蔡腾飞等：基于管道流体信号的自振射流特性检测方法 ·381· 0.20 一强烈空化 4 一强烈空化 0.16 …较弱空化 2 一较弱空化 10 0.12 8 6 0.0 25 30 35 4045 50 55 60 20 25 30 354045. 505560 频率Hz 频率kHz 图5功率谱密度图.()测点3水听器信号：(b)测点2压力信号 Fig.5 Power spectral density:(a)hydrophone signal at point 3:(b)pressure signal at point 2 40kHz左右功率谱密度幅值较高，图5(b)中20~25 起的脉动干扰噪声.从图6(b)局部放大图也可以 kHz功率谱密度幅值较高，且在20~50kHz内存在 看出，2ms内测点1信号自相关近似为一条直线，呈 相对较高的能量分布，与现有研究结果相一致. 低频特征，而测点2信号自相关呈现明显的高频周 此外，在空化作用较弱时（红色部分），由图5可见， 期特征.图6()为两测点信号的互相关分析结果， 高频成分幅值低、衰减快，与强烈空化作用对比明 由图可见，其互相关成分为低频周期信号，波形与测 显，因此认为管道压力信号检测法能够较好地反映 点1高压泵引起的低频压力脉动相一致.从图6 射流的空化作用特性 ()局部放大图也可以看出，两测点的互相关信号 2.3千扰信号 中不存在高频相关成分，而低频压力峰值延迟时间 由上述分析可见，管道流体信号中不仅包含射 为5.5ms,由表2波速a可计算得到两测点间距离 流的高频压力振荡信号和空化引起的空化超声信 为7.975m,与实际工况相一致.压力信号相关分析 号，也包括大量能量较高的低频信号，而高频信号为 结果认为，两测点压力信号低频成分一致，具有相关 有用信息，低频信号主要为干扰噪声.因高频信号 性：但互相关结果不存在高频信号，即高频压力振荡 在传播过程中更容易衰减，所以，有必要采取措施抑 信号与低频干扰信号不相关 制低频噪声干扰，提高管道流体中的高频信号强度. 上述分析表明，自振射流的特征频率与干扰频 对测点1、2进行同步采集，得到管路上不同两 率不相关，因此为了抑制由高压泵产生的低频强信 点的流体压力信号，再对其进行自相关、互相关分 号干扰，对上述压力信号进行高通滤波，信号处理结 析，结果如图6所示 果如图7所示.由图7(a)可看出，滤波后测点1信 由图6(a)可见，测点1、2压力信号的自相关结 号幅值大幅衰减为原来的1/10，而测点2信号仍为 果均包含明显的低频周期信号，此为高压泵柱塞引 高频压力振荡，振幅约为1.5MPa,是测点1的10 10 测点1 -测点2 b 测点1一测点2 人人W 0.4 0.6 0.8 0.001 0.002 时间/ 时间/s e d .0.0055.1.724 八几八八w 0.4 0.02 0.040.06 0.08 0.10 时间/s 时间s 图6压力信号相关分析波形.()自相关波形：(b)局部放大的自相关波形：(c)互相关波形：(d)局部放大的互相关波形 Fig.6 Correlation analysis waveform of the pressure signal:(a)auto-correlation waveform:(b)locally amplified auto-correlation waveform:(c) cross correlation waveform:(d)locally amplified cross correlation waveform蔡腾飞等: 基于管道流体信号的自振射流特性检测方法 图 5 功率谱密度图． ( a) 测点 3 水听器信号; ( b) 测点 2 压力信号 Fig． 5 Power spectral density: ( a) hydrophone signal at point 3; ( b) pressure signal at point 2 40 kHz 左右功率谱密度幅值较高，图5( b) 中20 ～ 25 kHz 功率谱密度幅值较高，且在 20 ～ 50 kHz 内存在 相对较高的能量分布，与现有研究结果相一致［14］． 此外，在空化作用较弱时( 红色部分) ，由图 5 可见， 高频成分幅值低、衰减快，与强烈空化作用对比明 显，因此认为管道压力信号检测法能够较好地反映 射流的空化作用特性． 2. 3 干扰信号 由上述分析可见，管道流体信号中不仅包含射 流的高频压力振荡信号和空化引起的空化超声信 号，也包括大量能量较高的低频信号，而高频信号为 有用信息，低频信号主要为干扰噪声． 因高频信号 在传播过程中更容易衰减，所以，有必要采取措施抑 制低频噪声干扰，提高管道流体中的高频信号强度． 对测点 1、2 进行同步采集，得到管路上不同两 点的流体压力信号，再对其进行自相关、互相关分 析，结果如图 6 所示． 图 6 压力信号相关分析波形． ( a) 自相关波形; ( b) 局部放大的自相关波形; ( c) 互相关波形; ( d) 局部放大的互相关波形 Fig． 6 Correlation analysis waveform of the pressure signal: ( a) auto-correlation waveform; ( b) locally amplified auto-correlation waveform; ( c) cross correlation waveform; ( d) locally amplified cross correlation waveform 由图 6( a) 可见，测点 1、2 压力信号的自相关结 果均包含明显的低频周期信号，此为高压泵柱塞引 起的脉动干扰噪声． 从图 6( b) 局部放大图也可以 看出，2 ms 内测点 1 信号自相关近似为一条直线，呈 低频特征，而测点 2 信号自相关呈现明显的高频周 期特征． 图 6( c) 为两测点信号的互相关分析结果， 由图可见，其互相关成分为低频周期信号，波形与测 点 1 高压泵引起的低频压力脉动相一致． 从图 6 ( d) 局部放大图也可以看出，两测点的互相关信号 中不存在高频相关成分，而低频压力峰值延迟时间 为 5. 5 ms，由表 2 波速 a 可计算得到两测点间距离 为 7. 975 m，与实际工况相一致． 压力信号相关分析 结果认为，两测点压力信号低频成分一致，具有相关 性; 但互相关结果不存在高频信号，即高频压力振荡 信号与低频干扰信号不相关． 上述分析表明，自振射流的特征频率与干扰频 率不相关，因此为了抑制由高压泵产生的低频强信 号干扰，对上述压力信号进行高通滤波，信号处理结 果如图 7 所示． 由图 7( a) 可看出，滤波后测点 1 信 号幅值大幅衰减为原来的 1 /10，而测点 2 信号仍为 高频压力振荡，振幅约为 1. 5 MPa，是测点 1 的 10 · 183 ·