船舶振动测试中传感器的选取与加装

经验人：陈 伟

船舶振动测试中传感器的选取与加装

经验人：陈 伟

船舶振动及由振动引起的噪声越来越受到重视，如何治理已经称为人们所关心的核心问题，这首先需要对振动继续准确测量，而如何正确选择与安装振动传感器，是船舶振动测试中要考虑的首要问题。本文以压电传感器为例，详细介绍了该如何正确选取并恰当加装振动传感器。

在航空、航天、海洋、汽车、机械等工程技术领域，机械设备的振动和结构动力学问题日益显得突出，其振动噪声测试与动态分析已成为机械设备研制、结构强度研究、产品设计以及日常维护中必不可少的重要手段。船舶振动噪声的测试也越来越受到广泛地重视。其原因在于振动及由振动引起的噪声会使船员和乘客身体感到不适应，容易产生疲劳，工作效率降低，影响身体健康等现象，而且局部振动还会影响船上设备、仪表的正常工作，降低其使用精度，缩短使用寿命；尤其持续的振动容易使高应力区的船体结构等出现裂缝或疲劳损坏；振动及其产生的噪声对军用舰只的作战和隐蔽性能危害极大。

在船舶振动噪声的测试工程中，选择合适的振动传感器，是振动测试中首先要考虑的问题。振动量的表述通常有三种形式：加速度、速度和位移，在数学表达式上可以用∂s2∂t2，∂s∂t 和s来表示，因此可以在这三个物理量中选择的任意一种来测量振动。由加速度、速度和位移的三个物理量的数学关系来看，加速度为最基本数学量，从而，在船舶振动测试中通常使用加速度传感器，为此，加速度传感器灵敏度、加装谐振频率、传感器质量、动态范围等性能参数是选择传感器的主要指标。加速度传感器最重要的性能指标是灵敏度，根据被测加速度的大小选取合适灵敏度的加速度传感器。加装谐振频率是指传感器加装在其质量相对很大的刚性基础上时的固有频率，通常取测量频率范围为加装谐振频率的三分之一，加装谐振频率还与传感器的加装方式有关。当被测量物质量较小时，需要考虑加速度传感器的质量大小，被测物体质量要与振动传感器的质量大很多，才能不影响对被测结构动态特性。在被测物体加速度变化范围比较大的时候，需要考虑动态范围较大的传感器。除了以上提到的性能指标外，还需要慎重考虑振动传感器的使用环境，特别是温度条件。如果环境温度过高，会对压电传感器的灵敏度有影响。目前，内置放大电路的压电式加速度传感器（ICP或IEPE传感器），由于内置放大电路使其具有信噪比较高、传感器的尺寸和质量很小、可以用于较远距离测量、输出信号适用采集器的通用性好等优点，成为振动测试首选传感器。

为了获取精确有效的振动测试数据，必须保证振动传感器被正确安装。首先，加速度传感器加装时必须使安装方向与测量方向一致，并且应使传感器与被测物体之间有硬性边界传输，以使加速度计能够正确感受被测物体的振动。传感器的加装方式主要有四种：螺钉加装、磁力加装座加装、胶粘剂粘接、探针加装。每种加装方式对高频测量结果都有一定影响。其中螺钉加装频率响应范围最宽，而且是四种加装方法中最安全可靠的一种，其他三种加装方式都不同程度地减小了高频响应范围。因此，加装前应对传感器与被测试物体接触的表面进行处理，表面要求清洁平滑。加装螺孔轴线与测试方向一致。传感器加装时应达到所规定的扭矩，以尽可能地提高加装偶合强度。传感器的加装还可以考虑使用绝缘底座，尽量避免由对地回路引起的电磁噪声影响测量信号。

船舶振动测试时通常将传感器布置在壳体、管路、设备的机脚基座、浮筏隔振装置等较为关心其振动或者在振动的传递路径上的位置。在某些情况下，已知激励源研究其振动如何传递，例如研究一台水泵的振动通过哪些路径传递到壳板，此时测点加装位置比较明确；而通过某一部位振动查找其激励源时，需要考虑加装测点的位置就比较复杂些。由于关注的角度不同，测点加装位置的选取也有一定区别，例如壳体上的测点可以加装在肋骨加强筋上，也可以加装在肋骨中间的板材上。在测量旋转类机械设备的振动时，往往选择轴承箱作为安装振动传感器的最佳位置。使用三向加速度传感器（或者通过使用三轴向安装基座配套3只单向传感器组成X，Y，Z轴向测试系统），可以获得在同一个点上的三个正交直角坐标轴方向上的振动情况信息。在某些大型振动设备轴承座端，通过在合适测点位置加装三向加速度传感器可以测量X，Y，Z三个正交直角坐标轴方向的振动量。

船舶机械设备引起的辐射噪声的形成过程是这样的，机械设备振动通过基座（存在管路时，振动也会通过管路传递）传递到壳体，然后壳体跟水介质相互耦合作用形成辐射噪声，所以说壳体是联系设备振动到辐射噪声的重要环节， 研究基座-壳体-辐射噪声各环节传递特征关系时把壳体作为中间层，通过一系列机械设备传递特征关系研究，考察基座-壳体、壳体-辐射噪声与基座-辐射噪声是否存在某种传递特征关系（也即分步传递系数与整体传递系数是否存在对应关系）。

机械设备基座和壳体的振动测点较多，若利用所有测点进行传函计算，则计算繁琐，各个传递系数之间的关系很难理清。由于机械设备基座各个振动测点的频谱结构十分相似，因此以辐射噪声频谱作为参考对象，选取跟其频谱结构最相似的基座测点作为输入，选取位于机械设备附近的频谱结构也与辐射噪声频谱相似度较大的几个壳体测点作为中间层，进行分布传递系数与整体传递系数之间的关系研究。

下面以船上外同时基测试的设备振动、壳体振动和辐射噪声为基础，开展传递系数关系研究。以选取的中间层壳体i号振动测点为例，说明具体实现过程：

图1　基座振动通过中间层壳体产生辐射噪声框图

（1）计算基座振动到中间层壳体i号振动测点的传递系数Hx,i(f)和相干系数γx,i(f)；

（2）计算中间层壳体i号振动测点到辐射噪声的传递系数Hi,y(f)和相干系数γi,y(f)；

（3）计算基座振动到辐射噪声的传递系数Hx,y(f)和相干系数γx,y(f)；

（4）通过各层的分步传函，求H'x,y(f)=Hx,i(f)∗Hi,y(f)，然后计算errof(f)=Hx,y(f)-H'x,y(f)，另外获得相干系数γx,i(f)、γi,y(f)和γx,y(f)同时大于某个门限（一般设为0.6左右）的特征频率，从而获得输入、输出和中间层同时相干性较强的特征频点

（5）最后评价相干性比较强的频点的传递系数差值就可得到整体传递系数与分步传递系数之间的关系和区别。

按照上面的步骤计算重复计算i=1,2,…M 各个壳体振动测点相关传函，通过多个结果比较，最终给出分步传递系数与整体传递系数的关系。

依据上述分析方法，可以实现对船舶典型机械设备振动传递通道继续测量，从而可以计算设备基座—壳体—辐射噪声的传递系数，为设备振动噪声的治理提供依据。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.050