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CN113483977A - 一种轻薄结构声学特性测试装置 - Google Patents

一种轻薄结构声学特性测试装置 Download PDF

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呙道军
齐江龙
张卫红
许玉珍
王磊
李培星
于忠超
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Abstract

一种轻薄结构声学特性测试装置，包括行波管、轻薄结构装夹装置、固定支撑装置；所述轻薄结构装夹装置固定在所述固定支撑装置上，用于装夹轻薄结构；所述轻薄结构放置于行波管的测试开口处。该轻薄结构声学特性测试装置，使轻薄结构与行波管本体剥离开的方法，避免行波管噪声试验时行波管壁的振动传入轻薄结构影响其声学特性，解决了附加于轻薄结构上的大振动问题；且采用的轻薄结构装夹装置，不会给轻薄结构带来附加质量和附加刚度。

Description

一种轻薄结构声学特性测试装置
技术领域
本发明属于行波管噪声试验领域，具体涉及一种轻薄结构声学特性测试装置。
背景技术
对国内外航空发动机转子叶片、汽轮机转子叶片等轻薄结构所出现故障的统计分析表明，因共振出现高周疲劳断裂失效在转子叶片失效中占有有较大比例。转子叶片受力状态比较复杂，其所承受的载荷振动应力为其中的一种，振动应力主要来自于气流扰动或盘的振动，大量的失效分析结果表明，转子叶片断裂失效大多数由于在离心应力基础上叠加了振动应力所致。转子叶片的振动应力主要是由于随机激振会引起叶片的强迫振动，而在某几个频率下引起共振，这几个频率是叶片的自振频率，其激振源是高声强的噪声，工程上一般将由此引起的叶片疲劳称为噪声疲劳。噪声愈大，激振力愈强，叶片受损可能性越大，在对发动机内部噪声的研究发现，还存在幅值较高的单频声，当单频声的频率与叶片的某阶共振频率耦合或接近时，叶片会产生共振，从而使叶片受损。为此进行了转子叶片(轻薄结构)的声响应特性及声振疲劳特性的研究。
相较于传统的声学特性试验，对于叶片等轻薄结构在进行声学特性试验时需要避免一些问题，首先是轻薄结构对于质量较为敏感，质量的变化为引起结构自振频率的变化，装夹时需考虑其工作状态时安装方式，装夹装置不能对其有附加的质量和附加的刚度。另外，传统的行波管声学特性试验是将试件安装于行波管工作段的管壁上，高量级的噪声加载下行波管壁会有超过5grms的振动，如此大的振动直接影响轻薄结构的声学测试结果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轻薄结构声学特性测试装置，解决传统行波管噪声试验时试件附加振动大，干扰测试结果的问题。
本发明提供一种轻薄结构声学特性测试装置，构成该装置包括：行波管、轻薄结构装夹装置、固定支撑装置；所述轻薄结构装夹装置固定在所述固定支撑装置上，用于装夹轻薄结构；所述轻薄结构放置于所述行波管测试开口处。
进一步地，所述轻薄结构与所述行波管弹性连接。
进一步地，所述轻薄结构装夹装置仅利用预紧力固定所述轻薄结构。
进一步地，所述固定支撑装置包括辅助安装结构和支撑结构；所述辅助安装结构与所述轻薄结构装夹装置固定连接；所述辅助安装结构可在所述支撑结构上移动，用于调整轻薄结构装夹装置和行波管间的相对位置。
进一步地，所述轻薄结构声学特性测试装置还包括控制测试系统。
进一步地，所述行波管包括电动气流扬声器、号筒、工作段和扩散段，所述行波管为金属材料，通过焊接而成，可产生足够量级的噪声载荷。
进一步地，所述轻薄结构的装夹端呈楔形，所述轻薄结构装夹装置包括楔形夹持部件和螺栓顶杆，所述轻薄结构装夹端嵌入楔形夹持部件的夹持端，所述螺栓顶杆顶紧所述轻薄结构夹持端的端面。
进一步地，在进行轻薄结构声学特性测试时，所述轻薄结构放置于所述行波管的测试开口处后，密封所述测试开口处。
本发明的有益效果如下：
1.本发明提供的一种轻薄结构声学特性测试装置，使轻薄结构与行波管本体剥离开的方法，避免行波管噪声试验时行波管壁的振动传入轻薄结构影响其声学特性，解决了附加于轻薄结构上的大振动问题。
2.本发明提供的一种轻薄结构声学特性测试装置，采用轻薄结构装夹装置装夹轻薄结构，不会给轻薄结构带来附加质量和附加刚度，轻薄结构呈自由状态，装夹装置不改变轻薄结构的结构固有特性。
3.本发明提供的一种轻薄结构声学特性测试装置，轻薄结构(结构)上振动响应均方根值由原来的轻薄结构装夹装置(圆盘)的3.5倍变为0.43(RMS结构/RMS圆盘)，大大减少了外部振动传递带来的影响。
4.本发明提供的一种轻薄结构声学特性测试装置，为航空发动机叶片、汽轮机转子等薄壳结构声学特性试验实施提供依据。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定、在附图中：
图1是根据本发明实施例的一种轻薄结构声学特性测试装置的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的轻薄结构装夹装置的结构示意图。
其中：1-行波管 2-轻薄结构装夹装置 3-固定支撑装置 4-控制测试系统 5-轻薄结构 6-螺栓顶杆 7-楔形夹持部件
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本实施例提供了一种轻薄结构声学特性测试装置，图1是根据本发明实施例的一种轻薄结构声学特性测试装置。构成该装置包括：行波管1、轻薄结构装夹装置2、固定支撑装置3；所述轻薄结构装夹装置2固定在所述固定支撑装置3上，用于装夹轻薄结构；所述轻薄结构放置于所述行波管1的测试开口处。
其中，所述行波管1与所述轻薄结构无直接接触，避免了行波管噪声试验时行波管壁的振动传入轻薄结构影响其声学特性解决了附加于轻薄结构上的大振动问题，极大减小了轻薄结构声学测试中的系统误差。
另外，所述轻薄结构与所述行波管1弹性连接，轻薄结构呈自由状态，避免硬连接传递导致的大量级行波管壁面振动响应。
所述轻薄结构装夹装置2与轻薄结构连接时无须打孔，不产生应力集中，仅利用预紧力固定所述轻薄结构，不会给轻薄结构带来附加质量和附加刚度，不影响轻薄结构的结构固有特性。
所述固定支撑装置3包括辅助安装结构和支撑结构；所述辅助安装结构与所述轻薄结构装夹装置2固定连接；所述辅助安装结构可在所述支撑结构上移动，用于调整轻薄结构装夹装置2和行波管1间的相对位置，保证声学特性试验时可自由调节轻薄结构处于行波管1内的位置。
所述轻薄结构声学特性测试装置还包括控制测试系统4，具有信号源与信号控制的功能，声学特性试验时提供单频、窄带或宽频带的随机信号；对声信号的强度、声压级以及谱形进行控制与采集。
所述行波管1包括电动气流扬声器、号筒、工作段和扩散段，所述行波管1为金属材料，通过焊接而成，可产生足够量级的噪声载荷，声学特性试验时为轻薄结构提供所需要的单频、窄带或宽频带的噪声加载，模拟轻薄结构工作时的噪声载荷。
所述轻薄结构的装夹端呈楔形，所述轻薄结构装夹装置2包括螺栓顶杆6和楔形夹持部件7，所述轻薄结构装夹端嵌入楔形夹持部件7的夹持端，所述螺栓顶杆6顶紧所述轻薄结构夹持端的端面，主要是对轻薄结构进行固定，使轻薄结构在噪声环境下安装稳固。
在进行轻薄结构声学特性测试时，所述轻薄结构放置于所述行波管1的测试开口处后，密封所述测试开口处，降低内部测试噪声的泄漏以及外部环境对轻薄结构声学特性测试的干扰。
优选实施例
一种轻薄结构声学特性测试装置，构成该装置包括：行波管1、轻薄结构装夹装置2和固定支撑装置3；所述固定支撑装置3包括辅助安装结构和支撑结构；所述轻薄结构装夹装置2用于装夹轻薄结构，固定在所述辅助安装结构上，所述辅助安装结构可在所述支撑结构上移动，用于调整轻薄结构装夹装置2和行波管1间的相对位置；所述轻薄结构放置于所述行波管1测试开口处；所述行波管1开口处采用硬胶垫密封。
所述行波管1选用碳钢材质焊接而成，行波管1的指数形状经过计算而得。行波管1主要作用在于产生随机噪声与单频噪声，研究轻薄结构在此随机噪声和单频噪声环境下的声响应特性和声疲劳试验。
所述辅助安装结构选用碳钢加工而成。为防止行波管壁的振动给轻薄结构带来附加影响，与行波管系统隔离。
所述轻薄结构声学特性测试装置还包括控制测试系统4，所述控制测试系统4包括：测试传声器、振动传感器、传输电缆、分析前端和数据采集系统。其特征在于：具有单频噪声和窄带噪声源功能，感应噪声、振动信号并将其分析处理成所需的数据格式。
在进行轻薄结构的声学特性测试时，首先进行行波管1本体的设计，根据所研究结构的自振频率确定行波管1的截止频率，选用截面为正方形的指数形号筒，有如下计算公式：
πy2＝πy0 2·eδx (1)
Figure BDA0003135828420000052
其中，y、y0分别为号筒的截面边长、喉部连长；
δ为号筒的蜿蜒指数；
x为以号筒喉部为零点，沿号筒轴向的距离；
fc为号筒的截止频率。
根据被试试件确定最终工作段的截面尺寸及长度，扩散段的计算原则与号筒的一致。
其次是轻薄结构装夹装置2的设计，可选择装夹端呈楔形的轻薄结构5，可选择包括螺栓顶杆6和楔形夹持部件7的轻薄结构装夹装置2，所述轻薄结构装夹端嵌入楔形夹持部件7的夹持端，所述螺栓顶杆6顶紧所述轻薄结构夹持端的端面。结构如图2所示，采用过盈配合来进行安装，最后用螺栓顶杆6起到顶针的作用。采用此种轻薄结构5及轻薄结构装夹装置2，轻薄结构(结构)上振动响应均方根值由原来的轻薄结构装夹装置(圆盘)的3.5倍变为0.43(RMS结构/RMS圆盘)，大大减少了外部振动传递带来的影响。
控制测试系统4：随机噪声由噪声测控系统发出，经功率放大器放大后输入给电动气流扬声器，在行波管1内产生行波声场，传声器将感应到的脉动压力信号传输给噪声测控系统，而应变片将感应到的轻薄结构变形信号传输给测量系统，测量系统进行实时记录，试验后可进行谱分析、功率谱密度分析等。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (8)

1.一种轻薄结构声学特性测试装置，其特征在于，构成该装置包括：行波管、轻薄结构装夹装置、固定支撑装置；所述轻薄结构装夹装置固定在所述固定支撑装置上，用于装夹轻薄结构；所述轻薄结构放置于行波管的测试开口处。
2.根据权利要求1所述的一种轻薄结构声学特性测试装置，其特征在于，所述轻薄结构与所述行波管弹性连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种轻薄结构声学特性测试装置，其特征在于，所述轻薄结构装夹装置仅利用预紧力固定所述轻薄结构。
4.根据权利要求1所述的一种轻薄结构声学特性测试装置，其特征在于，所述固定支撑装置包括辅助安装结构和支撑结构；所述辅助安装结构与所述轻薄结构装夹装置固定连接；所述辅助安装结构可在所述支撑结构上移动，用于调整轻薄结构装夹装置和行波管间的相对位置。
5.根据权利要求1所述的一种轻薄结构声学特性测试装置，其特征在于，所述轻薄结构声学特性测试装置还包括控制测试系统。
6.根据权利要求1所述的一种轻薄结构声学特性测试装置，其特征在于，所述行波管包括：电动气流扬声器、号筒、工作段和扩散段，所述行波管为金属材料，通过焊接而成，可产生足够量级的噪声载荷。
7.根据权利要求1所述的一种轻薄结构声学特性测试装置，其特征在于，所述轻薄结构的装夹端呈楔形，所述轻薄结构装夹装置包括楔形夹持部件和螺栓顶杆，所述轻薄结构装夹端嵌入楔形夹持部件的夹持端，所述螺栓顶杆顶紧所述轻薄结构夹持端的端面。
8.根据权利要求1所述的一种轻薄结构声学特性测试装置，其特征在于，在进行轻薄结构声学特性测试时，所述轻薄结构放置于所述行波管的测试开口处后，密封所述测试开口处。
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