离心泵空化超声信号频谱特征研究*

周云龙 郭 柯

(东北电力大学)

空化空蚀现象是造成水泵及水轮机等流体机械运行性能下降、运行不稳定和使用寿命缩短的主要原因之一，也是影响水泵高速化发展的一个突出障碍[1]。众多研究人员通过数值计算、统计及实验观测等方法研究空化空蚀的产生机理与外部表现[2]：空化时会产生较宽频谱的空化噪声，这些噪声包括20kHz以下的可听频段噪声和20kHz以上的超声波频段空化噪声[3]；黄景泉等在高速水洞试验中利用水听器对液载超声信号进行了测量[4]；田浩和于石生应用水听器对水轮机空化超声信号进行了研究[5]；张俊华等运用宽频超声传感器对不同工况下的水轮机空化超声信号进行了频谱特征分析，并取得了一定的成果[6]。

影响离心泵产生空化的原因比较复杂，运行过程中夹杂着较多非空化工况的超声信号，因此，如何有效地利用超声信号区分判定空化程度，依旧需要进一步的研究。选择闭式离心泵空化试验台进行试验测试，选用宽频带的超声传感器对空化超声波进行收集测量，分析试验结果，重点研究不同空化程度下超声波信号的频谱特性。

1 试验装置及试验方法

试验在如图1所示的闭式离心泵空化试验台上进行[7]，离心泵型号为ISW40-100单级离心泵，叶轮为闭式，直径100mm。额定工况下转速为2 900r/min，流量为5.6m3/h，扬程为10m，泵的入口和出口直径均为40mm。在离心泵入口管段处有长为0.5m、内径为40mm的透明有机玻璃管，以便观察和确认入口的空化状况。

图1 闭式离心泵空化试验台简图

超声信号的采集选用响应频率为60～400kHz的宽频超声传感器，使用两个传感器分别安装在离心泵出口与进口蜗壳处。试验时测量4种工况段下的超声信号，由高速采集卡采集，为保证采样精度采样率设置为5Mbit/s。

试验通过运行真空泵降低储水罐内压力诱导空化的产生，控制储水罐内的压力大小以达到不同的空化程度。选取4个典型空化工况：正常运行、初生空化、轻微空化和严重空化。每个空化程度都有相应的运行工况段，可由进口段透明管观察来确定。正常运行时完全看不到气泡，视为无空化状态；运行真空泵一段时间后，由透明管段可见轻度且细小的空化气泡，经计算可判定此时扬程下降了2.2%，在具体实验过程中，扬程下降3.0%～4.9%时，可观察到空化气泡数量增加且体积微小，而其他方面无明显变化，可认为处于初生空化状态；随着真空泵的运行，当气泡数量增多、体积有所增加，泵开始出现轻微振动与噪声时，把此时的状态定为轻微空化；真空度进一步增加，观察段内气泡突然增多体积明显变大泵体产生明显的振动和噪声，流量扬程都急剧下降，认为此时的状态为严重空化。通过计算可以确定各个状态下不同的有效汽蚀余量NPSHa值，具体参数见表1。

表1 试验工况数据

2 空化超声信号分析

2.1空化原始信号

图2a～d依次为离心泵进口处采集到的正常运行、初生空化、轻微空化和严重空化时原始超声时域信号。观察各工况下的时域信号，除正常运行工况下原始时域信号与其他工况下的有明显不同外，空化产生后原始时域信号变化并不明显，区分度不高，因此，只依据时域信号并不足以判别空化程度。将进口与出口处采集的各工况点原始数据进行求均方根值计算，确定各空化工况点信号能量与有效汽蚀余量之间的关系(图3)，两位置传感器接收的信号能量均随空化程度的变化先增强后减弱，进口处信号能量明显强于出口处的信号能量。

图2 进口处超声空化原始时域信号

2.2超声空化信号频谱分析

超声传感器所测得的信号为时域信号，通过信号均方根值只能整体上反映信号能量与空化程度的关系，但通过信号的频谱信息可以更好地表现不同空化状态下的信号特征，因此，对信号的分析通常需要频域信息。将时域信号变换至频域上加以分析的方法被称为频谱分析。频谱分析就是把复杂的时域信号经傅里叶变换分解为若干个单一的谐波分量，获取信号的频率结构和对应各谐波幅值信息。频谱分析在设备的故障诊断中应用广泛，且超声信号的处理中应用频谱分析方法简单易行。

图3 各空化工况点信号能量与有效汽蚀余量的关系曲线

超声传感器测得的信号为大量离散点，属于离散信号。原始信号中可能存在噪声干扰，因此，在频谱分析前对信号进行降噪处理，应用离散小波对原始信号进行分解重构消除白噪声。降噪后的离散信号不能直接按傅里叶级数展开，但可在频域上用功率谱密度进行描述。功率谱密度函数是在频域中对信号能量或功率分布情况的描述，本实验中功率谱密度由原始信号小波降噪后的自相关函数快速傅里叶变换算法求得。

图4所示为进口处不同空化工况下空化超声信号的功率谱，从图4可以看出进口处传感器测量的空化超声信号在各空化程度下变化明显。观察各空化工况频谱图，在160～200kHz处存在固有频率，各个工况下密度谱幅度变化不大，强度一直保持在较高水平。在正常运行时各频段除相对平坦，只在固有频率处有明显的波峰。空化初生时整个测量频段上波动加强，在250kHz处有较小的峰值，更高频段的340、390kHz处有明显的波峰。轻微空化时超声信号最为复杂，整个测量频段内都出现了较大幅度的波动，尤其在80kHz以下频段存在剧烈波动，160kHz出现明显的波峰，高频段250kHz处出现较为明显的峰值，340、390kHz处的波峰依旧明显高频信号幅度有减弱趋势。严重空化阶段空化超声信号波动减缓，250kHz以上频段部分有明显的减弱，且频率越高密度谱幅值越小，低频段信号幅值相对增大。

图4 进口传感器各工况空化超声信号功率谱

图5为离心泵出口处传感器各空化状态下的空化超声信号功率谱，图5中也存在固有频段，出口处信号频谱变化与进口处信号变化相似，但信号频谱变化不如进口处信号频谱变化明显，说明不同位置测量效果差异较大，因此，传感器安装位置的选择十分重要。

图5中坐标采用对数显示，密度谱幅度相差3dB时功率值已经相差一倍，超声信号变化明显。观察发现离心泵进口处信号可以更好地反应空化发展过程空化超声信号频谱的变化特征。伴随空化的发展，空化超声信号在整个测量频段内有明显的变化，不同工况下各频段的相对变化率有所不同，正常运行至初生空化低频部分变化为主，随着空化发展高频变化越明显，严重空化时高频信号能量出现明显的衰减。空化超声信号变化复杂，每个空化状态整个频段都有较大变化，因此并不能通过单一的频率变化确定空化状态。

图5 出口传感器各工况空化超声信号功率谱

2.3超声信号变化原因探讨

通过观察不同位置传感器测得信号频谱，发现离心泵运行中本身会产生较强的固有超声，这种超声信号频段比较固定，伴随空化发展一直存在。空化发展过程中，各频段信号功率谱密度幅度均有变化但变化率有所差异，这些差异与泵内部空化泡变化有关，由文献[8～11]可知：不同空化程度时不同直径的空泡所占比例不同，不同直径的空泡破裂又产生相异的固有频率。大量空化泡破灭产生不同频率的超声信号，很好地解释了空化超声信号的宽频性，实验结果也验证了这一点。

不同频段信号的变化率各有差异，还与超声信号的传播通道有关。严重空化时两个传感器测得高频信号能量都有明显的减弱，可能的原因是严重空化时大量的气泡阻碍了声波的传播，且声学上高频率声波的传播具有很强的衰减性，传感器可以收集到的高频超声信号能量相应减小。但只要传感器位置安装适宜，存在空化引起离心泵内部流动的变化，引起不同空化程度下超声信号有所差异，就可以作为判断空化程度的依据。

3 结论

3.1正常运行状态下，水泵内部已有超声信号产生且频段比较固定，并伴随着整个空化发展过程。

3.2空化超声信号具有宽频特性，不同频段信号能量大小不同，信号采集效果受到传感器采集位置和超声信号传播通道的影响。

3.3空化发展过程中超声信号频谱特征变化明显，尤其在水泵进口处的传感器测量的信号中，各不同频段的变化率有明显差异，为通过观察空化超声频谱变化检测空化程度提供了依据。

参考文献

[1] 何川，郭立军.泵与风机[M].北京：中国电力出版社，2008.

[2] 柯乃普 R T，戴利 J W.空化与空蚀[M].北京：水利出版社，1981.

[4] 黄景泉，龚光寅，武延祥，等. 空化噪声的实验研究[J].水动力学研究与进展，1988，3(4): 8～15.

[5] 田浩，于石生. 水轮机空化的超声监测技术研究[J].无损检测，2003，25(5): 250～251.

[6] 张俊华，张伟，蒲中奇，等. 轴流转桨式水轮机空化声信号特征研究[J].大电机技术，2006，(2): 57～61.

[7] 周云龙，柳长昕，赵鹏，等. 基于自回归-隐马尔可夫模型的离心泵故障诊断方法研究[J].中国机械工程，2009，20(7): 828～831.

[8] 戚定满，鲁传敬，何友声. 单空泡溃灭辐射噪声的实验研究[J].声学学报，2000，25(6): 532～536.

[9] 戚定满，鲁传敬，何友声. 空化噪声谱特性研究[J].振动与冲击，1999，18(3): 32～36.

[10] 潘中永，袁寿其. 泵空化基础[M].镇江：江苏大学出版社，2013.

[11] 段向阳，王永生，苏永生. 水力机械空化 (汽蚀) 监测研究综述[J].水泵技术，2008，(5): 1～6.