一种螺旋桨侧向激励力测量方法与流程

1.本发明涉及螺旋桨水动力测量方法技术领域，尤其是一种螺旋桨侧向激励力测量方法。


背景技术：

2.由于来流的不均匀性，螺旋桨推进器在旋转过程中会产生激励力。螺旋桨所产生的激励力不仅直接辐射低频噪声，而且还会通过轴系传递到艇体引起艇体尾部耦合振动而发声，严重影响到了潜艇的声隐身性能。
3.目前，现有技术中在模型试验方面主要关注研究的是螺旋桨轴向激励力，而对于螺旋桨侧向激励力的研究主要是通过数值计算来获取，还没有有效的试验测量方法来实现对螺旋桨侧向激励力的测量。


技术实现要素：

4.本技术人针对上述现有生产技术中的不足，提供一种螺旋桨侧向激励力测量方法，从而可以有效的解决螺旋桨侧向激励力的问题，并有效的评估螺旋桨侧向线谱激励力。
5.本发明所采用的技术方案如下：
6.一种螺旋桨侧向激励力测量方法，包括如下操作步骤：
7.s1：测量系统的标定；
8.s1.1：将与测试螺旋桨质量相同的质量块固定在三分量测力传感器的端面；
9.s1.2：将灵敏度系数已知的标准压电式单分量测力传感器粘接在质量块的外表面，并通过柔性连杆与激振机连接，通过扫频标定的方式得到三分量测力传感器x向和y向的灵敏度系数k
x
、ky以及系统的侧向测量频率ω，k
x
＝kv/v
x
，ky＝kv/vy；其中k为标准单分力压电传感器灵敏度系数，v为标准单分量测力传感器输出电压，v
x
为三分量测力传感器x向电压输出，vy为三分量测力传感器y向电压输出；
10.s2：信号同步采集；
11.测试时，将质量块替换为测试螺旋桨，螺旋桨转动时三分量压电传感器侧向输出电压信号v
x
、vy，动力仪内部增量式编码器同步输出a相脉冲信号以及z相零位脉冲信号；将电压信号低通滤波处理后通过公式f
x
＝k
xvx
，fy＝k
yvy
可得到传感器在转动坐标系xoy下的动态力信号；
12.s3：等相位重新采样；
13.以编码器z相零位脉冲信号作为起始，以a相脉冲信号为采样点对动态力信号f
x
、fy进行等相位重新采样，得到完整周期内不同相位角βi下动态力信号f
x1
、f
y1
；
14.s4：坐标变换；
15.将等相位重新采样后得到的动态力信号f
x1
、f
y1
通过如下公式转化可得到固定坐标系下动态力信号f
x2
、f
y2
；
16.f
y2
＝f
y1
cos(α+βi)-f
x1
sin(α+βi)
17.f
x2
＝f
y1
sin(α+βi)+f
x1
cos(α+βi)
18.s5：傅里叶变化；
19.将f
x2
、f
y2
时域信号进行傅里叶变换即可得到螺旋桨旋转过程中侧向线谱激励力。
20.其进一步技术方案在于：
21.所述测量系统的结构为：包括转动动力仪，所述转动动力仪的旋转轴轴端固定安装有三分量测力传感器，三分量测力传感器的端面固定有与测试螺旋桨质量相同的质量块，质量块外表面粘接有单分量测力传感器，单分量测力传感器通过柔性连杆与激振机连接。
22.所述质量块的外表面预留有正交平面，正交平面分别与坐标轴x和y轴平行。
23.所述单分量测力传感器的安装位置与x轴或y轴平行的平面上。
24.所述质量块呈圆台形结构。
25.s3中，为了得到固定坐标系x1oy1上动态力信号，需要以编码器z相零位脉冲信号作为起始，以a相脉冲信号为采样点对动态力信号f
x
、fy进行等相位重新采样，每个脉冲信号对应传感器信号采样1次，得到完整周期内不同相位角βi下传感器动态力信号f
x1
、f
y1
；相位角βi是基于编码器z相零位脉冲信号而言的，与固定坐标系x1oy1存在相位差α；当三分量测力传感器转动坐标系xoy与固定坐标系x1oy1重合时，传感器y向信号最小，因此相位差α可表述为传感器y向信号最小时对应a相脉冲与z相零位脉冲信号之间的相位差，即α＝n
×
360/n，n为传感器y向信号最小时对应a相脉冲与z项零位脉冲信号之间的脉冲间隔数。相位角βi＝i
×
360/n，i为z相零位脉冲信号与对应a相采样点脉冲之间的脉冲间隔数。
26.s4中，螺旋桨顺时针旋转方向为正方向。
27.本发明的有益效果如下：
28.本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过等相位重新采样的形式将传感器在转动坐标系xoy下测得的动态力信号转换为固定坐标系x1oy1的螺旋桨侧向激励力信号，可以有效的评估螺旋桨侧向线谱激励力。主要步骤包括测量系统标定、信号同步采集、等相位重新采样、坐标变换、傅里叶变化。整体设计流程清晰、操作明确，工程实用价值大。
附图说明
29.图1为本发明的结构示意图。
30.图2为本发明传感器输出信号与编码器同步脉冲信号时序图。
31.图3为本发明传感器转动坐标系xoy与固定坐标系x1oy1之间的相位差图。
32.其中：1、激振机；2、质量块；3、三分量测力传感器；4、动力仪；5、单分力压电传感器。
具体实施方式
33.下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
34.本发明的详细工作过程如下：
35.如图1所示，三分量测力传感器3固定在动力仪4旋转轴轴端，转动动力仪4旋转轴使得三分量测力传感器转动坐标系xoy与固定坐标系x1oy1重合，然后锁死旋转轴。螺旋桨侧向力对应于三分量测力传感器3的xy平面内的力。
36.由于测试桨叶质量对测试系统测量频率有较大影响，因此测试系统标定时需要将与测试螺旋桨质量相同的质量块2固定在三分量压电传感器3端面，此时质量块2外表面上预留的正交平面分别与坐标轴x或者y轴平行。减少标定时因为力与三分量测力传感器主轴方向的角度偏差造成的干扰。
37.将灵敏度系数已知的标准单分力压电传感器5粘接在质量块2外表面与x轴平行的平面上，并通过柔性连杆与激振机1连接，通过扫频标定得到测量频率ωy下三分量压电测力传感器y向灵敏度系数ky，ky＝kv/vy，其中k为标准单分力压电传感器灵敏度系数，v为标准单分力压电传感器输出电压，vy为三分量压电传感器y向电压输出。
38.将灵敏度系数已知的标准单分力压电传感器5粘接在质量块2外表面与y轴平行的平面上，并通过柔性连杆与激振机1连接，通过扫频标定得到测量频率ω
x
下三分量测力传感器y向灵敏度系数k
x
，k
x
＝kv/v
x
，其中k为标准单分量测力传感器灵敏度系数，v为标准单分量测力传感器输出电压，v
x
为三分量测力传感器y向电压输出。
39.试验时，撤掉激振机1和标准传感器5，并将质量块2替换为测试螺旋桨。启动动力仪旋转轴到指定转速，同步采集三分量测力传感器侧向输出电压信号v
x
、vy、动力仪内部增量式编码器a相脉冲信号(一圈输出n个脉冲)以及z相零位脉冲信号(一圈输出1个脉冲)。将电压信号进行低通滤波处理，然后通过公式f
x
＝k
xvx
，fy＝k
yvy
得到传感器在转动坐标系xoy下的动态力信号。
40.如图2所示，为了得到固定坐标系x1oy1上动态力信号，需要以编码器z相零位脉冲信号作为起始，以a相脉冲信号为采样点对动态力信号f
x
、fy进行等相位重新采样，每个脉冲信号对应传感器信号采样1次，得到完整周期内不同相位角βi下传感器动态力信号f
x1
、f
y1
。相位角βi是基于编码器z相零位脉冲信号而言的，与固定坐标系x1oy1存在相位差α。当三分量测力传感器转动坐标系xoy与固定坐标系x1oy1重合时，传感器y向信号最小，因此相位差α可表述为传感器y向信号最小时对应a相脉冲与z相零位脉冲信号之间的相位差，即α＝n
×
360/n，n为传感器y向信号最小时对应a相脉冲与z项零位脉冲信号之间的脉冲间隔数。相位角βi＝i
×
360/n，i为z相零位脉冲信号与对应a相采样点脉冲之间的脉冲间隔数。
41.如图3所示，以螺旋桨顺时针旋转为正方向，通过如下公式将等相位采样后的动态力信号f
x1
、f
y1
转化为固定坐标系下动态力信号f
x2
、f
y2
。
42.f
y2
＝f
y1
cos(α+βi)-f
x1
sin(α+βi)
43.f
x2
＝f
y1
sin(α+βi)+f
x1
cos(α+βi)
44.将f
x2
、f
y2
时域信号进行傅里叶变换即可得到螺旋桨旋转过程中侧向线谱激励力。
45.以上描述是对本发明方法的解释，不是对发明的限定，本发明方法所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改，比如更改压电式测力传感器的安装角度、将压电式测力传感器替换为应变式测力传感器等。

技术特征：
1.一种螺旋桨侧向激励力测量方法，其特征在于：包括如下操作步骤：s1：测量系统的标定；s1.1：将与测试螺旋桨质量相同的质量块(2)固定在三分量测力传感器(3)的端面；s1.2：将灵敏度系数已知的标准压电式单分量测力传感器(5)粘接在质量块(2)的外表面，并通过柔性连杆与激振机(1)连接，通过扫频标定的方式得到三分量测力传感器(3)x向和y向的灵敏度系数k
x
、k
y
以及系统的侧向测量频率ω，k
x
＝kv/v
x
，k
y
＝kv/v
y
；其中k为标准单分力压电传感器灵敏度系数，v为标准单分量测力传感器输出电压，v
x
为三分量测力传感器x向电压输出，v
y
为三分量测力传感器y向电压输出；s2：信号同步采集；测试时，将质量块(2)替换为测试螺旋桨，螺旋桨转动时三分量压电传感器(3)侧向输出电压信号v
x
、v
y
，动力仪(4)内部增量式编码器同步输出a相脉冲信号以及z相零位脉冲信号；将电压信号低通滤波处理后通过公式f
x
＝k
xvx
，f
y
＝k
yvy
可得到传感器在转动坐标系xoy下的动态力信号；s3：等相位重新采样；以编码器z相零位脉冲信号作为起始，以a相脉冲信号为采样点对动态力信号f
x
、f
y
进行等相位重新采样，得到完整周期内不同相位角β
i
下动态力信号f
x1
、f
y1
；s4：坐标变换；将等相位重新采样后得到的动态力信号f
x1
、f
y1
通过如下公式转化可得到固定坐标系下动态力信号f
x2
、f
y2
；f
y2
＝f
y1
cos(α+β
i
)-f
x1
sin(α+β
i
)f
x2
＝f
y1
sin(α+β
i
)+f
x1
cos(α+β
i
)s5：傅里叶变化；将f
x2
、f
y2
时域信号进行傅里叶变换即可得到螺旋桨旋转过程中侧向线谱激励力。2.如权利要求1所述的一种螺旋桨侧向激励力测量方法，其特征在于：所述测量系统的结构为：包括转动动力仪(4)，所述转动动力仪(4)的旋转轴轴端固定安装有三分量测力传感器(3)，三分量测力传感器(3)的端面固定有与测试螺旋桨质量相同的质量块(2)，质量块(2)外表面粘接有单分量测力传感器(5)，单分量测力传感器(5)通过柔性连杆与激振机(1)连接。3.如权利要求2所述的一种螺旋桨侧向激励力测量方法，其特征在于：所述质量块(2)的外表面预留有正交平面，正交平面分别与坐标轴x和y轴平行。4.如权利要求3所述的一种螺旋桨侧向激励力测量方法，其特征在于：所述单分量测力传感器(5)的安装位置与x轴或y轴平行的平面上。5.如权利要求2所述的一种螺旋桨侧向激励力测量方法，其特征在于：所述质量块(2)呈圆台形结构。6.如权利要求1所述的一种螺旋桨侧向激励力测量方法，其特征在于：s3中，为了得到固定坐标系x1oy1上动态力信号，需要以编码器z相零位脉冲信号作为起始，以a相脉冲信号为采样点对动态力信号f
x
、f
y
进行等相位重新采样，每个脉冲信号对应传感器信号采样1次，得到完整周期内不同相位角β
i
下传感器动态力信号f
x1
、f
y1
；相位角β
i
是基于编码器z相零位脉冲信号而言的，与固定坐标系x1oy1存在相位差α；当三分量测力传感器转动坐标系xoy与
固定坐标系x1oy1重合时，传感器y向信号最小，因此相位差α可表述为传感器y向信号最小时对应a相脉冲与z相零位脉冲信号之间的相位差，即α＝n
×
360/n，n为传感器y向信号最小时对应a相脉冲与z项零位脉冲信号之间的脉冲间隔数。相位角β
i
＝i
×
360/n，i为z相零位脉冲信号与对应a相采样点脉冲之间的脉冲间隔数。7.如权利要求1所述的一种螺旋桨侧向激励力测量方法，其特征在于：s4中，螺旋桨顺时针旋转方向为正方向。

技术总结
本发明涉及螺旋桨水动力测量方法技术领域，尤其是一种螺旋桨侧向激励力测量方法，通过等相位重新采样的形式将传感器在转动坐标系XOY下测得的动态力信号转换为固定坐标系X1OY1的螺旋桨侧向激励力信号，可以有效的评估螺旋桨侧向线谱激励力。主要步骤包括测试系统标定、信号同步采集、等相位重新采样、坐标变换、傅里叶变化。本发明方法设计流程清晰、操作明确，工程实用价值大。工程实用价值大。工程实用价值大。


技术研发人员：芮伟 陆林章 张国平 杜欣明
受保护的技术使用者：中国船舶科学研究中心
技术研发日：2023.07.20
技术公布日：2023/10/11