[发明专利]一种结合主动超声与被动声学探测流体空化的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及流体空化检测领域，特别涉及一种结合主动超声与被动声学探测流体空化的装置及方法。

背景技术

空化是液体特有的一种动力学现象，发生在局部压力低于该温度下饱和蒸汽压的液体区域。水轮机、泵的叶片以及船舶螺旋桨推进器等设备的运行都受到空化空蚀的困扰。空化是影响流体机械使用寿命与性能的主要问题之一，会导致机械效率下降，噪声和振动加剧，甚至会引起桨叶的材料剥蚀、结构破坏等。

目前工程应用的空化检测方法主要基于能量、压力、振动和声学等手段。空化引起水泵、涡轮水翼和推进器等机械的使用效率降低，通过监测机械的运行效率与理想效率的偏离程度，可以从侧面反映当前的空化状态，只是能量法不能及时检测到空化出现，当效率降低时，空化程度已经很严重了，而且空化状态只是影响设备运行效率的主要因素之一，该方法不能完全或者直接反映空化状态。监测压力脉动也是判断空化的一种手段，文献“Observations of oscillating cavitation of an inducer”(Source：Journal of Fluids Engineering，199：775～781，1997)在进行水泵空化实验时，对吸入管的压力脉动进行监测，得到空化与压力脉动的关系，但这一关系的适用性受到限制。对于螺旋桨推进器，则可以通过螺旋桨轴向的脉动监测空化的发生，不过其他偶然因素也可能引起脉动信号异常变化，造成误报。加拿大魁北克水力研究所及华中科技大学等研究单位通过安装在设备外部的加速度计测得振动信号，从而分析内部的空化状态，不过空化信号很容易受到设备本身正常振动的影响，降低判断准确率。清华大学的文献“水轮机空化空蚀破坏的在线监测方法及诊断装置”(专利号：02131333.4)利用加速度计和水听器分析水轮机的信号，通过阈值比较法检测空化状态，文献“轴流转桨式水轮机空化程度声信号辨识研究”(来源：中国电机工程学报，Vol.26，No.8，2006)通过分析噪声级，结合噪声谱的特征判断空化。实际环境中由于机械正常运转时的强烈的背景噪声干扰，容易造成误判，尤其对空化初生阶段的判别更为困难。1990年Barkhoudarian曾在文献“Ultrasonic cavitationdetection system”(Source：United States Patent，Patent Number：5,235,524)中提到主动超声发射的方法，其基本原理是利用空化产生的大量空泡遮挡超声的传播，依据接收到的信号强度判断空化状态，而实际中当大量空泡产生时，设备空化已非常严重了，无法对较早期的空化现象进行诊断。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种结合主动超声与被动声学探测流体空化的装置及方法，以使对空化初生阶段的捕捉较为灵敏，并在空化的整个阶段内都能更精确地检测流体空化的发生。

为实现上述发明目的，本发明提出了一种结合主动超声与被动声学探测流体空化的装置，该装置包括：超声信号源、超声驱动器和超声换能器；

所述的超声信号源产生的高频电信号通过所述的超声驱动器驱动所述的超声换能器按照既定频率发射超声波；

所述的一对或多对超声换能器对应放置在空化区域的两侧，或所述的一个或多个收发合一的超声换能器放置在具有反射面的空化区域的另一侧，使超声波传播路线经过空化区域后，把流场信息调制到超声波上成为已调超声信号，被所述的超声换能器接收；其特征在于，

该装置还包括：超声解调器、信号调理采集器、信号处理器和水听器；

所述的水听器放置在以空化区域为球心、半径为8m的区域内，用于接收声信号，包括：空化发生时空泡溃灭发出的高频声信号；

所述的超声解调器，用于对已调超声信号进行解调，得到具有流场信息的解调信号；

所述的信号调理采集器，用于对水听器接收的声信号和已调超声信号/解调信号放大、抗混叠滤波以及模数转换；其中，所述的信号调理采集器可以对已调超声信号和解调信号任选其一进行放大、抗混叠滤波以及模数转换。

所述的信号处理器，用于对经超声解调器和信号调理采集器处理后的信号进行模式分类；最后，利用信息融合算法得到最终的状态并判断是否发生空化。

所述的信号处理器根据已知空化状态的解调信号特征训练得到的分类模型M1和提取到的解调信号特征，对实时的解调信号进行模式分类得到分类结果。

所述的信号处理器对水听器接收的声信号提取到用于空化检测的信号特征，训练得到的分类模型M2，根据分类模型M2和提取到的声信号特征，对实时的声信号进行模式分类得到分类结果。