充液管路沿管壁傳遞的振動加速度測試方法研究

范 昕

中國艦船研究設計中心軍事代表室，湖北武漢 430064

充液管路沿管壁傳遞的振動加速度測試方法研究

范 昕

中國艦船研究設計中心軍事代表室，湖北武漢 430064

為了實現充液管路沿管壁傳遞的振動加速度的準確、快速測量，結合歐拉梁理論和殼體理論提出一種改進的測量方法，利用布置在同一截面的4個傳感器，可同時測出沿管路傳遞的縱向波、扭轉波以及分布在兩個相互垂直平面內的彎曲波。通過對一系列具有不同管徑的管路系統的試驗驗證，證實了本文所提方法的正確性。關鍵詞：充液管路；振動加速度；測試方法

1 引 言

隨著國內外對艦船聲隱身技術的不斷重視，在新型艦船中，應用了大量的雙層隔振、減振浮筏、艙筏等減振降噪的裝置，使得艦船機械設備通過主支撐系統傳遞的振動已顯著地降低。但與此同時，以前不太受重視的管路系統引起的振動越來越突出。管路振動已成為影響艦船整體聲隱身性能的重要因素，受到國內外學者的關注［1－5］。

管路系統振動加速度測量，可為管路聲學設計提供驗證依據，同時也是實船管路系統振動噪聲特性和管路聲學工藝措施效果的評價手段，因此管路系統振動加速度測試技術是一項工程測量急需的基礎測試技術。然而，國內尚無管路測量方面的相關標準，給管路振動測試、性能評價帶來很大困難，為此本文結合歐拉梁理論和殼體理論，提出一種可供工程應用的沿管壁傳遞振動加速度的測試方法，為艦船管路加速度測試提供理論支撐。

2 測試方法研究

工程實際中載流管路的管徑主要分布于50～200 mm區間內，對于鐵質管路而言，對應的環頻率為16.5 kHz～4 kHz，因此管系大部分振動和噪聲的頻率區間都遠小于管路自身的環頻率［6－8］。管路中的高次波在環頻率以下為衰減波，僅在短管道及接近不連續點附近起作用，且管路中的法蘭等元件的徑向剛度遠大于管道的徑向剛度，這也會抑制高次波的產生。因此，依據殼體模型，實際管路系統中常常只含有有限的周向模態（n＝0，1）和軸向模態（s＝0，1，2）。 對于空間管系而言，主要的振動波型為扭轉波、縱向波以及分布在兩個相互垂直平面內的彎曲波，而沿載流傳遞的波主要為液體縱波。

由上面的分析可知，對于管路任一截面而言，沿管壁傳遞的主要波型為扭轉波、縱向波和彎曲波。上述四向波之間存在特定的關系，并且每個波型都有一個“代表方向”，該方向上的波幅值大于其余方向上的波幅值且易于識別，其余波幅值可通過相應關系求得，因此在測量管道扭轉波、縱向波和彎曲波時，必須使加速度傳感器布置方向與所需測量的波的代表方向一致。

相關文獻［9］，［10］提出如圖 1 所示的測量方法，在一個截面上布置12個傳感器。對于圖1所示的傳感器布置方案，該截面待測的管路四向波aT、aL、aBcos、aBsin可以表示為：

式中，aT、aL、aBcos、aBsin分別為扭轉波、縱向波以及分布在兩個平面內彎曲波。

雖然圖1所示的傳感器布置方案可以正確獲取該截面的四向波，且具有較強的抗干擾能力，然而由于實船測試所涉及的管路非常多，如果所有待測截面都布置12個傳感器，那么無論從實用性還是經濟性角度考慮都不是一個理想的選擇。從實用性和經濟性出發，傳感器的布置最優方案應該是利用盡可能少的點獲取與圖1布置方式盡可能一致的數據。由于目前船舶管路管徑主要分布在50～200 mm，管徑較小，且所關注的頻率主要是中低頻，這意味著 Au1～Au4，Aw1和 Aw3，以及 Aw2和Aw4測得的信號基本相同，因此在確保四向波可同時被測量的前提下，可以對上述布置方案中的傳感器數量進行適當刪減，最終可以簡化成如圖2所示的測量方案。

對于圖2所示的傳感器布置方案，該截面管路四向波 aT、aL、aBcos、aBsin可以表示為：

在將管路簡化為理想歐拉梁模型時，以上兩種測試方法測試結果應該保持一致，然而在實際測量中由于存在高次模態和其他干擾的影響，測試結果的一致性可能會隨測量頻率范圍、管徑尺寸、以及測量位置變化而變化，因此需要對不同管徑、不同截面進行對比測試，如果兩種測量方法所測得的加速度在待測頻段上保持在一定的誤差范圍內，則可以證明本文所提測量方法在經濟性和實用性上要優于傳統的測量方法。

3 試驗驗證與分析

為了驗證本文所提測量方法的正確性，選取10種不同管徑（Φ50～Φ150）的管路系統進行了試驗驗證，典型的縱向波、扭轉波以及分布在兩個垂直平面內的彎曲波1／3oct頻譜對比曲線，如圖3～圖6所示。兩種布置方式所得到的徑向加速度和軸向加速度1／3oct頻譜在5～1000 Hz內具有非常好的一致性，且5～1000 Hz內加速度總級差主要保持在1 dB左右，最大不超過2 dB。由此可見，當關注的頻帶范圍為中低頻段時，從經濟性和實用性角度出發，建議選用本文所提的新測量方法。

4 結論

本文結合歐拉梁理論和殼體理論，提出一種沿管壁傳遞振動加速度的測量方法，該方法利用布置在同一截面內的4個加速度傳感器，可同時測量沿管路傳遞的縱向波，扭轉波以及分布在兩個垂直平面內的彎曲波。經過與傳統的每個截面布置12個傳感器的測量方法的試驗對比，表明在5～1 000 Hz的中低頻段，兩種方法所測結果具有很好的一致性，從而證明本文所提方法在經濟性和實用性上較之傳統方法具有較大的優越性，可為艦船管路加速度測試提供一種有效的技術途徑。

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Measuring Method of Acceleration Propagated along Walls in Fluid－Filled Pipe System

Fan Xin
Military Representative Office in China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064 China

In order to achieve accurate and rapid measurement of vibration acceleration along the walls of fluid－filled pipes， an improved method based on both the Euler beam theory and the shell theory was proposed.Using this method， four sensors within one section was arranged to measure simultaneously，the longitudinal and torsional waves along the pipe and flexural waves in two perpendicular planes.The proposed method has been verified by a series of tests conducted on pipes of different diameters.

fluid－filled pipe system； vibration acceleration； measuring method

TB532

A

1673－3185（2010）02－42－03

2009－08-27

范 昕（1965－），男，高級工程師。研究方向：艦船研制管理。E-mail：vanstar@sina.com