船舶振動測試中傳感器的選取與加裝

經(jīng)驗人：陳 偉

船舶振動測試中傳感器的選取與加裝

經(jīng)驗人：陳 偉

船舶振動及由振動引起的噪聲越來越受到重視，如何治理已經(jīng)稱為人們所關(guān)心的核心問題，這首先需要對振動繼續(xù)準(zhǔn)確測量，而如何正確選擇與安裝振動傳感器，是船舶振動測試中要考慮的首要問題。本文以壓電傳感器為例，詳細(xì)介紹了該如何正確選取并恰當(dāng)加裝振動傳感器。

在航空、航天、海洋、汽車、機(jī)械等工程技術(shù)領(lǐng)域，機(jī)械設(shè)備的振動和結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題日益顯得突出，其振動噪聲測試與動態(tài)分析已成為機(jī)械設(shè)備研制、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究、產(chǎn)品設(shè)計以及日常維護(hù)中必不可少的重要手段。船舶振動噪聲的測試也越來越受到廣泛地重視。其原因在于振動及由振動引起的噪聲會使船員和乘客身體感到不適應(yīng)，容易產(chǎn)生疲勞，工作效率降低，影響身體健康等現(xiàn)象，而且局部振動還會影響船上設(shè)備、儀表的正常工作，降低其使用精度，縮短使用壽命；尤其持續(xù)的振動容易使高應(yīng)力區(qū)的船體結(jié)構(gòu)等出現(xiàn)裂縫或疲勞損壞；振動及其產(chǎn)生的噪聲對軍用艦只的作戰(zhàn)和隱蔽性能危害極大。

在船舶振動噪聲的測試工程中，選擇合適的振動傳感器，是振動測試中首先要考慮的問題。振動量的表述通常有三種形式：加速度、速度和位移，在數(shù)學(xué)表達(dá)式上可以用?s2?t2，?s?t 和s來表示，因此可以在這三個物理量中選擇的任意一種來測量振動。由加速度、速度和位移的三個物理量的數(shù)學(xué)關(guān)系來看，加速度為最基本數(shù)學(xué)量，從而，在船舶振動測試中通常使用加速度傳感器，為此，加速度傳感器靈敏度、加裝諧振頻率、傳感器質(zhì)量、動態(tài)范圍等性能參數(shù)是選擇傳感器的主要指標(biāo)。加速度傳感器最重要的性能指標(biāo)是靈敏度，根據(jù)被測加速度的大小選取合適靈敏度的加速度傳感器。加裝諧振頻率是指傳感器加裝在其質(zhì)量相對很大的剛性基礎(chǔ)上時的固有頻率，通常取測量頻率范圍為加裝諧振頻率的三分之一，加裝諧振頻率還與傳感器的加裝方式有關(guān)。當(dāng)被測量物質(zhì)量較小時，需要考慮加速度傳感器的質(zhì)量大小，被測物體質(zhì)量要與振動傳感器的質(zhì)量大很多，才能不影響對被測結(jié)構(gòu)動態(tài)特性。在被測物體加速度變化范圍比較大的時候，需要考慮動態(tài)范圍較大的傳感器。除了以上提到的性能指標(biāo)外，還需要慎重考慮振動傳感器的使用環(huán)境，特別是溫度條件。如果環(huán)境溫度過高，會對壓電傳感器的靈敏度有影響。目前，內(nèi)置放大電路的壓電式加速度傳感器（ICP或IEPE傳感器），由于內(nèi)置放大電路使其具有信噪比較高、傳感器的尺寸和質(zhì)量很小、可以用于較遠(yuǎn)距離測量、輸出信號適用采集器的通用性好等優(yōu)點(diǎn)，成為振動測試首選傳感器。

為了獲取精確有效的振動測試數(shù)據(jù)，必須保證振動傳感器被正確安裝。首先，加速度傳感器加裝時必須使安裝方向與測量方向一致，并且應(yīng)使傳感器與被測物體之間有硬性邊界傳輸，以使加速度計能夠正確感受被測物體的振動。傳感器的加裝方式主要有四種：螺釘加裝、磁力加裝座加裝、膠粘劑粘接、探針加裝。每種加裝方式對高頻測量結(jié)果都有一定影響。其中螺釘加裝頻率響應(yīng)范圍最寬，而且是四種加裝方法中最安全可靠的一種，其他三種加裝方式都不同程度地減小了高頻響應(yīng)范圍。因此，加裝前應(yīng)對傳感器與被測試物體接觸的表面進(jìn)行處理，表面要求清潔平滑。加裝螺孔軸線與測試方向一致。傳感器加裝時應(yīng)達(dá)到所規(guī)定的扭矩，以盡可能地提高加裝偶合強(qiáng)度。傳感器的加裝還可以考慮使用絕緣底座，盡量避免由對地回路引起的電磁噪聲影響測量信號。

船舶振動測試時通常將傳感器布置在殼體、管路、設(shè)備的機(jī)腳基座、浮筏隔振裝置等較為關(guān)心其振動或者在振動的傳遞路徑上的位置。在某些情況下，已知激勵源研究其振動如何傳遞，例如研究一臺水泵的振動通過哪些路徑傳遞到殼板，此時測點(diǎn)加裝位置比較明確；而通過某一部位振動查找其激勵源時，需要考慮加裝測點(diǎn)的位置就比較復(fù)雜些。由于關(guān)注的角度不同，測點(diǎn)加裝位置的選取也有一定區(qū)別，例如殼體上的測點(diǎn)可以加裝在肋骨加強(qiáng)筋上，也可以加裝在肋骨中間的板材上。在測量旋轉(zhuǎn)類機(jī)械設(shè)備的振動時，往往選擇軸承箱作為安裝振動傳感器的最佳位置。使用三向加速度傳感器（或者通過使用三軸向安裝基座配套3只單向傳感器組成X，Y，Z軸向測試系統(tǒng)），可以獲得在同一個點(diǎn)上的三個正交直角坐標(biāo)軸方向上的振動情況信息。在某些大型振動設(shè)備軸承座端，通過在合適測點(diǎn)位置加裝三向加速度傳感器可以測量X，Y，Z三個正交直角坐標(biāo)軸方向的振動量。

船舶機(jī)械設(shè)備引起的輻射噪聲的形成過程是這樣的，機(jī)械設(shè)備振動通過基座（存在管路時，振動也會通過管路傳遞）傳遞到殼體，然后殼體跟水介質(zhì)相互耦合作用形成輻射噪聲，所以說殼體是聯(lián)系設(shè)備振動到輻射噪聲的重要環(huán)節(jié)， 研究基座-殼體-輻射噪聲各環(huán)節(jié)傳遞特征關(guān)系時把殼體作為中間層，通過一系列機(jī)械設(shè)備傳遞特征關(guān)系研究，考察基座-殼體、殼體-輻射噪聲與基座-輻射噪聲是否存在某種傳遞特征關(guān)系（也即分步傳遞系數(shù)與整體傳遞系數(shù)是否存在對應(yīng)關(guān)系）。

機(jī)械設(shè)備基座和殼體的振動測點(diǎn)較多，若利用所有測點(diǎn)進(jìn)行傳函計算，則計算繁瑣，各個傳遞系數(shù)之間的關(guān)系很難理清。由于機(jī)械設(shè)備基座各個振動測點(diǎn)的頻譜結(jié)構(gòu)十分相似，因此以輻射噪聲頻譜作為參考對象，選取跟其頻譜結(jié)構(gòu)最相似的基座測點(diǎn)作為輸入，選取位于機(jī)械設(shè)備附近的頻譜結(jié)構(gòu)也與輻射噪聲頻譜相似度較大的幾個殼體測點(diǎn)作為中間層，進(jìn)行分布傳遞系數(shù)與整體傳遞系數(shù)之間的關(guān)系研究。

下面以船上外同時基測試的設(shè)備振動、殼體振動和輻射噪聲為基礎(chǔ)，開展傳遞系數(shù)關(guān)系研究。以選取的中間層殼體i號振動測點(diǎn)為例，說明具體實現(xiàn)過程：

圖1　基座振動通過中間層殼體產(chǎn)生輻射噪聲框圖

（1）計算基座振動到中間層殼體i號振動測點(diǎn)的傳遞系數(shù)Hx,i(f)和相干系數(shù)γx,i(f)；

（2）計算中間層殼體i號振動測點(diǎn)到輻射噪聲的傳遞系數(shù)Hi,y(f)和相干系數(shù)γi,y(f)；

（3）計算基座振動到輻射噪聲的傳遞系數(shù)Hx,y(f)和相干系數(shù)γx,y(f)；

（4）通過各層的分步傳函，求H'x,y(f)=Hx,i(f)?Hi,y(f)，然后計算errof(f)=Hx,y(f)-H'x,y(f)，另外獲得相干系數(shù)γx,i(f)、γi,y(f)和γx,y(f)同時大于某個門限（一般設(shè)為0.6左右）的特征頻率，從而獲得輸入、輸出和中間層同時相干性較強(qiáng)的特征頻點(diǎn)

（5）最后評價相干性比較強(qiáng)的頻點(diǎn)的傳遞系數(shù)差值就可得到整體傳遞系數(shù)與分步傳遞系數(shù)之間的關(guān)系和區(qū)別。

按照上面的步驟計算重復(fù)計算i=1,2,…M 各個殼體振動測點(diǎn)相關(guān)傳函，通過多個結(jié)果比較，最終給出分步傳遞系數(shù)與整體傳遞系數(shù)的關(guān)系。

依據(jù)上述分析方法，可以實現(xiàn)對船舶典型機(jī)械設(shè)備振動傳遞通道繼續(xù)測量，從而可以計算設(shè)備基座—?dú)んw—輻射噪聲的傳遞系數(shù)，為設(shè)備振動噪聲的治理提供依據(jù)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.050