特征，在文献［6］中，作者提出了空化振动信号的调制特征，结合离心泵空化监测试验，利用解调和相关分析技术，以数值仿真对空化振动信号进行特征提取．诊断实例表明，离心泵的空化信号确实具有与叶频息息相关的调制特征．

1.1 高通绝对值分析的解包络

解调的目的就是对得到调制信号，获取包络线，从而分析时频域特征，达到故障诊断的要求．常见的包络分析方法有［7］：基于希尔伯特变换的解包络分析、基于高通绝对值分析的解包络分析方法、基于连续小波分析的解调分析方法以及基于小波模极大值算法的包络分析方法，等等．由于空化信号是一种宽谱特征，基于希尔伯特变化的解包络分析适合于窄带信号，基于连续小波分析的解调方法可利用单个小波的带通特性，通过改变尺度因子的取值来选择带通范围，同时也可以利用小波滤波器组，可方便地实现选频、带通来完成信号的解调分析．小波模极大值解包络是对原始信号直接进行希尔伯特变换，组成包络信号后，在利用小波变换模极大值重构去噪与重构算法对包络信号进行处理，从而完成完整解包络过程．由于对信号主要是提取其包络，因此它的相位信息损失较大，不能得到好的相位谱．高通绝对值分析的解包络分析方法简单，实用，程序易于实现，适合于空化这类宽谱特征．

高通绝对值分析求解调谱一般分为4步，即高通滤波、取绝对值、低通滤波、信号重抽样并求谱．该解包络方法的核心在于：（1）提高信噪比；（2）将高频的信号分析转换到低频处理．

1.2 声压规律曲线的描述

Friedrich等［8］在泵的空化试验中，利用可视技术与声压计测量空化噪声的方法监视泵内空化的发生过程，将泵内未发现空化现象时测得的空化声压信号作为背景噪声信号，图1反映了该试验的测量结果．图1中A区，随着空化系数的下降，首先出现声空化的初始阶段．当空化系数进一步下降时，可视空化和空蚀逐步产生，声压信号伴随空化系数的下降逐步升高．当声压信号达到最大时，空蚀率也达到最高．随着空化的进一步加强，进入B区，空化引起的声压信号和空蚀率开始下降，而可视空化却随着空化系数的下降一直上升．

图1 空化声压规律曲线

随着空化系数的下降，水中产生的空泡数量逐步增多，空泡溃灭的数目和速度加快，导致了空化声信号的加强．一个实际的空化区域总是含有大量的随机产生和溃灭的空泡，空泡溃灭时辐射出脉冲信号．在空化发生初期，由于空泡溃灭数目少，产生的声信号较弱；但随着空化的进一步发展，越来越多的空泡溃灭，空化的“雪崩效应”必将会产生过多的空泡．另一方面，由于雪崩效应产生了更多的空泡，大量空泡的存在改变了流体的特性，增加了介质的可压缩性，改变了介质的传播特性，降低了脉冲振动的强度．另外，过多的没溃灭的空泡会汇集成泡沫，阻碍了空化空蚀的进一步发展，空化随之进入平稳期，上述过程周而复始．因此，在声信号的时域上表现为：在微小的声信号之后，由于空化雪崩效应必然会出现较大的脉冲信号，之后又会逐渐减弱，出现的脉冲强度先由小逐步增大，然后又逐渐减小的周期脉冲信号主要原因是因为当空化系数太小时，空穴膨胀较大，吸收了部分空穴溃灭时产生的冲击压力和噪声．

空化声压规律曲线描述如下：随着空化系数下降，空化强度增强，空化噪声强度同时增强；但当空化发展到一定程度后，再降低空化系数，空化噪声强度反而下降．

2 实船测试方法

厂商提供的某喷水推进泵装船后的转速特性曲线，见图2．图中对应3个工作区和相应的空化限制线，KaMeWa公司将该喷水推进器的工作区分为3个区．区域I是无工作小时数限制区，该区域内喷水推进器处于无空化条件下工作．区域II为轻度空化区，该区域内允许的年工作小时数不超过500h／a．喷水推进器在这个区域工作时，由于负荷较大，已产生轻微的有害空化．区域III是中度空化区，规定该区域内的允许的年工作小时数不超过50h／a．喷水推进器在这个区域工作时以处在较为严重的空化状态，水力性能下降和剥蚀破坏都较为严重，故在区域III对年工作小时数有更严格的限制．

图2 喷泵转速特性曲线

实船测试的方法就是捕捉喷水推进泵运转在不同的工作区域内空化所表现的外在特征．通过检查孔盖内安装的水听器（浙江富阳715研制的RHS－30标准水听器，图3 获取空化直接效应——进口水声信号，固定喷水推进泵泵壳的加速度传感器（PCB608－A11，见图3）获取空化二次效应——壳体振动信号，在驱动轴上安装HE－01霍尔转速传感器用以获取喷水推进泵的转速、航速信号通过计程仪转换装置由串口422引入．所有的信号通过NI信号采集板卡，经相应的前置处理后进入NI数据采集系统，通过自编的Lab－VIEW软件实现信号的采集、实时显示、保存和离线分析．

图3 传感器安装现场

3 数据分析

选取如图4所示的6个实验工况点进行分析．这6个工作点是该喷水推进船2泵工作时的运行工况，两泵基本在同一转速下工作，见图中工况点1的放大．对其中的1号泵采用基于高通绝对值的解包络技术对上述的工况点进行解调分析，提取对应工况时叶频和倍叶频处的峰值，见表1．

选用各稳定工况下水声信号和壳体振动信号各5s数据进行分析．以工况2时的进口水声信号为例进行说明：图5表示水声信号的时域图，对其进行频谱分析，可以清晰得到该工况下的叶频和倍叶频，见图6，这说明数据采集系统得到的信号是真实可靠的．对该信号先进行5kHz的高通滤波（去除低频信号的影响，实际上就是提高了空化信号的信噪比），然后取信号的绝对值（放大包络迹线），再进行500Hz以下的低通滤波，最后对得到的信号重抽样并进行谱分析，得到如图7所示的解调特征谱图．其他工况采用上述相同的方法进行，将表1得到的调制特征峰值用直方图的形式表示，见图8．

分析实验工况点和计算结果，可以得到以下结论：从工况1～工况5，随着泵转速的升高，航速逐渐提高，但到工况6时，航速开始下降，说明此时喷水推进泵的推进性能出现了退化；喷水推进泵的空化受其叶频及其倍叶频调制，喷水推进泵的声学空化达到最大时，对应的调制特征也达到最大，说明了调制特征的大小与声学空化强度息息相关；不管是反映空化直接效应的进口水声信号还是表征空化二次效应的壳体振动信号，喷水推进泵空化所呈现的调制特征具有与空化声压规律一致的特征，即随着空化强度的增加，呈现先上升后下降的趋势．

图4 实船实验工况点

表1 调制特征的峰值特征值

图5 某工况下水声信号时域图

图6 某工况下水声信号频域图

图7 某工况下水声信号解调特征谱图

图8 喷水推进泵空化调制特征规律

4 结 论

1）实船测试中设计的测试系统很好地实现了喷水推进泵空化特征的捕捉．

2）喷水推进泵的空化具有以叶频和倍叶频为代表的调制特征．

3 喷水推进泵的空化调制特征呈现与声压规律一致的趋势，即随着空化强度的增加，对应的调制特征先上升后下降．

4）可以利用空化调制特征开展实船喷水推进泵空化的在线监测．

［1］CHRISTOPHER E B．Cavitation and bubble dynamics［M］．New York：Oxford University Press，1995．

［2］OSTERMAN A，HOCEVAR M，SIROK B，et al．Characterization of incipient cavitation in axial valve by hydrophone and visualization［J］．Experimental Thermal and Fluid Science，2009（33）：620－629．

［3］ MIKE K．Cavitation monitoring of hydraulic machines by vibration analysis［D］．Switzerland：Laboratoire de Machines Hydrauliques（LMH），2000．

［4］段向阳．基于水声和振动测量与分析的喷水推进泵空化监测技术研究［D］．武汉：海军工程大学，2011．

［5］苏永生．喷水推进泵空化监测方法的研究［D］．武汉：海军工程大学，2010．

［6］苏永生，王永生，颜 飞，等．空化振动信号调制特征分析及提取方法的研究［J］．振动、测试与诊断，2010，30（5）：570－572．

［7］李 智，陈祥初，刘政波．包络分析及其在设备故障诊断中的应用［J］．测试技术学报，2002，16（2）：92－95．

［8］FRIEDRICH J．Diagnosis of cavitation in centrifugal pumps［J］．Sulzer Technical Review，1992，74：29－35．