基于脉动压力相关函数的空腔模态波运动特征确定方法

摘要

本发明公开了一种基于脉动压力相关函数的空腔模态波运动特征确定方法，包括如下步骤：步骤一、利用空腔底面脉动压力测点的时域脉动压力数据，绘制自相关和互相关函数曲线；步骤二、利用自相关函数曲线计算主模态波频率；步骤三、利用互相关函数曲线确定模态波的传播方向和速度。与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明利用空腔底面脉动压力测点的时域数据，计算自相关和互相关函数，通过曲线峰值的周期性和相位变化，分析模态波的频率特性、传播速度和方向，有效地弥补了传统频谱分析方法在时域上的不足。

权利要求

1.一种基于脉动压力相关函数的空腔模态波运动特征确定方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、利用空腔底面脉动压力测点的同步时域脉动压力数据，绘制自相关函数曲线和互相关函数曲线；

步骤二、利用自相关函数曲线计算主模态波频率：

(1)从脉动压力自相关函数曲线中获取其周期性峰值的横坐标；

(2)计算相邻两峰值的横坐标之差，得到两次连续的主模态波经过测点的时间间隔；

(3)计算该时间间隔的倒数，得到主模态波的频率；

步骤三、利用互相关函数曲线确定模态波的传播方向和速度。

2.根据权利要求1所述的基于脉动压力相关函数的空腔模态波运动特征确定方法，其特征在于：步骤一所述绘制脉动压力自相关函数曲线和互相关函数曲线的方法为：(1)通过MatLab软件读取同一试验状态条件下获得的空腔底面脉动压力测点的同步时域脉动压力数据；

(2)利用MatLab软件函数库中的“xcorr”函数计算两组脉动压力时域数据的相关函数，其中：来源于同一测点的两组相同数据计算得到该测点的自相关函数；来源于不同测点的两组数据计算得到两测点的互相关函数；

(3)通过Matlab软件函数库中的“plot函数”绘制同一测点脉动压力的自相关函数曲线和不同测点脉动压力的互相关函数曲线。

3.根据权利要求2所述的基于脉动压力相关函数的空腔模态波运动特征确定方法，其特征在于：所述两组脉动压力时域数据分别来源于参考测点和待分析测点。

4.根据权利要求1所述的基于脉动压力相关函数的空腔模态波运动特征确定方法，其特征在于：步骤三所述利用互相关函数曲线确定模态波的传播方向和速度的方法为：(1)将参考数据相同的一组相关函数曲线的自相关和互相关函数曲线描绘在同一张图中；

(2)获取各相关函数曲线中最大峰值的横坐标；

(3)根据最大峰值的横坐标位置，从小到大对相关函数曲线的待分析数据的测点进行排序，得到主模态波经过不同测点的顺序；

(4)计算不同曲线最大峰值的横坐标之差，得到主模态波峰值经过不同测点的时间间隔，用测点的空间距离除以该时间间隔得到模态波的运动速度。

说明书

基于脉动压力相关函数的空腔模态波运动特征确定方法

技术领域

[0001] 本发明涉及航空航天领域，具体涉及一种基于脉动压力相关函数的空腔模态波运动特征确定方法。

背景技术

[0002] 当高速气流经过空腔时，腔前缘处流动可能产生较大的分离并在下游形成剪切层，其内部包含多尺度旋涡的生成、发展与脱落。脱落涡与腔后壁碰撞时，会诱发高强度的模态波，并上行传播至腔前缘的流动分离区，激发剪切层内二次涡的生成与脱落，从而使空腔内形成流动自持振荡回路。流动自持振荡回路诱发的高强度噪声对空腔的结构和人员设备都带来了严重的危害，而腔内模态波作为自持振荡回路形成过程中关键因素，其时空相关性和运动特征对深入理解空腔内的流声作用的物理机理具有重要意义。

[0003] 对于腔内模态波的测量，当前主要手段是通过在空腔内壁面安装脉动压力传感器，采集腔内流场中的时域脉动压力信息，并以此分析腔内的噪声特性(国内外均认可通过脉动压力信息获得的腔内噪声载荷和典型频率声波特性)。而所获得的噪声中不仅包含了高强度的模态噪声成分还存在大量的宽频噪声成分，因而从时域信息中提取和分析腔内的模态噪声时,脉动压力的时频域处理和相关性分析成为了问题的重点。

[0004] 传统的研究方法是通过傅里叶变换将时域脉动压力信息转换成频域的噪声频谱信息，在频域范围内通过幅值的变化可以有效分辨的模态成分以及宽频成分，并根据峰值的位置和幅值获取模态噪声的频率和强度。利用这种方法虽然可以精确地获取主模态噪声的特征，并有效捕获其他模态噪声的信息，然而利用傅里叶变换对时域信号进行频域上的转换和分析，主要作用在于对不同频率模态噪声的分辨，却忽略了模态噪声在时间维度上的变化，难以给出噪声特征具体呈现形式的物理分析过程，即模态波在时间维度上的传播速度和指向性等。

[0005] 对于复杂波系结构的捕捉手段，如高速纹影技术，利用光线在流场中传播过程中折射率与流场密度呈正比的原理，通过流场中的密度变化对可压缩流场中激波、压缩波和涡结构等复杂流动结构的运动进行捕捉解析，如文献1(Schmit R F.Fourier Analysis of High Speed Shadowgraph Images around a Mach 1.5Cavity Flow Field.AIAA-2011-3961,2011.)中对空腔周围激波和涡结构的观测结果。然而模态波强度一般要比流场中的强物理量要小很多，在背景流场中运动传播时较难引起流动结构和密度分布出现强的突变，因而难以通过纹影技术获得模态波的观测信息。

发明内容

[0006] 为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种基于脉动压力相关函数的空腔模态波运动特征确定方法。

[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于脉动压力相关函数的空腔模态波运动特征确定方法，包括如下步骤：

[0008] 步骤一、利用空腔底面脉动压力测点的同步时域脉动压力数据，绘制不同测点自相关函数曲线和互相关函数曲线；

[0009] 步骤二、利用自相关函数曲线计算主模态波频率；

[0010] 步骤三、利用互相关函数曲线确定模态波的传播方向和速度。

[0011] 与现有技术相比，本发明的积极效果是：

[0012] 本发明利用空腔底面脉动压力测点的时域数据，计算自相关和互相关函数，通过曲线峰值的周期性和相位变化，分析模态波的频率特性、传播速度和方向，有效地弥补了传统频谱分析方法在时域上的不足。

附图说明

[0013] 本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

[0014] 图1为空腔底面脉动压力测点位置示意图；

[0015] 图2为不同Ma条件下A2测点时域脉动压力自相关函数曲线；

[0016] 图3为不同位置底面测点时域脉动压力互相关函数曲线。

具体实施方式

[0017] 一种基于脉动压力相关函数的空腔模态波运动特征确定方法，包括如下步骤：

[0018] 步骤一、计算相关函数：

[0019] 1、通过MatLab软件读取同一试验状态条件下获得的空腔底面脉动压力测点(如图1所示)的同步时域脉动压力数据。

[0020] 2、利用MatLab软件函数库中的“xcorr”函数计算两组脉动压力时域数据的相关函数，其中第一组来源于参考测点，第二组来源于待分析测点。若待分析测点与参考测点相同，即两者为同一测点，则计算结果为该测点处脉动压力的自相关函数；若两组数据来源于不同测点，则计算结果为参考测点和待分析测点脉动压力的互相关函数。

[0021] 3、通过MatLab软件函数库中的“plot函数”描绘出自相关和互相关函数曲线，分别如图2和图3所示。

[0022] 步骤二、利用脉动压力自相关函数曲线计算主模态波频率：

[0023] 针对某一测点脉动压力的自相关函数曲线，通过其周期性的峰值分布，计算主模态噪声的频率，具体过程如下：

[0024] 1、获取某一测点脉动压力数据自相关函数曲线周期性峰值的横坐标。

[0025] 2、计算相邻两峰值的横坐标之差，该差值代表两次连续的主模态波经过测点的时间间隔。

[0026] 3、计算该时间间隔的倒数，可得主模态波的频率。以图2所示为例，计算结果如下表所示：

[0027]   Ma＝0.9 Ma＝1.5自相关函数峰值间隔 1ms 0.78ms
模态波频率 1000Hz 1280Hz

[0028] 步骤三、利用互相关函数确定模态波的传播方向和速度

[0029] 针对参考数据相同的一组相关函数曲线，可以通过各曲线最大峰值的位置判断主模态波经过测点的顺序和速度。

[0030] 1、对于参考数据相同的一组相关函数曲线，多条曲线描绘在同一张图中，如图3所示，例中A2测点的数据作为参考数据。

[0031] 2、获取各相关函数曲线中最大峰值的横坐标。

[0032] 3、根据最大峰值的横坐标位置，从左到右对相关函数曲线的待分析数据的测点进行排序，可得主模态波经过不同测点的顺序，如图3中顺序为A3-A2-A1。

[0033] 4、计算不同曲线最大峰值的横坐标之差，可得主模态波峰值经过不同测点的时间间隔，用测点的空间距离除以该时间间隔将可以计算模态波在不同区域内的运动速度。以图3所示为例，计算结果如下表所示：

[0034]

[0035]

[0036]

[0037] 本发明的原理为：通过对获得的脉动压力时域数据进行综合处理分析，利用空腔壁面脉动压力的时空相关性分析，获得腔内模态波的运动速度、传播频率以及波面特征。

[0038] 本发明通过在空腔底面脉动压力测点获取的时域信号，分析不同测点的数据之间相关性。脉动压力传感器捕捉的是腔内的噪声信息，而相关函数反映的是两个压力时域数据的一致性。空腔内的声波包含随机的宽频噪声以及周期性的模态噪声，模态噪声中又以主频模态噪声的幅值最为显著。随机噪声对相关函数的结果基本无贡献，而主模态噪声对相关函数的贡献最大，因而相关函数的峰值主要由主频模态噪声产生。

[0039] 由于空腔内的主模态波具有很强的周期性，因而测点上时域脉动压力的自相关函数曲线也存在周期性的峰值，但由于其他模态和宽频成分的干扰，自相关函数曲线只有在横坐标0点时才会出现最大峰值，其他峰值有所降低。通过测量自相关函数曲线中相邻两个峰值间的距离，可以得到相邻两次主模态波峰值的经过测点的时间间隔，从而计算出主模态噪声的频率。

[0040] 不同测点处脉动压力的互相关函数曲线中，曲线的峰值反映了两测点脉动压力信号的最大相似性。由于模态波并不是同时到达两个测点，曲线最大峰值所在的位置并不一定在横坐标0点处，其相位代表了两测点的时域数据达到最大相似性需要偏移的时间，该时间也反映了模态波在不同测点间的传递时的时间消耗以及声波到达不同测点的顺序，结合两测点的空间距离可以计算模态波的传播速度。