Акустические измерения в проточном тракте гидротурбины

Внедрение: 2016 г.

Нередко недорогие средства измерения L‑Card семейства E14 применяются в диссертационных исследованиях. На этот раз модуль E14‑440 был применён в акустических исследованиях в рамках диссертационной работы [1], посвящённой изучению вихревых процессов в гидротурбинах. 

Для измерения пульсаций давления в опытной установке (рисунок 1) в качестве акустических датчиков использовались измерительные микрофоны с отборниками давления.

Рисунок 1. Внешний вид установки для нахождения передаточной характеристики отборника акустического датчика.

В диссертационной работе использовались измерительный микрофон-шумомер Type 2250 фирмы Bruel&Kjaer, а также измерительные микрофоны ECM8000 фирмы Behringer совместно с микрофонным предусилителем MIC200. Выходной аналоговый сигнал опрашивался многоканальным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) L‑Card E14‑440. Сигналы, полученные с помощью микрофонов, сохранялись на жестком диске персонального компьютера для дальнейшей обработки, которая включала процедуру численного преобразования Фурье. 

Отборник давления оказывает существенное влияние на АЧХ и ФЧХ акустического датчика. Для корректного восстановления исходного сигнала, записанного в локальной точке микрофоном, необходимо экспериментально измерить АЧХ и ФЧХ отборника давления (передаточную характеристику). Для этой цели был создан тестовый экспериментальный участок, включающий в себя акустический динамик с рабочим диапазоном 30–20000 Гц, два микрофона ECM8000, усилитель Behringer A500, генератор сигнала Matrix MFG‑8216A и АЦП/ЦАП L‑CARD E14‑440.

Рисунок 2. Принципиальная схема установки для нахождения передаточной характеристики отборника акустического датчика.

Головка микрофона и отборник давления, присоединенный ко второму микрофону, помещались внутри закрытой цилиндрической трубы диаметром 96 мм. На другом конце трубы располагался акустический динамик, который генерировал звуковой синусоидальный тон различной частоты. Для управления и автоматизации измерения АЧХ и ФЧХ была написана компьютерная программа. Программа последовательно изменяла частоту звукового тона от 30 до 2000 Гц c шагом 0.5 Гц. С помощью АЦП опрашивались сигналы с микрофона и с акустического датчика. По 5‑ти секундной временной реализации (частота дискретизации каждого канала 4 кГц) строились Фурье-спектры.

Рисунок 3. Передаточная характеристика отборника давления.

После нахождения искомой зависимости АЧХ и ФЧХ от f осуществлялось восстановление исходной формы сигнала пульсаций давления, полученного с акустического датчика. С помощью воздействия функциональной зависимости АЧХ и ФЧХ на Фурье-преобразование сигнала изначальный сигнал восстанавливался обратным Фурье-преобразованием. На рисунке 4 показаны два сигнала, полученные акустическими датчиками на срезе сопла вихревой камеры. Первый сигнал получен с помощью микрофона, а второй восстановлен с акустического датчика.
 

Рисунок 4. Восстановление исходной формы сигнала (здесь сигнал с акустического датчика, помещенного на срезе сопла тангенциальной вихревой камеры).

Рисунок 5. Рабочий участок – модель проточной части гидротурбины.

Источник:
Литвинов И.В. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук «Прецессирующие концентрированные вихри в закрученных потоках». – Новосибирск. – 2016. – 110 с.

Разработчик: Литвинов Иван Викторович (ФГБУН Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН)