王曉飛，王剛，沙云東

（1.北京機(jī)電工程研究所，北京 100074；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，沈陽(yáng) 110136）

引言

從70年代開(kāi)始，國(guó)外就開(kāi)展了針對(duì)試驗(yàn)環(huán)境下耐高溫噪聲測(cè)量技術(shù)的研究，包括在傳聲器外施加冷卻裝置的水套冷卻技術(shù)、利用激光測(cè)振原理的光纖傳聲器技術(shù)、利用輝光放電原理的等離子體傳聲器技術(shù)，以及利用管道傳聲原理的聲波導(dǎo)管技術(shù)。每種技術(shù)適用的環(huán)境條件（測(cè)量溫度、壓力、氣流速度、安裝條件等）不同，可實(shí)現(xiàn)的噪聲測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍和頻響特性也有較大區(qū)別。

1 基于施加冷卻裝置的高溫噪聲測(cè)量技術(shù)

噪聲測(cè)量中，一般選用電容式或壓電式的噪聲傳感器，典型的電容式傳感器能承受的溫度在260℃以下，壓電式傳感器容許范圍稍高，但一般不超過(guò)427℃。基于施加冷卻裝置的高溫噪聲測(cè)量技術(shù)，采用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的冷卻裝置對(duì)普通聲學(xué)傳感器進(jìn)行冷卻降溫，使其能在更高的溫度下適用。其基本原理圖如圖1所示。在測(cè)量表面位置與傳感器之間敷設(shè)隔熱層，通過(guò)開(kāi)孔將聲信號(hào)傳導(dǎo)至傳感器，在傳感器周?chē)惭b專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的冷卻水套，通過(guò)冷卻水對(duì)傳感器進(jìn)行冷卻降溫，從而保證傳感器的工作環(huán)境溫度。

典型應(yīng)用案例參見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利《M E T H O D A N D APPARATUS FOR COOLING SENSORS IN HIGH TEMPERATURE ENVIRONMENTS》（專(zhuān)利號(hào)：5450753）。圖2給出了單個(gè)傳感器安裝實(shí)物示意圖。安裝裝置上表面是復(fù)合材料層，以便保護(hù)基片，其中基片固定在墊圈上，表層和基片的厚度同為0.16英寸，墊圈厚度為0.26英寸[1]。該傳感器系統(tǒng)的核心部件選用Kulite生產(chǎn)的XCE-093型耐高溫型傳感器（能承受高溫427℃），以便適應(yīng)中心開(kāi)孔引入殘余空氣的溫度。傳感器的上表面大約比復(fù)合材料層上表面低0.58英寸，這些尺寸關(guān)系和相應(yīng)結(jié)構(gòu)將在某種程度上影響傳感器的響應(yīng)特性。該傳感器系統(tǒng)的冷卻水套采用空心圓柱形套管，其上安裝冷卻水進(jìn)口和冷卻水出口。

為滿足實(shí)際測(cè)試需要，工程中可對(duì)上述冷卻裝置進(jìn)行合理調(diào)整。一般可采用兩種冷卻方式，一種為水冷方式，因?yàn)樗渚哂懈邿崛萘浚蠖鄶?shù)試驗(yàn)采用這種方式；其二為氣冷方式，以避免水冷時(shí)管道內(nèi)液體駐留問(wèn)題。采用水冷方式的傳感器系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)1097℃條件下的溫度測(cè)量，采用氣冷方式的傳感器系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)797℃條件下的噪聲測(cè)量。

此外，F(xiàn)erguson 和Ivey[2-3]也開(kāi)展過(guò)有關(guān)施加冷卻裝置的動(dòng)態(tài)壓力傳感器系統(tǒng)的驗(yàn)證試驗(yàn)，采用冷卻護(hù)套對(duì)傳感器進(jìn)行冷卻，可實(shí)現(xiàn)897℃溫度條件下的動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量[4]。

2 基于光纖傳聲器的高溫噪聲測(cè)量技術(shù)

在惡劣環(huán)境下進(jìn)行噪聲測(cè)量時(shí)，傳統(tǒng)傳感器日益暴露出其局限性，近年來(lái)，基于干涉測(cè)量法的光纖傳聲器（Fiber-Optical Microphone），即FOM技術(shù)在噪聲測(cè)量中逐漸應(yīng)用，其不需要特殊的冷卻裝置也不需要增加空間。FOM具有兩種設(shè)計(jì)方案，一種是多用于商業(yè)的Mach-Zehnder（MZ）干涉儀裝置，其具有較寬的溫度適用范圍，在一般的高溫低溫均可使用，但其不足之處是對(duì)高振動(dòng)敏感以及該裝置的光纖適宜溫度上限為300℃，因此在惡劣的測(cè)量環(huán)境中不提倡使用該型傳感器。另一種是由德國(guó)宇航中心（German Aerospace Center）設(shè)計(jì)的基于Fabry-Perot（FP）干涉裝置的光纖傳聲器，該傳聲器已經(jīng)在低溫和高溫條件下?lián)碛谐晒Φ膽?yīng)用案例，目前測(cè)量最高溫度可達(dá)726.85℃（1000K），聲壓級(jí)為154dB，并呈現(xiàn)良好的靜動(dòng)態(tài)特性。

圖1 水套冷卻法基本原理圖

圖2 典型水冷傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

光纖傳聲器基于由聲誘發(fā)膜片運(yùn)動(dòng)的干涉測(cè)量原理[5]，一束激光通過(guò)玻璃光纖傳導(dǎo)到一個(gè)對(duì)噪聲敏感的膜片后端面，光束通過(guò)透鏡聚焦，并在膜片上產(chǎn)生反射，反射的光束通過(guò)相同的透鏡收集并且耦合回光纖，由噪聲誘發(fā)的膜片的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致反射光束發(fā)生多普勒效應(yīng)，通過(guò)測(cè)量入射和反射光束的干涉信號(hào)，確定聲場(chǎng)信號(hào)。

FP干涉裝置在滿足FOM基本原理之外，還具備了耐高溫特性和光纖對(duì)振動(dòng)的非敏感性。該裝置采用具有特殊金屬涂層的非極化維持單模光纖，其使用溫度可達(dá)800-1000K；同時(shí)采用兩根光纖，一根光纖用于傳導(dǎo)激光到反射膜片后面，另一根光纖用于引導(dǎo)反射光和聚焦光回到二極管中，兩個(gè)干涉光束都在光纖內(nèi)傳播，光纖的振動(dòng)對(duì)于干涉光束的相對(duì)相位沒(méi)有影響[6-7]。

圖3顯示了一種基于FP的光學(xué)裝置，利用一個(gè)Pockels盒和一個(gè)AOM（聲光調(diào)制器）產(chǎn)生一個(gè)恒定頻率差，將其置于玻璃光纖的前端，產(chǎn)生兩個(gè)零差干涉信號(hào)，且兩個(gè)信號(hào)由一個(gè)90°的恒定相位差，因此一般稱(chēng)為正交零差干涉方法。光的轉(zhuǎn)換交替激活了兩條路徑，原則上兩個(gè)干涉信號(hào)不能同時(shí)獲得，但利用高轉(zhuǎn)換頻率的單元通過(guò)平均和線性插值法能夠修正并重建兩個(gè)零差干涉信號(hào)，獲得近似同步的信號(hào)。

圖5是FP光纖傳感器在氣體燃燒室進(jìn)行高溫條件下聲測(cè)試的實(shí)例。燃燒試驗(yàn)臺(tái)熱功率為8.4kw，在燃燒室外面排出的氣體溫度為727℃，傳感器的頭部與內(nèi)壁齊平安裝，膜片直接暴露在煙氣和火焰輻射中，為了驗(yàn)證FP光纖傳感器測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)安裝了基于傳統(tǒng)電容式傳聲器的探針傳感器，將其與光纖傳感器平行安裝在燃燒室機(jī)匣上。對(duì)比兩個(gè)傳感器的頻譜，如圖6，探針傳聲器的頻譜為紅色虛線，光纖傳聲器的頻譜為黑色實(shí)線。兩個(gè)頻譜中85Hz處的峰值代表了燃燒室實(shí)驗(yàn)中運(yùn)行點(diǎn)分析的熱聲不穩(wěn)定性，兩個(gè)頻譜的高度一致性也顯示了基于FP的光纖傳聲器的良好性能。

3 基于等離子體傳聲器的高溫噪聲測(cè)量技術(shù)

等離子傳聲器是利用輝光放電壓力傳感器的原理，通過(guò)電離中性氣體分子（等離子體）將能量轉(zhuǎn)移到電子或離子的機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波的感知。通過(guò)專(zhuān)門(mén)的放大調(diào)制原理和裝置，實(shí)現(xiàn)聲信號(hào)的傳遞、放大和轉(zhuǎn)換。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是可以將表面壓力（動(dòng)態(tài)壓力、噪聲）、剪切應(yīng)力、溫度和熱流等測(cè)量傳感器集成為一套傳感器系統(tǒng)，可用與高溫高速高焓值氣流中的噪聲、熱流等多參數(shù)的同步測(cè)試。該傳感器系統(tǒng)具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍，一般不需要頻率補(bǔ)償，具有良好幅值調(diào)制的幅值輸出。采用MEMS技術(shù)可以制成微米級(jí)尺寸的單個(gè)傳感器單元，或根據(jù)需要排列成多個(gè)傳感器陣列，因此該項(xiàng)技術(shù)是目前正在發(fā)展的用于高溫試驗(yàn)環(huán)境下噪聲測(cè)量的前沿技術(shù)之一。

等離子體傳聲器基本原理，即直流輝光放電原理如圖7所示[8]，在兩電極狹縫之間電離空氣，正電極與負(fù)電極對(duì)應(yīng)直流電的陽(yáng)極和陰極，X方向?qū)?yīng)狹縫的方向，Y方向?qū)?yīng)氣流的方向。

圖3 基于Fabry-Perot 干涉裝置的光纖傳聲器

圖4 FP 光纖傳聲器實(shí)物

圖5 燃燒室測(cè)量中應(yīng)用圖

圖6 FP 光纖傳聲器和探針傳聲器的頻譜

一旦輝光放電裝置建立，產(chǎn)生的電子數(shù)和正離子沖擊有關(guān)，如果輝光放電的強(qiáng)度不變，留在陰極的大量電子就會(huì)引起連鎖效應(yīng)，這就是電子的連續(xù)性，如式(1)所示：

其中，nc為每秒每平方厘米離開(kāi)陰極的電子數(shù)；

np為每秒每平方厘米沖擊陰極的正離子數(shù)；

γ為比例常數(shù)，與正離子能量有關(guān)；

h為電極寬度。

擴(kuò)展這個(gè)方程，如式(2)所示

其中，①即np，每秒沖擊陰極的正離子數(shù)；

②為每秒到達(dá)陽(yáng)極的電子數(shù)；

③為每秒離開(kāi)陰極的電子數(shù)；

④每秒由速度為U的空氣電離的離子數(shù)，γeff是與陰極釋放的電子數(shù)和沖擊陰極的離子數(shù)相關(guān)的常數(shù)。

采用輝光放電裝置作為噪聲傳感器至今已有多次成功嘗試。1970年Babcock和Hermsen[9]開(kāi)發(fā)了一種基于直流輝光放電傳聲器，其使用圓柱形微小夾具將兩個(gè)點(diǎn)電極嵌入到噪聲出口頂端，高頻響應(yīng)達(dá)到1MHz，可用于定量測(cè)量150KHz，當(dāng)時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題是電極退化，這是直流驅(qū)動(dòng)輝光放電裝置中的常見(jiàn)問(wèn)題。

目前開(kāi)展的大部分試驗(yàn)建立在Babcock和Hermsen提供的設(shè)計(jì)理念，為了消除電極退化的問(wèn)題，使用接近2MHz交流波形等離子體風(fēng)速計(jì)的方法設(shè)計(jì)等離子體傳聲器。等離子體形成的電極將會(huì)凹成一個(gè)空腔，略低于平均流體路徑的表面。排列電極以便等離子體填充空腔，但又不會(huì)伸進(jìn)氣流中，圖8顯示了用MEMS方法設(shè)計(jì)的等離子體傳感器概念圖。

由Eden[10]等人給出了上述方法，它是在一種高純度的多晶硅晶片的基礎(chǔ)上，并且表面涂以聚酰亞胺層作為主要電解質(zhì)。附加的氮化硅或氧化硅層覆蓋聚酰亞胺并且保護(hù)其免受等離子體效應(yīng)的影響，等離子體效應(yīng)會(huì)使有機(jī)薄膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。下一層是電極，無(wú)論是鎳、鉑，或更高溫度的銠和銥等金屬組成的合金。使用過(guò)氧化硅或氮化硅包裹電極，金字塔型的空腔在電極之間侵蝕成基片，形成等離子凹窩。試驗(yàn)過(guò)程中使用的傳感器采用傳統(tǒng)技術(shù)，未來(lái)的傳感器將使用MEMS工藝開(kāi)發(fā)的薄膜形傳感器，可以安裝在渦輪葉片或壓力機(jī)機(jī)匣壁上。

等離子體傳感器構(gòu)造結(jié)實(shí)，機(jī)制非常簡(jiǎn)單，使用的電極材料熔點(diǎn)非常高，如銥電極熔點(diǎn)高達(dá)1800℃，但是由于要保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，等離子體傳感器只能承受1335℃（2400°F）的高溫。

4 基于聲波導(dǎo)管的高溫噪聲測(cè)量技術(shù)

圖7 直流輝光放電原理圖

圖8 交流等離子傳感器設(shè)計(jì)示意圖

圖9 端接管式傳聲器

圖10 “無(wú)限”聲波導(dǎo)管式傳聲器

基于聲波導(dǎo)管的高溫噪聲測(cè)量技術(shù)主要是基于管道聲學(xué)原理，將高溫環(huán)境下的噪聲通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的聲波導(dǎo)管導(dǎo)出，采用與管道壁齊平安裝或垂直安裝的普通傳聲器進(jìn)行測(cè)量。采用聲波導(dǎo)管技術(shù)在高溫環(huán)境下測(cè)量噪聲（脈動(dòng)壓力）主要有兩種形式，其一是采用短導(dǎo)管連接測(cè)量位置和傳感器，其二是采用“無(wú)限”聲波導(dǎo)管，如圖9和圖10所示。在短導(dǎo)管測(cè)試中，導(dǎo)管與傳感器空腔間的聲共振會(huì)影響測(cè)量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，為保證足夠的頻響范圍，必須縮短導(dǎo)管長(zhǎng)度或減小傳感器空腔尺寸；為解決該問(wèn)題，工程中采用“無(wú)限”聲波導(dǎo)管進(jìn)行高溫噪聲測(cè)量，其中所謂“無(wú)限”導(dǎo)管的長(zhǎng)度必須足夠長(zhǎng)，以確保聲波（脈動(dòng)壓力）在到達(dá)導(dǎo)管終端前完全衰減，從而避免因反射造成的聲共振現(xiàn)象，傳感器垂直于管道軸線安裝。無(wú)限聲波導(dǎo)管傳感器實(shí)物圖見(jiàn)圖11。

1950年NASA Lewis飛行推力實(shí)驗(yàn)室最早在渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒裝置噪聲測(cè)試中采用聲波導(dǎo)管進(jìn)行高溫噪聲測(cè)量[11]。1960年在原子能火箭計(jì)劃研究中使用聲波導(dǎo)管測(cè)量了燃燒室的壓力脈動(dòng)[12]。

1984年Englund和Richards應(yīng)用Bergh和Tijdeman的模型模擬無(wú)限聲波導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)并解釋了關(guān)鍵參數(shù)的影響，其中包括管道的內(nèi)徑、長(zhǎng)度、傳感器和測(cè)量末端的距離、傳感器的空腔體積。圖12是無(wú)限聲波導(dǎo)管的幾何尺寸參數(shù)。

測(cè)量的壓力P0(t)：在導(dǎo)管中激勵(lì)壓力脈動(dòng)，并且脈動(dòng)往下繼續(xù)傳播。

壓力波動(dòng)Pl(t)：沿著導(dǎo)管傳播l的距離，穿過(guò)傳感器繼續(xù)向終端傳播。

如果在管道內(nèi)的壓力是P0cosωt，則傳播到導(dǎo)管內(nèi)的壓力波動(dòng)為：

圖11 無(wú)限聲波導(dǎo)管傳感器實(shí)物圖

圖12 無(wú)限壓力聲波導(dǎo)管的幾何尺寸和參數(shù)

圖13 不同幾何參數(shù)下的頻率響應(yīng)比較

其中Px(t)是時(shí)間t時(shí)x點(diǎn)的壓力，α是衰減系數(shù)，b是相位因數(shù)，ω是軸向頻率。

Englund和Richards利用無(wú)線管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并得出一些有價(jià)值的結(jié)論，為之后的研究做了鋪墊，測(cè)試結(jié)果如圖13所示。傳聲器與導(dǎo)管開(kāi)口之間的距離越小、導(dǎo)管的直徑越小，系統(tǒng)的振幅波動(dòng)越小；傳聲器后面無(wú)限導(dǎo)管截面越大，振幅波動(dòng)也越小。

1989年Saikuddin.M.等對(duì)高溫環(huán)境下的測(cè)量高頻噪聲信號(hào)的聲波導(dǎo)管設(shè)計(jì)和特性進(jìn)行了研究。最終測(cè)試裝置在溫度1000°F（538℃）下進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量頻率可達(dá)5KHz。

美國(guó)NASA蘭利研究中心于1989年設(shè)計(jì)并建造了熱聲疲勞測(cè)試設(shè)備（TAFA），用于在高強(qiáng)的聲學(xué)環(huán)境下測(cè)試結(jié)構(gòu)的熱動(dòng)態(tài)響應(yīng)及聲疲勞。該系統(tǒng)于1994、1995和2000年進(jìn)行多次升級(jí)改造，目前TAFA增強(qiáng)了加熱能力到了44BTU/ft-sec，可實(shí)現(xiàn)板形試驗(yàn)件2000°F（約1100℃）和168dB的試驗(yàn)[13]。用來(lái)支持美國(guó)航天飛機(jī)以及各種高速飛行器結(jié)構(gòu)熱防護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展。TAFA系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩個(gè)導(dǎo)出式的傳聲器，一個(gè)放在試驗(yàn)件前方，一個(gè)放在試驗(yàn)件后方（相對(duì)于行波方向的前后）。這是為實(shí)現(xiàn)高溫下聲壓級(jí)測(cè)量而經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的傳聲器。傳聲器通過(guò)18英寸長(zhǎng)0.25英寸直徑的T型導(dǎo)管來(lái)檢測(cè)試驗(yàn)區(qū)的聲音。在傳聲器后方有50英尺長(zhǎng)(15m)、0.25英寸(6.35mm)直徑的無(wú)限導(dǎo)管用于消除管路的反射造成的駐波，如圖14所示。

圖14 在TAFA 中的應(yīng)用實(shí)物圖

此外，參考文獻(xiàn)[14]給出了大量有關(guān)聲波導(dǎo)管在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試中的應(yīng)用，參考文獻(xiàn)[15]給出了聲波導(dǎo)管在在YF-102渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室噪聲測(cè)量中的應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)環(huán)境下的耐高溫噪聲測(cè)量是一項(xiàng)具有相當(dāng)難度的技術(shù)工作，國(guó)外研究的幾種測(cè)量技術(shù)和建立的測(cè)試傳感器方案，因其技術(shù)原理不同，適用的溫度、壓力、氣流速度和安裝條件等環(huán)境因素不同，可實(shí)現(xiàn)的噪聲測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍也有較大差別，工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)具體試驗(yàn)工況選擇合適的測(cè)量方案。

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