明廷鋒　曹玉良　賀　國　蘇永生

(海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院1)　武漢　430033)　(海軍工程大學(xué)管理工程系2)　武漢　430033)

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流體機(jī)械空化檢測(cè)研究進(jìn)展*

明廷鋒1)曹玉良1)賀國2)蘇永生1)

(海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院1)武漢430033)(海軍工程大學(xué)管理工程系2)武漢430033)

摘要：為了解當(dāng)前流體機(jī)械空化檢測(cè)的研究進(jìn)展，對(duì)國內(nèi)外的相關(guān)研究進(jìn)行了總結(jié)和分類.分析表明，當(dāng)前流體機(jī)械空化的檢測(cè)方法可分為兩類:第一類是基于傳感器信號(hào)的空化檢測(cè)方法;另一類是利用特定的設(shè)備對(duì)空化進(jìn)行檢測(cè)，如高速攝影方法、超聲波檢測(cè)方法和X光檢測(cè)方法.本文著重對(duì)基于傳感器信號(hào)的檢測(cè)方法進(jìn)行了介紹，壓力脈動(dòng)信號(hào)、振動(dòng)信號(hào)、噪聲信號(hào)和聲發(fā)射信號(hào)在進(jìn)行流體機(jī)械空化檢測(cè)時(shí)被廣泛利用，很多研究都基于這四種信號(hào)中的一種或幾種，并取得了一定的效果，利用多種信號(hào)進(jìn)行空化檢測(cè)有助于提高空化檢測(cè)的效果，將是空化檢測(cè)未來的研究方向.

關(guān)鍵詞：流體機(jī)械；空化檢測(cè)；研究進(jìn)展；壓力脈動(dòng)信號(hào)；振動(dòng)信號(hào)；噪聲信號(hào)；聲發(fā)射信號(hào)

0引言

空化會(huì)導(dǎo)致流體機(jī)械的性能下降，引起振動(dòng)和噪聲，并導(dǎo)致過流部件的腐蝕.基本上所有的流體機(jī)械都會(huì)發(fā)生空化，如軸流泵、閥門、水輪機(jī)、螺旋槳和噴水推進(jìn)器等[1].在國內(nèi)，在泵類機(jī)械的研究中空化常被稱為“汽蝕”，在水輪機(jī)的研究中空化則被稱為“氣蝕”，在螺旋槳和噴水推進(jìn)器的研究中則稱“空化”；在國外，則統(tǒng)一稱為“cavitation(空化)”，因此，“空化”和“汽蝕”其本質(zhì)是一樣的[2].流體機(jī)械在日常生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和軍事裝備中廣泛存在，檢測(cè)流體機(jī)械內(nèi)部流體是否發(fā)生空化，以及空化的程度，能夠避免空化造成強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲，以及過流部件的剝蝕破壞，具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義和軍事意義.

流體機(jī)械空化檢測(cè)屬于故障檢測(cè)的內(nèi)容之一，然而其與普通機(jī)械故障的檢測(cè)又有所不同.空化在流體機(jī)械中普遍存在，很多因素都會(huì)導(dǎo)致流體機(jī)械的發(fā)生空化，并且空化十分難以檢測(cè)，尤其是空化初生[3].因此，流體機(jī)械空化的檢測(cè)成為了當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一.

對(duì)流體機(jī)械的空化進(jìn)行檢測(cè)時(shí)最常用的是基于信號(hào)的檢測(cè)方法，在流體機(jī)械不同的位置處安裝傳感器，通過信號(hào)采集系統(tǒng)采集流體機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)，通過分析數(shù)據(jù)的特征，從而判斷流體機(jī)械內(nèi)部是否發(fā)生空化，以及空化的程度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空化的檢測(cè).當(dāng)前廣泛利用的幾種信號(hào)有，壓力脈動(dòng)信號(hào)、振動(dòng)信號(hào)、噪聲信號(hào)和聲發(fā)射信號(hào).本文將對(duì)這幾種信號(hào)的利用和分析進(jìn)行詳細(xì)的介紹.此外，還將對(duì)高速攝影、超聲波檢測(cè)和X光檢測(cè)在流體機(jī)械空化檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行簡要的介紹.

1基于壓力脈動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)

利用壓力脈動(dòng)信號(hào)對(duì)流體機(jī)械的空化進(jìn)行識(shí)別和檢測(cè)，是當(dāng)前空化檢測(cè)研究中非常重要的一方面，并得到了一定的應(yīng)用.

梁超和劉永奇[4-5]利用閉式實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)量和采集了一臺(tái)臥式單級(jí)離心泵入口的壓力脈動(dòng)信號(hào)，并運(yùn)用多種方法分析了不同汽蝕狀態(tài)時(shí)壓力脈動(dòng)的特征，對(duì)離心泵汽蝕故障診斷進(jìn)行了初步的探索.然而，他們?cè)谶M(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)采樣頻率只有500 Hz，只能對(duì)低頻壓力脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，無法研究空化所產(chǎn)生的高頻壓力脈動(dòng).李曉俊等[6-7]利用高頻壓力傳感器測(cè)量和采集了離心泵進(jìn)出口處的壓力脈動(dòng)信息，并利用概率密度分布、方差、均方差和均方根等4種統(tǒng)計(jì)方法分析了空化時(shí)離心泵進(jìn)口處壓力脈動(dòng)的時(shí)域特征，發(fā)現(xiàn)這4種統(tǒng)計(jì)方法都能夠預(yù)測(cè)離心泵的揚(yáng)程斷裂工況.然而，對(duì)于空化初生卻無法完全預(yù)測(cè).周云龍等[8]利用邊際譜頻帶能量方法提取了離心泵汽蝕時(shí)壓力信號(hào)的低頻特征和高頻特征，對(duì)離心泵的汽蝕狀況進(jìn)行識(shí)別研究；然而，運(yùn)用該方法提取的特征并不是很明顯.

施衛(wèi)東、姚捷等[9-10]研究了采樣時(shí)間和采樣頻率對(duì)軸流泵壓力脈動(dòng)信號(hào)的影響，并對(duì)一型軸流泵葉輪進(jìn)出口和導(dǎo)葉出口處的壓力脈動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量和分析，研究了壓力脈動(dòng)的均方根值和頻率特征隨流量和轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，然而其研究未對(duì)考慮空化的影響.此外，鄭源[11]、田少強(qiáng)[12]、張德勝[13]等也對(duì)非空化時(shí)水泵的壓力脈動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量和頻譜分析.

薛延剛、王瀚等[14-15]將經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和指標(biāo)能量相結(jié)合，利用指標(biāo)能量建立了多尺度特征熵，運(yùn)用該方法對(duì)水輪機(jī)尾水管的渦帶空化進(jìn)行了檢測(cè)和識(shí)別研究.研究表明，該方法能夠有效提取水輪機(jī)尾水管的動(dòng)態(tài)特征，識(shí)別渦帶的發(fā)生及量化渦帶的嚴(yán)重程度.但是，該方法對(duì)于不同的對(duì)象難以普遍適用.田鋒社[16]分析了測(cè)點(diǎn)位置、測(cè)點(diǎn)數(shù)量、采樣頻率、采樣時(shí)間，以及空化數(shù)等因素對(duì)水輪機(jī)壓力脈動(dòng)測(cè)量信號(hào)的影響.另外，X.Escaler等[17]也對(duì)水輪機(jī)模型不同空化程度時(shí)的壓力脈動(dòng)信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試和時(shí)頻分析.

空泡的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)和潰滅都在流體內(nèi)部完成，空化產(chǎn)生后首先受到影響的就是流場(chǎng).因此，在進(jìn)行流體機(jī)械空化的檢測(cè)時(shí)，非常有必要測(cè)量和采集流場(chǎng)的壓力脈動(dòng)信號(hào).

2基于振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)

空化通常會(huì)引起流體機(jī)械的振動(dòng)加劇，因此，很多學(xué)者利用振動(dòng)信號(hào)對(duì)空化進(jìn)行了檢測(cè)研究.K.K.Mckee等[18]利用倍頻程頻帶分析、主元分析和統(tǒng)計(jì)矩陣，提出了一種空化振動(dòng)檢測(cè)方法，并利用大量的工業(yè)水泵測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)該方法進(jìn)行了檢驗(yàn)；此外，其還利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)水泵的空化數(shù)據(jù)進(jìn)行分類識(shí)別.該研究表明，在水泵空化狀態(tài)識(shí)別時(shí)前向式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(FFNN)方法比線性向量(LVQ)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法更有效，其認(rèn)為一個(gè)含有3-1隱形層的FFNN，已能夠有效地對(duì)工業(yè)水泵的空化狀態(tài)進(jìn)行分類識(shí)別[19-20].R.Ramadevi[21]基于離心泵的振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用離散小波變換對(duì)離心泵的空化進(jìn)行了檢測(cè)研究，其認(rèn)為小波變換是一種分析空化信號(hào)的有效方法.此外，Escaler[22]，Surendra[23]和J.Cernetic[24]等也都對(duì)水泵汽蝕時(shí)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量與分析，他們的研究都表明振動(dòng)信號(hào)可以用于汽蝕的檢測(cè)和診斷.

李忠等[25-26]運(yùn)用LMS振動(dòng)和噪聲測(cè)試系統(tǒng)對(duì)軸流泵不同空化時(shí)不同位置的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量和分析.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，軸頻、葉頻及其高次諧波是泵體振動(dòng)的主要頻率，空化誘發(fā)的振動(dòng)主要為高頻振動(dòng)，隨汽蝕余量的降低，低頻振動(dòng)和高頻振動(dòng)的均方根值均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì).王勇等[27-28]利用虛擬儀器技術(shù)，采集了空化誘導(dǎo)的泵體振動(dòng)信號(hào)和噪聲信號(hào).其研究表明隨有效汽蝕余量的下降，振動(dòng)加速度的均方根值和噪聲的聲壓級(jí)先保持不變?nèi)缓竺黠@升高.以上的兩項(xiàng)研究都對(duì)空化誘導(dǎo)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和分析，然而所得出的結(jié)論卻不完全一致.

高波等[29]利用振動(dòng)測(cè)試和高速攝影等方法，分析了離心泵內(nèi)部空泡形態(tài)和泵體振動(dòng)頻譜特征隨空化發(fā)展的變化.其認(rèn)為蝸殼處的振動(dòng)能量較大，泵體振動(dòng)的頻率范圍很寬、具有離散性，振動(dòng)加速度的均方根值對(duì)空化程度比較敏感，葉頻時(shí)振動(dòng)加速度的幅值變化與空化發(fā)展相對(duì)應(yīng).段向陽等[30]利用加速度傳感器采集了離心泵不同位置處的振動(dòng)信號(hào)，分析了振動(dòng)信號(hào)不同頻帶的特征，以及其在空化前后的變化趨勢(shì).蘇永生等[31-32]對(duì)離心泵的空化特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，采集了3種空化種狀態(tài)時(shí)的進(jìn)口水聲信號(hào)和殼體振動(dòng)信號(hào)，以峰值均方根值和標(biāo)準(zhǔn)差作為特征量，對(duì)正常工況、揚(yáng)程下降3%和性能崩潰這3類空化進(jìn)行了分類識(shí)別研究.蒲道林[33]對(duì)汽蝕所引起的離心泵的振動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，其認(rèn)為4～8 kHz頻帶為空化敏感頻帶，在臨近臨界汽蝕點(diǎn)時(shí)，不同測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)強(qiáng)度都會(huì)明顯增大.Ni Yongyan等[34]利用振動(dòng)信號(hào)對(duì)離心泵內(nèi)汽蝕進(jìn)行了診斷，研究表明汽蝕時(shí)在葉片通過頻率兩側(cè)出現(xiàn)邊頻帶.薛延剛等[35]將HHT變換方法引入到水輪空化信號(hào)特征提取中，針對(duì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解在低頻部分容易產(chǎn)生虛假本征模分量的問題，對(duì)HHT方法進(jìn)行了改進(jìn)，利用水輪機(jī)軸系的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了檢驗(yàn)，研究表明改進(jìn)的HHT方法能夠有效地識(shí)別虛假的本征模分量，具有結(jié)果穩(wěn)定、偏差小的優(yōu)點(diǎn)，更加適合分析復(fù)雜的水輪機(jī)動(dòng)態(tài)特征信息.

此外，振動(dòng)信號(hào)還被廣泛應(yīng)用于其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷和預(yù)測(cè)中，張超[36]通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，對(duì)軸承和齒輪的故障進(jìn)行了診斷研究；李敏通[37]通過提取振動(dòng)信號(hào)的特征，對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行了故障診斷研究；周云龍等[38-39]利用振動(dòng)信號(hào)開展了離心泵的故障診斷研究.

諸多學(xué)者的研究都表明，汽蝕會(huì)導(dǎo)致流體機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的特征發(fā)生明顯變化，可以利用振動(dòng)信號(hào)對(duì)流體機(jī)械的空化進(jìn)行檢測(cè)和診斷.因此，在開展流體機(jī)械汽蝕故障的實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，對(duì)振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)必不可少.

3基于噪聲信號(hào)的檢測(cè)

空化會(huì)除了會(huì)導(dǎo)致流體機(jī)械產(chǎn)生劇烈振動(dòng)外，還會(huì)產(chǎn)生明顯的噪聲，很多學(xué)者通過監(jiān)測(cè)噪聲信號(hào)對(duì)流體機(jī)械的空化進(jìn)行研究.

M.Cudina[40]利用噪聲信號(hào)對(duì)離心泵的汽蝕初生和發(fā)展進(jìn)行了研究，其認(rèn)為噪聲可用于汽蝕初生及發(fā)展的檢測(cè).郭柯等[41]對(duì)離心泵的空化超聲信號(hào)進(jìn)行了頻譜分析，得出了頻譜特征隨空化發(fā)展的變化規(guī)律.劉進(jìn)等[42]利用水聽器采集噪聲信號(hào)，以強(qiáng)度、脈沖和頻率結(jié)構(gòu)為特征向量，利用支持向量機(jī)方法開展了離心泵空化程度的識(shí)別研究，認(rèn)為該方法在不同程度的背景噪聲下對(duì)離心泵的空化程度均有較高的識(shí)別準(zhǔn)確率.胡芳芳[43]利用水聽器監(jiān)測(cè)混流泵汽蝕時(shí)入口的噪聲信號(hào)，研究發(fā)現(xiàn)混流泵汽蝕時(shí)入口噪聲先增大后減小.其認(rèn)為入口處的低頻帶輻射噪聲可用于監(jiān)測(cè)混流泵汽蝕的發(fā)生.

王佳俊等[44]對(duì)水輪機(jī)的空化噪聲信號(hào)進(jìn)行了分析，通過繪制模極大值線去統(tǒng)計(jì)空化噪聲信號(hào)中的主要振幅突變點(diǎn)的數(shù)量，從而判斷空化的發(fā)展程度.史會(huì)軒等[45]利用小波包頻帶分析技術(shù)對(duì)水輪機(jī)的空化特性進(jìn)行了研究，得出了水輪機(jī)空化超聲信號(hào)的時(shí)域幅值調(diào)制和頻域能量分布與空化系數(shù)的關(guān)系.薛彥剛等[46]運(yùn)用HHT變化方法對(duì)水輪機(jī)的空化噪聲信號(hào)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)HHT方法比小波方法有效，能夠提高水輪機(jī)故障識(shí)別率.劉源等[47]將小波熵方法引入文德里管空蝕設(shè)備的空化噪聲分析中，利用小波熵去檢測(cè)空化初生和空化狀態(tài)的變化.張婷婷等[48]對(duì)激光誘導(dǎo)的單空泡破滅噪聲進(jìn)行了檢測(cè)，運(yùn)用小波變換和傅里葉變換分析了破滅噪聲的頻譜特性.

螺旋槳的空化噪聲會(huì)降低艦艇的隱身性能.因此也有很多學(xué)者對(duì)螺旋槳的空化噪聲進(jìn)行了檢測(cè)和識(shí)別研究.劉竹青等[49]基于螺旋槳空化噪聲的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)空化噪聲的時(shí)域和頻域特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)空化會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的聲脈沖信號(hào)，隨著空化的發(fā)展，聲脈沖的個(gè)數(shù)和幅值都逐漸增加；空化初生時(shí)，高頻段的頻譜升高，隨著空化的發(fā)展，聲壓譜升高向低頻方向移動(dòng).車永剛等[50]通過統(tǒng)計(jì)求解空化噪聲的平均功率譜，對(duì)艦船航行時(shí)螺旋槳的噪聲進(jìn)行了研究.馮源等[51]研究了船舶螺旋槳在加減速時(shí)的空化噪聲的調(diào)制特性，并運(yùn)用基于Hough變換和二值化的DEMON譜方法進(jìn)行分析.陳奕宏等[52]對(duì)螺旋槳空化噪聲和非空化噪聲進(jìn)行了小波分解，分析了不同工況時(shí)螺旋槳噪聲的變化規(guī)律.任安民等[53]對(duì)艦艇空化調(diào)制信號(hào)進(jìn)行了檢測(cè)研究，其認(rèn)為相關(guān)降噪技術(shù)與EMD變換和Hilbert變換相結(jié)合能夠顯著提升強(qiáng)背景噪聲下螺旋槳空化調(diào)制特征檢測(cè)的效果.然而，艦艇的空化噪聲信號(hào)的采集受到多方面因素的影響，如海洋背景噪聲、機(jī)械振動(dòng)噪聲、流噪聲等，很難將空化噪聲與這些噪聲區(qū)分開.

以上分析表明，在水輪機(jī)、水泵、螺旋槳等流體機(jī)械的空化的識(shí)別和檢測(cè)中都利用了噪聲信號(hào).由此可知，噪聲信號(hào)在流體機(jī)械空化的檢測(cè)和識(shí)別中已得到了廣泛的應(yīng)用，并且取得了良好的效果.

4基于聲發(fā)射信號(hào)的檢測(cè)

除了壓力脈動(dòng)信號(hào)、振動(dòng)信號(hào)和噪聲信號(hào)之外，很多學(xué)者利用聲發(fā)射信號(hào)對(duì)流體機(jī)械的空化進(jìn)行研究.聲發(fā)射傳感器是基于晶體的壓力效應(yīng)，將聲發(fā)射波所引起的被檢測(cè)元件表面的振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的設(shè)備.

劉忠等[54-55]利用LabVIEW設(shè)計(jì)了一套離心泵空化聲發(fā)射信號(hào)的采集系統(tǒng)，利用小波分析方法提取了離心泵空化時(shí)聲發(fā)射信號(hào)在不同頻帶的能量特征，研究了該能量特征與汽蝕余量的關(guān)系，其發(fā)現(xiàn)31.25～62.5，62.5～125，125～250 kHz等3個(gè)頻帶的能量隨空化狀態(tài)改變而明顯變化.謝志聰?shù)萚56-57]分析了水泵聲發(fā)射信號(hào)波形頻譜特征和振鈴計(jì)數(shù)、信號(hào)能量、頻率中心等參數(shù)特征與空化狀態(tài)的關(guān)系，其認(rèn)為振鈴計(jì)數(shù)和信號(hào)能量隨空化狀態(tài)的變化更為強(qiáng)烈.沈再陽等[58]提出了基于全極點(diǎn)線性預(yù)測(cè)編碼模型的共振峰分析方法，運(yùn)用該方法對(duì)19 kHz超聲作用下的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)共振峰分析方法比傅里葉分析方法更能從超聲空化的聲發(fā)射信號(hào)中提取出關(guān)鍵的時(shí)頻信息.李靜等[59]利用小波包變換對(duì)水輪機(jī)空化聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析，利用特征頻帶的能量和關(guān)聯(lián)維數(shù)對(duì)不同的空化程度進(jìn)行識(shí)別.L.Alfayez[60]認(rèn)為聲發(fā)射方法可以用于早期監(jiān)測(cè)汽蝕初生的情況，但不適用于預(yù)測(cè)完全發(fā)展的汽蝕.C.Tine等[61]利用高頻壓力傳感器、聲發(fā)射傳感器和振動(dòng)傳感器，對(duì)一型處于水泵模式的抽水蓄能水力機(jī)械實(shí)體的空化進(jìn)行了檢測(cè)研究，其認(rèn)為聲發(fā)射傳感器是該項(xiàng)研究中最合適的傳感器.

然而，基于聲發(fā)射信號(hào)的空化檢測(cè)存在以下問題：(1)聲發(fā)射信號(hào)的頻率分布與材料和構(gòu)件的特性有關(guān)，聲發(fā)射信號(hào)容易受到低頻機(jī)械噪聲的干擾；(2)聲發(fā)射信號(hào)的頻帶非常高，對(duì)信號(hào)采集系統(tǒng)的采樣頻率等要求特別高，并且高頻信號(hào)容易衰減.因此，當(dāng)前利用聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行空化檢測(cè)研究的學(xué)者還不是特別多.

5基于多種信號(hào)的檢測(cè)

由于空化引起的壓力脈動(dòng)、振動(dòng)和噪聲等息息相關(guān)，因此在對(duì)流體機(jī)械的空化進(jìn)行研究時(shí)，通常都會(huì)同時(shí)采集多種信號(hào)，利用多種信號(hào)的特征對(duì)空化進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別，如前文提到過的李曉俊、王勇、C.Tine和胡芳芳等.

文獻(xiàn)[6-7]利用高頻壓力傳感器、水聽器、加速度傳感器和電流互感器，同時(shí)采集了壓力脈動(dòng)信號(hào)、噪聲信號(hào)、振動(dòng)信號(hào)和電機(jī)定子電流信號(hào)，但他只對(duì)壓力脈動(dòng)信號(hào)和電機(jī)定子電流信號(hào)進(jìn)行了分析.王勇則利用水聽器、加速度傳感器和高頻壓力傳感器，同時(shí)采集了噪聲信號(hào)、振動(dòng)信號(hào)和壓力脈動(dòng)信號(hào)，并對(duì)空化誘導(dǎo)的噪聲信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)的特征進(jìn)行了分析.文獻(xiàn)[43]同時(shí)采集了混流泵空化時(shí)進(jìn)口處的水聲信號(hào)和不同位置處的振動(dòng)信號(hào)，并對(duì)振動(dòng)信號(hào)和噪聲信號(hào)的特征進(jìn)行了分析.然而，上述幾項(xiàng)研究都只是分析了信號(hào)的特征，并未對(duì)空化進(jìn)行識(shí)別和檢測(cè)研究.

P.Gruber等[62-63]認(rèn)為空化探測(cè)的最終目標(biāo)是為了區(qū)分危險(xiǎn)空化和非危險(xiǎn)空化，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要綜合利用工況信息、振動(dòng)信息、聲發(fā)射信息和動(dòng)態(tài)壓力信息.段向陽、蘇永生等[64-65]采集了實(shí)船噴水推進(jìn)泵的進(jìn)口水聲信號(hào)和泵殼振動(dòng)信號(hào)，通過求取信號(hào)的高階導(dǎo)數(shù)，段向陽利用水聲信號(hào)在8～25 kHz頻段上二階導(dǎo)數(shù)的峰值序列和振動(dòng)信號(hào)在3～12 kHz頻段上二階導(dǎo)數(shù)的峰值序列為基礎(chǔ)構(gòu)造特征集，進(jìn)行了噴水推進(jìn)泵三種空化狀態(tài)的分類識(shí)別，蘇永生則利用最小二乘支持向量基方法對(duì)噴水推進(jìn)泵的六種空化狀態(tài)進(jìn)行了分類識(shí)別.此外，蘇永生等還利用奇異值分解提取了噴水推進(jìn)泵水聲信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)的特征，利用BP網(wǎng)絡(luò)和RBF網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了空化的分類識(shí)別，其研究表明，結(jié)合水聲特征和振動(dòng)特征后識(shí)別效果明顯提高，并且能夠識(shí)別空化初生的微弱特征[66].然而，上述研究只是結(jié)合了兩種信號(hào)，并且識(shí)別效果還有待檢驗(yàn)和提高.

由于流體機(jī)械的空化信號(hào)本身特征不是很明顯，在采集過程中還會(huì)受到多方面因素的影響和干擾，僅利用一種信號(hào)通常難以有效檢測(cè)，因此，非常有必要聯(lián)合利用多種信號(hào)的特征進(jìn)行空化的識(shí)別和檢測(cè)，這將是未來研究的發(fā)展的方向.

6其他檢測(cè)方法

6.1高速攝影方法

利用高速攝影技術(shù)，能夠有效觀地測(cè)到流體機(jī)械內(nèi)部空化的發(fā)生和發(fā)展，能夠?yàn)槠渌O(jiān)測(cè)方法提供驗(yàn)證，當(dāng)前已有不少研究采用了高速攝影技術(shù)對(duì)空化進(jìn)行識(shí)別，如前文提到過的高波等.

張德勝等[67-68]利用高速攝影技術(shù)對(duì)不同流量時(shí)軸流泵葉頂區(qū)的空化流場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，并結(jié)合數(shù)值模擬方法對(duì)軸流泵內(nèi)部空化的發(fā)生和發(fā)展進(jìn)行了研究.楊勇等[69]利用高速攝像機(jī)對(duì)螺旋槳空泡進(jìn)行了觀測(cè)，并對(duì)螺旋槳空化和非空化時(shí)的空化噪聲和機(jī)械振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量和分析，研究了空化噪聲的頻率特征.

高速攝影技術(shù)雖然能夠提高可靠的觀測(cè)結(jié)果，但是，進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)需要高速攝像機(jī)和專用的可觀測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)難度大、費(fèi)用高，并且只能在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，其采集的信號(hào)非常有局限性，在生產(chǎn)實(shí)際中很難適用.

6.2超聲波和X光探測(cè)

由于很多流體機(jī)械部件不透明，無法用肉眼或者高速攝像直接對(duì)機(jī)械內(nèi)部的空化情況進(jìn)行觀測(cè)，為了探測(cè)流體機(jī)械內(nèi)部的空化情況，部分學(xué)者運(yùn)用超聲波和X光技術(shù)對(duì)流體機(jī)械內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行了探測(cè)研究.流體機(jī)械空化的超聲波探測(cè)和X光探測(cè)的原理相近，都是在流體機(jī)械的一側(cè)安裝信號(hào)發(fā)射器，在另一側(cè)安裝信號(hào)接收裝置，讓超聲波和X光信號(hào)穿過流體區(qū)域，通過對(duì)接收信號(hào)的分析，去判斷流體機(jī)械內(nèi)部是否發(fā)生空化和空化程度.

P.Gruber等[70]運(yùn)用超聲波信號(hào)，對(duì)單個(gè)聲空泡流場(chǎng)、NACA水翼空化流場(chǎng)以及混流式水輪機(jī)的空化流場(chǎng)進(jìn)行了探測(cè)，發(fā)現(xiàn)回收信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差隨著空泡數(shù)的增多而增大，當(dāng)流場(chǎng)中只有少量的空泡時(shí)，絕大多數(shù)發(fā)射信號(hào)都不受影響；另外，該研究還發(fā)現(xiàn)，氣泡對(duì)回收信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差的影響遠(yuǎn)大于空泡，其認(rèn)為這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)有助于區(qū)別空泡和氣泡.陳笑然等[71]利用超聲波對(duì)空化區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，通過對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)的解調(diào)，得到流場(chǎng)的空化信息，并利用超聲波主動(dòng)探測(cè)和高速攝影技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)螺旋槳的空化進(jìn)行了主動(dòng)超聲監(jiān)測(cè)研究.

B.Stutz等[72]利用X光對(duì)文丘里管的空化云進(jìn)行了探測(cè)，對(duì)流速和空化區(qū)域的大小對(duì)空泡分?jǐn)?shù)的時(shí)空分布的影響進(jìn)行了研究.S.Duplaa等[73]利用X光圖像對(duì)離心泵快速啟動(dòng)時(shí)的空化進(jìn)行了研究，其在離心泵高度方向布置了3組X光探測(cè)設(shè)備，通過對(duì)葉輪的初始位置進(jìn)多次測(cè)量來消除測(cè)量誤差，其研究表明X光探測(cè)有助于確定泵內(nèi)的流體密度和空化情況.

上述分析表明，超聲波和X光探測(cè)技術(shù)能夠穿透流體機(jī)械不透明的固體表面，能夠在一定程度探測(cè)到流體機(jī)械的空化流場(chǎng)，然而，這兩種技術(shù)都需要復(fù)雜的設(shè)備，具有很大的局限性，在實(shí)際復(fù)雜情況下很難適用.

7結(jié)論

1) 本文的分析表明，當(dāng)前對(duì)于流體機(jī)械空化流場(chǎng)的檢測(cè)方法可以分為2類：第一類是基于傳感器信號(hào)的檢測(cè)方法；另一類方法是利用特定的實(shí)驗(yàn)設(shè)備去檢測(cè)流場(chǎng)的空化情況.

2) 基于傳感器信號(hào)的檢測(cè)方法，主要是利用傳感器和信號(hào)采集系統(tǒng)采集流體機(jī)械所發(fā)出的信號(hào)，通過分析信號(hào)的特征，去判斷內(nèi)流場(chǎng)的空化情況.這類方法利用的信號(hào)主要有：高頻壓力脈動(dòng)信號(hào)、振動(dòng)信號(hào)、噪聲信號(hào)和聲發(fā)射信號(hào)，這類方法目前已被廣泛應(yīng)用，并取得了一定的檢測(cè)效果.

3) 基于傳感器信號(hào)的檢測(cè)方法，也存在很多問題，如傳感器的精度、響應(yīng)時(shí)間和頻響特性等，采集系統(tǒng)的采樣頻率、采樣時(shí)間和電流干擾等，以上這些因素都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)采集的信號(hào)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致采集的信號(hào)失真.為了能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)流體機(jī)械內(nèi)部的空化情況，應(yīng)建立完備的、高精度的信號(hào)采集系統(tǒng)，并消除噪聲的干擾.

4) 高速攝影方法、超聲波探測(cè)方法和X光探測(cè)方法等，都是利用特定的實(shí)驗(yàn)設(shè)備去觀測(cè)流場(chǎng)的空化情況.高速攝影方法需要高速攝像機(jī)和可以觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如外殼透明的水泵，而超聲波和X光可穿透流體機(jī)械的外殼，利用超聲波和X光對(duì)流體機(jī)械內(nèi)部的空化進(jìn)行探測(cè)，需要超聲波和X光的發(fā)射和接收裝置，通過分析回收信號(hào)的特征去判斷流場(chǎng)的空化情況.由于這類方法需要特定的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)復(fù)雜、費(fèi)用高、難度大，目前對(duì)這類方法的研究和應(yīng)用還較少.

5) 壓力脈動(dòng)信號(hào)、振動(dòng)信號(hào)、噪聲信號(hào)和聲發(fā)射信號(hào)在進(jìn)行流體機(jī)械空化檢測(cè)時(shí)被廣泛利用，很多研究都基于這四種信號(hào)，并取得了一定的效果.然而，大多數(shù)研究都只采集了其中的一種或幾種信號(hào)，只對(duì)部分信號(hào)的特征進(jìn)行了分析，并且很多研究所提取的空化信號(hào)特征不明顯，無法準(zhǔn)確檢測(cè)和識(shí)別流體機(jī)械內(nèi)部的空化情況.因此，同步采集壓力脈動(dòng)、振動(dòng)、噪聲、聲發(fā)射等多種信號(hào)，分析多種信號(hào)的特征，利用多種信號(hào)的特征進(jìn)行空化的檢測(cè)和識(shí)別，將是流體機(jī)械空化檢測(cè)下一步的研究方向.

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Research Progress of Cavitation Detection of Fluid Machinery

MING Tingfeng1)CAO Yuliang1)HE Guo2)SU Yongsheng1)

(CollegeofMarinePowerEngineering,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China)1)

(DepartmentofManagementScience,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China)2)

Abstract：In order to understand the research progress of the cavitation detection of fluid machinery, this paper summarizes and classifies the relevant Chinese and oversea studies. Analysis of the paper demonstrates that the methods of the cavitation detection of fluid machinery could be classified into two groups. The first group of methods for cavitation detection is based on the sensor signals. Another group of methods is to use specific devices to detect cavitation, such as, high-speed photography method, ultrasonic signal detection method and X-ray detection method. The detection methods based on sensor signal are mainly introduced in this paper including pressure fluctuation signal, vibration signal, noise signal and acoustic emission signal which are widely used in the cavitation detection of fluid machinery. Many studies have been carried out based on one or several of the four kinds of signals, and achieved some results. Using several kinds of signals to detect cavitation helps to improve the effect of the cavitation detection, and will be the future research direction of the cavitation detection.

Key words：fluid machinery; cavitation detection; research progress; pressure fluctuation signal; vibration signal; noise signal; acoustic emission signal

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.02.005

中圖法分類號(hào)：U664.33

收稿日期：2016-02-14

明廷鋒(1975- )：男，博士，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)檩啓C(jī)工程

*國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51306205)、湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015CFB700)資助