一种基于功能参数的便捷式泵声学性能获取方法与流程

本发明属于舰艇管路系统声学性能评估技术领域，具体涉及一种基于功能参数的便捷式泵声学性能获取方法。

背景技术：

泵声学性能是设备自身的重要评价指标，同时也是管路系统声学性能评估的重要输入参数。目前，获取泵声学性能指标主要有两种方法：

第一，直接在泵进/出口附近布置水听器或者压力脉动传感器进行监测，这种方法实施起来非常简便快捷，代价最小，但这种方法一方面受试验台架的影响较大，从而使其测试结果的可信度大打折扣，另一方面测试结果仅包含声压信息，无法完全反映泵的声学性能；

第二，根据严格的管路声学理论，利用两负载法、两声源法、两位置声源法等方法，剔除试验台架对测试结果的影响，精确获取被动参数矩阵t和主动矩阵s。这种方法的优点在于能够准确获取泵的声学性能，但其实施步骤复杂，实施周期长，代价大，难以在工程上推广应用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出了一种基于功能参数的便捷式泵声学性能获取方法，既可以避免复杂的声学测试过程，同时又能在避免试验台架影响的同时，获取全部的泵声学性能信息。

本发明是这样实现的：

一种基于功能参数的便捷式泵声学性能获取方法，包括如下步骤：

基于泵流量、扬程以及几何结构尺寸，计算被动参数矩阵t；

获取泵进/出口声学状态参数矩阵u；

基于被动参数矩阵t、泵进/出口声学状态参数矩阵u与泵声学性能参数之s间的关系，获取泵声学性能参数s。

进一步地，本发明计算被动参数矩阵t为：

式中：δh/δq为泵水力性能曲线的斜率，h为扬程，q为泵流量；vimp为蜗壳的容积；simp为蜗壳与叶轮组成的封闭空间内部的横截面；ρ为介质密度；c为声速；ω为角频率。

进一步地，本发明基于最小二乘法开展管路声学测试，获取泵进/出口声学状态参数矩阵u。

进一步地，本发明所述基于最小二乘法开展管路声学测试，获取泵进/出口声学状态参数矩阵u的过程为：

获取泵进口声学状态参数矩阵u1的具体过程为：

a)将截面x＝0处的声学状态参数作为泵进口的声学状态参数，建立相应的一维坐标系，各个测点的坐标依次为x1、x2…..xn；

b)将泵进口管路上任意测点对应的声压表示为：

式中：n为测点编号，n＝1，2，3…….；

p⁺(0)、p^-(0)为x＝0位置处声压的正行波、反行波；

c)将x＝0处声波的行波表示成如下形式：

p⁺(0)＝c1+jc2

p^-(0)＝c3+jc4

式中：ci为波系数，i＝1,2,3,4；

d)基于最小二乘法，计算波系数ci；

sim·cm＝ti

式中：cm＝(c1,c2,c3,c4)，为p(xn)的共轭复数；

根据所述p⁺(0)、p^-(0)，计算p(0)、q(0)；

p(0)＝p⁺(0)+p^-(0)

采用与u1获取相同的方式获取泵出口声学状态参数矩阵u2。

进一步地，本发明所述被动参数矩阵t、泵进/出口声学状态参数矩阵u与泵声学性能参数之s间的关系为：

u1＝t·(u2+s)。

进一步地，本发明还包括针对获取泵进/出口声学状态参数矩阵u，判断其是否满足如下椭圆曲线方程：

式中：r＝re^j2σ为x＝0位置处的反射系数＝p^-(0)/p⁺(0)，2σ为x＝0位置处的入射波和反射波的相位差，根据r可以确定出r，x、y为任意测点声压p(xn)的实部和虚部；

在不满足的情况重新进行u的获取。

有益效果

(1)本发明利用泵的流量、扬程、转速、蜗壳与叶轮的几何结构尺寸，根据集中参数理论，直接建立泵的被动传递矩阵t，避免了传统两负载法、两声源法、两位置声源法等方法的复杂实施过程，并能保证一定的精度，大大简化了流程。

(2)基于最小二乘法，在泵进出口管路布置三个及以上传感器进行测试，可在宽广的频率范围内获取声压信息，有效拓宽了本方法的应用范围。

(3)基于管路内部平面波传播原理，建立一种快速评估管路内部声学参数测试结果有效性的方法，保证了本方法测试结果的可信度。

(4)本发明既可以避免复杂的声学测试过程，同时又能在避免试验台架影响的同时，获取全部的泵声学性能信息，有效弥补了目前所采用方法的缺点。

附图说明

图1为本发明基于功能参数的便捷式泵声学性能表征方法的流程图。

图2为本发明所述泵进出口参数矩阵u、泵被动参数矩阵t、泵主动参数矩阵s的原理示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

本发明实施例一种基于功能参数的便捷式泵声学性能获取方法，如图1所示，具体过程为：

定义泵进/出口声学状态参数矩阵u1、u2，用以表征对应位置处的声学状态。

式中：

u1、u2为泵进/出口声学状态参数矩阵，包含声压、体积速度，为2×1矩阵；

p1、p2为泵进/出口截面的声压；

q1、q2为泵进/出口截面的体积速度。

定义泵的声学性能表征参数，基于功能参数的被动矩阵t、主动源矩阵s。

式中：

t为泵被动参数矩阵，与泵的功能参数有关，是泵的固有特性，为2×2矩阵；t11～t22分别表示矩阵t的元素；

s为泵主动参数矩阵，包含声压、体积速度，与泵运转工况有关，为2×1矩阵；

qs、qs为泵主动声压源、主动体积速度源。

步骤一、假设声源位于泵出口附近位置，建立u1、u2、t、s四者之间的联系关系，如图2所示。

u1＝t·(u2+s)

步骤二、基于泵的流量、扬程以及几何结构尺寸，建立被动参数矩阵t。

式中：

δh/δq为泵水力性能曲线的斜率，h为扬程，q为泵流量；

vimp为蜗壳的容积；

simp为蜗壳与叶轮组成的封闭空间内部的横截面

ρ为介质密度；

c为声速；

ω为角频率。

由于本发明更对针对于低频的情况，此时声波波长远远大于泵蜗壳的尺寸，因此在声学上可采用集中参数法对泵的被动传递特性进行描述。集中参数法具体过程为：将叶轮内部的流体通道类比成声质量和声阻，即公式中的z2，将蜗壳容腔分成叶轮进口侧y1和出口侧y3，均类比成声容，按照流体流动方向，依次将蜗壳进口侧y1、叶轮z2、蜗壳出口侧y3按照传递矩阵进行串联，串联矩阵如下，其中y1和y3是声容的倒数。

步骤三、基于最小二乘法开展管路声学测试，获取泵进/出口声学状态参数矩阵u；

获取泵进口声学状态参数矩阵u1的具体过程为：

a)将截面x＝0处的声学状态参数作为泵进口的声学状态参数，建立相应的一维坐标系，各个测点的坐标依次为x1、x2…..xn。

b)将泵进口管路上任意测点对应的声压表示为：

式中：

n为测点编号，n＝1，2，3…….。

p⁺(0)、p^-(0)为x＝0位置处声压的正行波、反行波，两者之和即为相应位置处的声压p。

c)将x＝0处声波的行波写成如下形式：

p⁺(0)＝c1+jc2

p^-(0)＝c3+jc4

式中：

ci为波系数，i＝1,2,3,4。

d)基于最小二乘法，波系数ci可由如下方程确定：

sim·cm＝ti

式中：

sim——4×4矩阵，

cm——4×1矩阵，cm＝(c1,c2,c3,c4)；

ti——4×1矩阵，

——任意测点声压p(xn)的共轭复数。

在获得x＝0位置处声压的正行波、反行波之后，根据管路声学理论，通过简单的计算即可获得相应位置的声压、体积速度，如下式所示。

p(0)＝p⁺(0)+p^-(0)

式中：

p(0)、q(0)分别为x＝0处的声压、体积速度。

采用与u1获取相同的方式获取泵出口声学状态参数矩阵u2。

步骤四、检验泵进/出口声学状态参数矩阵u1、u2测试结果的有效性。

通过上述波分解法测得各测点位置处的行波之后，为保证测试结果的正确性，需验证所测声压是否符合平面波传播特性，即是否满足如下椭圆曲线方程：

式中：

p⁺(0)——正行波幅值；

r＝re^j2σ——x＝0位置处的反射系数，即反行波与正行波的比值，2σ为x＝0位置处的入射波和反射波的相位差，根据r可以确定出r；

x、y——任意测点声压p(xn)的实部和虚部。

若检验结果为u1、u2测试结果无效，则重复步骤三进行重新检测，直至结果有效为止。

步骤五、利用步骤一建立的联系方程，结合步骤二、三获取的t、u1、u2，获取包含声压、体积速度的泵主动参数矩阵s，即泵声学性能指标，用于对泵进行客观评价。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。