本文涉及到一種燃燒溫度場分布的測量方法，尤其是爆震燃燒室溫度場的測量方法，屬于燃燒診斷領域。
背景技術：
：文獻“基于聲波傳感器航空發(fā)動機燃燒室出口溫度分布測量研究，沈陽航空工業(yè)學院報，Vol.26，No.2”公開了一種基于聲波傳感器測量航空發(fā)動機燃燒室出口溫度分布的方法。該方法先利用多個聲學傳感器測量聲波在該溫度場飛渡所用的時間，再由聲波的傳播速度與介質(zhì)溫度的關系，得出該傳播路徑的平均溫度，然后利用基于最小二乘法的計算機斷層技術(ComputedTomography)實現(xiàn)二維溫度場的仿真重建。文獻所述方法，該方法較精確的測出了燃燒室出口溫度分布，較好的反映了火焰的真實溫度。但是由于燃燒室內(nèi)環(huán)境惡劣，出口噪聲很大，而且聲波會有反射，所以不能準確測量燃燒室出口溫度分布。而且，該法只測量了燃燒室出口溫度，不能研究燃燒室內(nèi)溫度場分別的特點。因此，文獻所述方法很難對惡劣環(huán)境中的燃燒室整體溫度分布特點進行準確測量。技術實現(xiàn)要素：要解決的技術問題脈沖爆震發(fā)動機(PDE，PulseDetonationEngine)是一種基于爆震燃燒的新概念發(fā)動機。爆震燃燒產(chǎn)生的爆震波使可爆燃料的壓力、溫度迅速升高。為了克服惡劣環(huán)境中火焰溫度難以測量的難題，本發(fā)明提出了一種爆震火焰溫度測量系統(tǒng)及三維溫度場的重建方法。技術方案本發(fā)明利用一定數(shù)量聲學傳感器和揚聲器對相同位置處的爆震燃燒室溫度場進行測量。對數(shù)據(jù)進行分析處理，然后利用互相關技術在信噪比低的情況下仍然能夠得到準確的時延估計。針對燃燒室環(huán)境混響干擾，研究基于倒譜處理的相關算法，提高時延估計精度。再在MATLAB中利用基于LSQR算法(LeastSquaresQR-Decomposition)的區(qū)域離散法重建脈沖爆震發(fā)動機燃燒室內(nèi)的溫度場。一種爆震火焰溫度測量系統(tǒng)，其特征在于包括帶聲卡和顯示器的主機、功率放大器、繼電器、數(shù)采卡、端子板、信號調(diào)理器、揚聲器和麥克風；揚聲器和麥克風位于在爆震燃燒室內(nèi)，帶聲卡和顯示器的主機、功率放大器、繼電器、數(shù)采卡、端子板和信號調(diào)理器位于爆震燃燒室外，揚聲器與繼電器連接，麥克風與信號調(diào)理器連接；主機中的聲波測溫軟件系統(tǒng)發(fā)出數(shù)字聲波信號，經(jīng)聲卡轉(zhuǎn)換為模擬信號后，再經(jīng)功率放大器放大輸出到繼電器開關的一端；與此同時，主機上的聲波測溫軟件系統(tǒng)向數(shù)采卡上的數(shù)字I/O輸出高電平，高電平由與數(shù)采卡相連的端子板引出，經(jīng)信號控制電纜去啟動繼電器，將功率放大器輸出的模擬信號傳輸?shù)綋P聲器，揚聲器將模擬信號轉(zhuǎn)化為聲波信號，麥克風將接收到的聲波信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)信號調(diào)理器放大后，被數(shù)采卡采集，然后輸入到聲波測溫軟件系統(tǒng)進行三維溫度場的重建。揚聲器和麥克風的數(shù)量分別為20個，一個揚聲器和一個麥克風組成一組，20組均勻的分布在立方體空間的各個邊上。一種對爆震火焰溫度測量系統(tǒng)測得的電壓信號進行三維溫度場的重建方法，其特征在于步驟如下：步驟1：采用倒譜法對兩麥克接收到的電壓信號進行倒譜變換：其中，接收到的電壓信號為：x1(t)＝h1(t)*s(t-τ1)+n1(t)x2(t)＝h2(t)*s(t-τ2)+n2(t)其中，h1(t)、h2(t)為燃燒室的單位沖激響應；n1(t)、n2(t)為麥克風接收的噪聲信號；s(t-τ1)、s(t-τ2)為兩麥克風接收揚聲器發(fā)出的信號；進行倒譜變換后的電壓信號為：x1(t)＝s(t-τ1)+n1(t)x2(t)＝s(t-τ2)+n2(t)步驟2：對倒譜變換后的x1(t)和x2(t)進行互相關運算：Rx1x2(τ)=12π∫-∞∞x1(t-τ)x2(t)dt=12π∫-∞∞[s1(t-τ)+n1(t-τ)][As2(t)+n2(t)]dt]]>化簡可得：Rx1x2(τ)=Rs1s2(τ)+Rs1n2(τ)+Rn1s2(τ)+Rn1n2(τ)]]>其中，A為聲波傳播過程中的衰減系數(shù)，為信號的互相關運算結果，分別為信號和噪聲的互相關運算結果，是噪聲互相關運算結果，易知為零，可簡化為：Rx1x2(τ)=Rs1s2(τ)=12π∫-∞∞s1(t-τ)s2(t)dt=12π∫-∞∞s(t+Δt-τ)s(t)dt=Rs(τ-Δt)]]>其中，Δt為時間延遲，因為Rs(τ-Δt)≤Rs(0)，當τ＝Δt時，取得最大值，則通過計算，互相關函數(shù)峰值出現(xiàn)的時刻即為時間延遲Δt即飛渡時間τ；步驟3：采用LSQR算法重建溫度場：將三維燃燒室測量空間均分為3×3×3＝27個空間網(wǎng)格，則τi=Σj=1Nwijfj,i=1,2...,58]]>式中：wij為第i條路徑通過第j個空間網(wǎng)格的長度；τi為測得的第i條聲波路徑的聲波飛渡時間；fj為待測區(qū)域內(nèi)聲波傳播速度的倒數(shù)；控制20個揚聲器依次發(fā)射聲波信號，組成一個測量周期，則得到58條聲波路徑，相應的線性方程組為：w11f1+w12f2+...+w1,27f27=τ1w21f1+w22f2+...+w2,27f27=τ2...w58,1f1+w58,2f2+...w58,27f27=τ58]]>該方程組用矩陣表示為Ax＝b，即為三維溫度場重建的數(shù)學模型式中：為58×27維權因子矩陣，反映了第j空間網(wǎng)格對第i條聲波路徑的貢獻：x＝(f1,f2,…,f27)T，為27維溫度場向量；b＝(τ1,τ2,…,τ58)T，為步驟2得到的58維飛渡時間測量數(shù)據(jù)向量；求出矩陣x＝(f1,f2,…,f27)T，將x＝(f1,f2,…,f27)T帶入其中Z為聲學常數(shù)，即求解出各個網(wǎng)格內(nèi)的平均溫度，將此溫度作為每個網(wǎng)格空間幾何中心的溫度，再在MATLAB中調(diào)用三次樣條插值方法即可得出整個待測空間區(qū)域的三維溫度場。有益效果本發(fā)明提出的一種爆震火焰溫度測量系統(tǒng)及三維溫度場的重建方法，使用聲學測溫具有響應速率快，不受外界壁溫影響輻射等優(yōu)點。在獲得時間時，由于采用了互相關技術，可以在低信噪比的環(huán)境中得到較為準確的時延估計。另外，采用倒譜的方法對混響進行處理，減少了聲波反射對測量的影響。在溫度場重建中，采用了基于LSQR算法的區(qū)域離散法，可以實現(xiàn)溫度場的三維構建，連續(xù)測量和實時監(jiān)測。最終實現(xiàn)高溫、高傳播速度的爆震火焰瞬態(tài)溫度場分析。附圖說明圖1是本發(fā)明所述的方法對爆震燃燒室溫度場測量的實驗示意圖圖2是傳感器安裝位置示意圖圖3時本發(fā)明提出方法的流程圖具體實施方式現(xiàn)結合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述：所述爆震火焰圖像測溫方法的步驟如下：步驟1：爆震實驗臺的搭建。參照圖1，針對某一臺脈沖爆震發(fā)動機樣機，在爆震燃燒室的某一個空間內(nèi)分別安裝20個麥克風和揚聲器(揚聲器和麥克風共同組成了聲波傳感器)，通過數(shù)據(jù)采集卡連接計算機；首先由主機中的聲波測溫軟件系統(tǒng)發(fā)出數(shù)字聲波信號，經(jīng)聲卡轉(zhuǎn)換為模擬信號后，再經(jīng)功率放大器放大輸出，到達繼電器開關的一端，與此同時，主機上的聲波測溫軟件系統(tǒng)向數(shù)采卡上的數(shù)字I/O輸出高電平，此高電平由與數(shù)采卡相連的端子板引出，經(jīng)控制信號電纜去啟動繼電器，將功率放大器輸出的模擬信號與揚聲器相連通，使揚聲器發(fā)射出聲波信號。麥克風將到達的聲波信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)信號調(diào)理器放大后，被數(shù)采卡采集，電壓信號被主機上的聲波測溫軟件調(diào)入。步驟2：時間獲取。數(shù)采卡上有20根數(shù)字I/O輸出線對應控制繼電器開關板上的20個繼電器的閉合，從而實現(xiàn)聲波信號發(fā)射的程序控制化。將揚聲器和麥克風安裝在燃燒室的一個空間內(nèi)，參照圖2，按順時針方向進行編號，分別為1-20號，每次只有一個揚聲器發(fā)射聲波信號，當1號揚聲器發(fā)射聲波信號時，用1號的麥克風采集的數(shù)據(jù)與其他19個編號的麥克風采集的數(shù)據(jù)進行互相關運算，對應得出19條路徑上聲波飛渡時間，1-20揚聲器依次發(fā)射聲波信號，組成一個測量周期。將測得的電壓信號調(diào)入聲波測溫軟件，再用互相關算法，可得到聲波飛渡時間。計算過程為：步驟2.1：混響處理－倒譜法。當燃燒室內(nèi)存在混響時，假設兩麥克接收到的聲波信號轉(zhuǎn)化為的電壓信號可表示為：x1(t)＝h1(t)*s(t-τ1)+n1(t)x2(t)＝h2(t)*s(t-τ2)+n2(t)其中，h1(t)和h2(t)燃燒室的單位沖激響應；n1(t)，n2(t)為麥克風接收的噪聲信號；s(t-τ1)，s(t-τ2)為兩麥克風接收到的揚聲器發(fā)出的信號。對上式做倒譜變換：X‾(k)=h‾(k)+s‾(k)+ϵ‾(k)]]>其中，分別是x(t)，h(t)，s)t)的倒譜。單位沖激響應h(t)的傅立葉變換為H(ω)，它可以分為最小相位部分Hap(ω)，和全通部分Hmin(ω)，如下式：H(ω)＝Hap(ω)Hmin(ω)其中，|Hap(ω)|＝1。單位沖激響應h(t)的倒譜為：h‾(k)=h‾ap(k)+h‾min(k)]]>其中分別對應全通部分和最小相位部分的倒譜，由最小相位的性質(zhì)可得倒譜的最小相位部分為：h‾min(k)=0,k<0h‾(k),k=0h‾(k)+h‾(-k),k>0]]>h‾ap(k)=h‾(k),k<0h‾(0),k=0-h‾(-k),k>0]]>因為，輸入信號x(t)的倒譜可以表示為：X‾(k)=h‾ap(k)+h‾min(k)+s‾(k)+ϵ‾(k)]]>時延τ在頻域轉(zhuǎn)換成ejωr的形式，它將只影響全通部分，而不對最小相位部分產(chǎn)生影響，從信號倒譜中減去部分得：X(k)=h‾ap(k)+s‾(k)+ϵ‾(k)]]>將X(k)轉(zhuǎn)換至時域：x(t)＝s(t-τ)+n(t)步驟2.2：互相關時延估計法將步驟2.1處理過的信號，即為x(t)，進行互相關運算：Rx1x2(τ)=12π∫-∞∞x1(t-τ)x2(t)dt=12π∫-∞∞[s1(t-τ)+n1(t-τ)][As2(t)+n2(t)]dt]]>化簡可得：Rx1x2(τ)=Rs1s2(τ)+Rs1n2(τ)+Rn1s2(τ)+Rn1n2(τ)]]>其中，為信號的互相關運算結果，分別為信號和噪聲的互相關運算結果，是噪聲互相關運算結果。易知為零。可簡化為：Rx1x2(τ)=Rs1s2(τ)=12π∫-∞∞s1(t-τ)s2(t)dt=12π∫-∞∞s(t+Δt-τ)s(t)dt=Rs(τ-Δt)]]>其中，Δt為時間延遲，因為Rs(τ-Δt)≤Rs(0)，當τ＝Δt時，取得最大值，則通過計算，互相關函數(shù)峰值出現(xiàn)的時刻即為時間延遲Δt。相關函數(shù)最大值點對應的橫坐標就是時延。通過互相關技術可有效的抑制燃燒室噪聲的干擾，在低信噪比的環(huán)境中獲得較為準確的時延估計。步驟3：實驗標定。設定D是揚聲器和麥克風之間的距離，單位為m；τ是聲波飛渡時間，單位為ms，T為溫度，單位是攝氏度。則溫度公式：T=D2Zτ2×106-273.16---(1)]]>其中，Z為聲學常數(shù)，單位m2/(s2K)，由溫度公式反推出Z=D2(T+273.16)τ2×106---(2)]]>在熱態(tài)實驗結束，煙氣溫度冷卻到室溫時，測得室溫。根據(jù)公式(2)，計算10組數(shù)據(jù)，求得Z，取平均值，得到Z為20.19m2/(s2K)。步驟4：爆震燃燒室溫度場的建立。LSQR算法重建溫度場如下：令Li為第i條聲波路徑，τi為步驟2中測得的聲波飛渡時間，有公式：τi=∫Li1v(x,y,z)dl=∫Lif(x,y,z)dl---(3)]]>式中：v(x,y,z)為待測區(qū)域內(nèi)聲波傳播速度，f(x,y,z)為v(x,y,z)的倒數(shù)。爆震燃燒室尺寸一般為10×10×100cm，選取從燃燒室出口到10cm處的一個測量空間(10×10×10cm)。聲學測溫空間中有58條聲波路徑(除去重合和壁面上的)，將三維燃燒室測量空間均分為3×3×3＝27個空間網(wǎng)格，則根據(jù)公式(3)可得：τi=Σj=1Nwijfj,i=1,2...,58]]>式中：wij為第i條路徑通過第j個空間網(wǎng)格的長度。經(jīng)過一個周期的測量，可以得到一個線性方程組：w11f1+w12f2+...+w1,27f27=τ1w21f1+w22f2+...+w2,27f27=τ2...w58,1f1+w58,2f2+...w58,27f27=τ58]]>該方程組用矩陣可表示為Ax＝b，即為三維溫度場重建的數(shù)學模型式中：為58×27維權因子矩陣，反映了第j空間網(wǎng)格對第i條聲波路徑的貢獻：x＝(f1,f2,…,f27)T，x為27維速度倒數(shù)向量：b＝(τ1,τ2,…,τ58)T，為58維飛渡時間測量數(shù)據(jù)向量。求出矩陣x，即將其帶入公式(1)，利用步驟三得出得Z,可得溫度即求解出各個網(wǎng)格內(nèi)的平均溫度，將此溫度作為每個網(wǎng)格空間幾何中心的溫度，再在MATLAB中調(diào)用三次樣條插值方法即可得出整個待測空間區(qū)域的三維溫度場。當前第1頁1 2 3