机械设备振源三向激励力测试方法

彭伟才，刘彦，帅长庚，王锁泉

1中国舰船研究设计中心，湖北武汉4300642海军工程大学，湖北武汉4300333中国船舶科学研究中心，江苏无锡2140824船舶振动噪声重点实验室，湖北武汉430064

机械设备振源三向激励力测试方法

彭伟才1，4，刘彦1，4，帅长庚2，4，王锁泉3，4

1中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064
2海军工程大学，湖北武汉430033
3中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082
4船舶振动噪声重点实验室，湖北武汉430064

机械设备传递到船体上的激励力对船舶结构振动噪声预报有着重要意义。对于弹性安装的设备，提出采用基于隔振器阻抗特性的激励力间接测试方法和基于三向力传感器的直接测试方法。以小型柴油机为实验对象，用PCB三向力传感器直接测量柴油机机脚通过隔振器传递到基座的激励力，提出力传感器噪声干扰的抑制措施。实验结果表明，三向激励力间接测试值的误差小于3 dB，保证了测试精度，可作为准确值验证间接测试方法，在工程中采用间接测试方法完全可以代替直接测试方法。

振源；三向激励力；隔振器阻抗；间接测试

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.tj.20160531.1104.028.html期刊网址：www.ship-research.com

引用格式：彭伟才，刘彦，帅长庚，等.机械设备振源三向激励力测试方法［J］.中国舰船研究，2016，11（3）：79-82.

PENG Weicai，LIU Yan，SHUAI Changgeng，et al.Measurement of the three-dimensional exciting force from vibration sources for machinery［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（3）：79-82.

0　引　言

机械设备是船体结构振动的主要噪声源，设备与支撑结构间的激励力作用会引发船体结构振动和水下声辐射［1-2］。获取设备振源特性后，可用于船舶声学设计、指标分配及声辐射预报等，但由于设备与结构间复杂、强烈的耦合作用，这方面的研究尚未实用化，而工程上又需要实用、简单化的测试方法。

激励力的测试方法有直接和间接2种：直接法是在设备与船体支撑结构（基座）间嵌入力传感器来直接测量力，但受安装条件所限，一般实施起来比较困难；间接法是通过测量振动响应和系统动态特性（导纳或阻抗）来计算得到激励力［3-4］。

正是因为采用直接测试法测试激励力有困难，所以间接测试方法得到重视并涌现出了大量的成果。文献［5-6］对设备垂直于安装面方向的2种激励力间接测试方法予以了讨论，对于弹性安装的设备，提出了激励力的直接测试方法以及基于隔振器阻抗的间接测试方法，研究发现，在激励力测试过程中，信噪比具有重要影响，低信噪比是实际测试时的首要误差来源。

本文拟在文献［5-6］的基础上开展深入研究，提出三向激励力的直接和间接测试方法，并采用这2种测试方法相互进行验证。

1　弹性安装设备激励力测试方法

1.1基本假设

研究对象为由m个隔振器支撑的设备、隔振器和基座共同构成的隔振系统，其示意图如图1所示。

图1　隔振系统Fig.1　Vibration isolation system

激励力间接测试方法的应用需预先满足以下假设条件：

1）将源—接收系统当作线性系统处理；

2）将设备内部振动激励当作系统外力，且该外力不受系统特性变化的影响；

3）设备—隔振器—基座的连接部位可以当做点接触处理，至少在1 kHz以下是可以成立的。

1.2间接测试方法

弹性安装条件意味着在机器与支撑结构之间安装有隔振器。为了估算隔振器上、下两端处的作用力，应当预先获知隔振器的阻抗特性［7-8］。当隔振器阻抗远小于基座阻抗时，可以忽略隔振器耦合对激励力测试的影响。根据隔振器阻抗关系，可以写出隔振器下端受到的作用力F2（F2为隔振器作用于基座上的输出力）与隔振器上、下端振动速度v1，v2及隔振器阻抗特性Zij之间的联系方程：

1.3直接测试方法

采用直接法测量激励力时，力传感器的安装对测量误差有着极大的影响。应按照力传感器说明书的要求，使其上、下表面保持水平；与其接触的机脚、基座等结构表面的光洁度应满足产品说明书的要求；加载在其上的预载荷应达到说明书的指标；各个力环表面应在同一个平面上，以保证设备均匀、无缝隙地压载在力传感器上。

为了测得隔振器对基座的作用力，力环安装在隔振器与基座之间，隔振器与力环之间通过过渡板转接，如图2所示。

图2　三向力环安装图Fig.2　Installation of force transducer

2　实　验

2.1测试仪器与实验方案

为了验证测试方法的有效性，进行了实验研究。实验设备为常丰牌R175A型四冲程柴油机，净重60 kg，通过4个E25型隔振器安装在基座上，基座固定在平台上。激励力测试坐标与隔振器局部坐标一致。

测试时，所采用的仪器为B&K公司生产的3560D多通道分析系统、4514B-001型加速度传感器以及PCB公司生产的SN802型三向力传感器，并用PULSE软件系统进行采样和初步分析。

图3为实验装置。4个力传感器被安装在隔振器与基座面板之间，加速度传感器布置在隔振器的上端和基座面板上，如图4所示。由力传感器测得的力作为参考值来检验间接测试方法的准确性。为减少静电、潮湿等测量干扰对力传感器的影响，采取了如下措施：

1）力传感器通过过渡板与隔振器下端连接，并通过螺栓与基座面板固定，以防止因传感器松动而带来的干扰；

2）在力传感器上、下表面用纸进行电绝缘，防止静电对传感器产生干扰；

图3　实验装置Fig.3　Test installation

图4　传感器布置图Fig.4　Placement of transducers

3）对穿过力传感器的螺栓用塑料套绝缘；

4）对力传感器的信号线接口用玻璃胶进行密封；

5）将信号采集器前端接地，以防止静电干扰测试系统。

选用柴油机作为实验对象，主要是考虑到其振动激励力比较大，可以减少直接测试时信噪比的影响，从而保证验证的有效性。

三向激励力是指激励力的3个平动方向，定义为：隔振器长度方向为x向、宽度方向为y向，垂直于安装面为z向。

2.2结果与分析

隔振器下端激励力的直接测试值与间接测试值的对比如图5所示。从图中可以发现x，y方向激励力的直接测试值基本上未受到噪声的影响，而z方向激励力的直接测试值在180～200 Hz频段被力传感器的背景噪声所影响，所以用直接测试法测得的激励力实际为背景噪声。

图5　测试结果Fig.5　Test results

除了被噪声所掩盖（测试信噪比较低）的频段外，采用间接测试方法和直接测试方法测得的激励力吻合较好。两者测试值的峰值与频率均吻合较好，也即说明这2种测试值都是有效的。激励力的间接测试值与直接测试值的总级误差在3 dB以内（表1），满足工程应用要求。

表1　三向激励力总级（20～200 Hz）Tab.1　Overall level of force（20～200 Hz）

3　结　论

经实验研究，证明基于隔振器阻抗的激励力间接测试方法完全满足工程应用的准确性要求，主要结论如下：

1）直接测试方法受限于安装条件，且易受噪声干扰的影响。

2）基于隔振器阻抗的间接测试方法不存在矩阵求逆，测试精度比较高。

3）基于隔振器阻抗的间接测试方法的测试误差与隔振器阻抗测试误差成正比，测试误差范围可预测。

4）在工程应用中，间接测试方法完全可以代替直接测试方法。

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PENG Weicai，LIU Yan，YUAN Chunhui.FRF-based substructure technique for modeling machinery isola⁃tion system［J］.Chinese Journal of Ship Research，2012，7（1）：65-70.

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YUAN Chunhui，ZHU Xianming，SHAO Hanlin，et al. Engineering approaches of the indirect force estimation on vibration sources of machinery in ships［J］.Chinese Journal of Ship Research，2006，1（1）：25-32.

［6］ 原春晖.机械设备振动源特性测试方法研究［D］.武汉：华中科技大学，2006.

YUAN Chunhui.A Study on the test approaches of characterization of machinery as vibrational sources ［D］.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2006.

［7］Acoustics and vibration-laboratory measurement of vi⁃bro-acoustic transfer properties of resilient elements. Part 1：principles and guidelines：ISO 10846-1-1997 ［S］.1997.

［8］Acoustics and vibration-laboratory measurement of vi⁃bro-acoustic transfer properties of resilient elements. Part 2：dynamic stiffness of elastic supports for transla⁃tory motion-Direct Method：ISO 10846-2［S］.1997.

Measurement of the three-dimensional exciting force from vibration sources for machinery

PENG Weicai1，4，LIU Yan1，4，SHUAI Changgeng2，4，WANG Suoquan3，4

1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China
2 Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China
3 China Ship Scientific Research Center，Wuxi 214082，China
4 Science and Technology on Ship Vibration and Noise Key Laboratory，Wuhan 430064，China

To predict ship's structural vibration and noise，it is essential to measure the exciting forces transferred to the ship hull from machinery in ships.For resiliently-mounted machines，an indirect mea⁃surement approach based on impedances of the isolator as well as a direct measurement approach based on force transducer are discussed.A diesel engine is then taken as a research object，where PCB force trans⁃ducer is used to get the exciting force transferred from isolator，eliminating the noise effect of PCB force transducer and improving the direct test precision.Experimental results demonstrate that the error of indi⁃rect measurement is less than 3 dB，successfully satisfying practical engineering applications，while the in⁃direct measurement can replace the direct measurement of the exciting force.

vibration sources；three-dimensional exciting force；impedances of isolator；indirect mea⁃surement

U661.44

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.03.014

2015-06-25网络出版时间：2016-5-31 11:04

国家自然科学基金资助项目（51409238）；国家部委基金资助项目

彭伟才（通信作者），男，1981年生，博士，高级工程师。研究方向：结构振动与噪声控制。

E-mail：pweicai@gmail.com