機械設備振源三向激勵力測試方法

彭偉才，劉彥，帥長庚，王鎖泉

1中國艦船研究設計中心，湖北武漢4300642海軍工程大學，湖北武漢4300333中國船舶科學研究中心，江蘇無錫2140824船舶振動噪聲重點實驗室，湖北武漢430064

機械設備振源三向激勵力測試方法

彭偉才1，4，劉彥1，4，帥長庚2，4，王鎖泉3，4

1中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064
2海軍工程大學，湖北武漢430033
3中國船舶科學研究中心，江蘇無錫214082
4船舶振動噪聲重點實驗室，湖北武漢430064

機械設備傳遞到船體上的激勵力對船舶結構振動噪聲預報有著重要意義。對于彈性安裝的設備，提出采用基于隔振器阻抗特性的激勵力間接測試方法和基于三向力傳感器的直接測試方法。以小型柴油機為實驗對象，用PCB三向力傳感器直接測量柴油機機腳通過隔振器傳遞到基座的激勵力，提出力傳感器噪聲干擾的抑制措施。實驗結果表明，三向激勵力間接測試值的誤差小于3 dB，保證了測試精度，可作為準確值驗證間接測試方法，在工程中采用間接測試方法完全可以代替直接測試方法。

振源；三向激勵力；隔振器阻抗；間接測試

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.tj.20160531.1104.028.html期刊網址：www.ship-research.com

引用格式：彭偉才，劉彥，帥長庚，等.機械設備振源三向激勵力測試方法［J］.中國艦船研究，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

機械設備是船體結構振動的主要噪聲源，設備與支撐結構間的激勵力作用會引發船體結構振動和水下聲輻射［1-2］。獲取設備振源特性后，可用于船舶聲學設計、指標分配及聲輻射預報等，但由于設備與結構間復雜、強烈的耦合作用，這方面的研究尚未實用化，而工程上又需要實用、簡單化的測試方法。

激勵力的測試方法有直接和間接2種：直接法是在設備與船體支撐結構（基座）間嵌入力傳感器來直接測量力，但受安裝條件所限，一般實施起來比較困難；間接法是通過測量振動響應和系統動態特性（導納或阻抗）來計算得到激勵力［3-4］。

正是因為采用直接測試法測試激勵力有困難，所以間接測試方法得到重視并涌現出了大量的成果。文獻［5-6］對設備垂直于安裝面方向的2種激勵力間接測試方法予以了討論，對于彈性安裝的設備，提出了激勵力的直接測試方法以及基于隔振器阻抗的間接測試方法，研究發現，在激勵力測試過程中，信噪比具有重要影響，低信噪比是實際測試時的首要誤差來源。

本文擬在文獻［5-6］的基礎上開展深入研究，提出三向激勵力的直接和間接測試方法，并采用這2種測試方法相互進行驗證。

1　彈性安裝設備激勵力測試方法

1.1基本假設

研究對象為由m個隔振器支撐的設備、隔振器和基座共同構成的隔振系統，其示意圖如圖1所示。

圖1　隔振系統Fig.1　Vibration isolation system

激勵力間接測試方法的應用需預先滿足以下假設條件：

1）將源—接收系統當作線性系統處理；

2）將設備內部振動激勵當作系統外力，且該外力不受系統特性變化的影響；

3）設備—隔振器—基座的連接部位可以當做點接觸處理，至少在1 kHz以下是可以成立的。

1.2間接測試方法

彈性安裝條件意味著在機器與支撐結構之間安裝有隔振器。為了估算隔振器上、下兩端處的作用力，應當預先獲知隔振器的阻抗特性［7-8］。當隔振器阻抗遠小于基座阻抗時，可以忽略隔振器耦合對激勵力測試的影響。根據隔振器阻抗關系，可以寫出隔振器下端受到的作用力F2（F2為隔振器作用于基座上的輸出力）與隔振器上、下端振動速度v1，v2及隔振器阻抗特性Zij之間的聯系方程：

1.3直接測試方法

采用直接法測量激勵力時，力傳感器的安裝對測量誤差有著極大的影響。應按照力傳感器說明書的要求，使其上、下表面保持水平；與其接觸的機腳、基座等結構表面的光潔度應滿足產品說明書的要求；加載在其上的預載荷應達到說明書的指標；各個力環表面應在同一個平面上，以保證設備均勻、無縫隙地壓載在力傳感器上。

為了測得隔振器對基座的作用力，力環安裝在隔振器與基座之間，隔振器與力環之間通過過渡板轉接，如圖2所示。

圖2　三向力環安裝圖Fig.2　Installation of force transducer

2　實　驗

2.1測試儀器與實驗方案

為了驗證測試方法的有效性，進行了實驗研究。實驗設備為常豐牌R175A型四沖程柴油機，凈重60 kg，通過4個E25型隔振器安裝在基座上，基座固定在平臺上。激勵力測試坐標與隔振器局部坐標一致。

測試時，所采用的儀器為B&K公司生產的3560D多通道分析系統、4514B-001型加速度傳感器以及PCB公司生產的SN802型三向力傳感器，并用PULSE軟件系統進行采樣和初步分析。

圖3為實驗裝置。4個力傳感器被安裝在隔振器與基座面板之間，加速度傳感器布置在隔振器的上端和基座面板上，如圖4所示。由力傳感器測得的力作為參考值來檢驗間接測試方法的準確性。為減少靜電、潮濕等測量干擾對力傳感器的影響，采取了如下措施：

1）力傳感器通過過渡板與隔振器下端連接，并通過螺栓與基座面板固定，以防止因傳感器松動而帶來的干擾；

2）在力傳感器上、下表面用紙進行電絕緣，防止靜電對傳感器產生干擾；

圖3　實驗裝置Fig.3　Test installation

圖4　傳感器布置圖Fig.4　Placement of transducers

3）對穿過力傳感器的螺栓用塑料套絕緣；

4）對力傳感器的信號線接口用玻璃膠進行密封；

5）將信號采集器前端接地，以防止靜電干擾測試系統。

選用柴油機作為實驗對象，主要是考慮到其振動激勵力比較大，可以減少直接測試時信噪比的影響，從而保證驗證的有效性。

三向激勵力是指激勵力的3個平動方向，定義為：隔振器長度方向為x向、寬度方向為y向，垂直于安裝面為z向。

2.2結果與分析

隔振器下端激勵力的直接測試值與間接測試值的對比如圖5所示。從圖中可以發現x，y方向激勵力的直接測試值基本上未受到噪聲的影響，而z方向激勵力的直接測試值在180～200 Hz頻段被力傳感器的背景噪聲所影響，所以用直接測試法測得的激勵力實際為背景噪聲。

圖5　測試結果Fig.5　Test results

除了被噪聲所掩蓋（測試信噪比較低）的頻段外，采用間接測試方法和直接測試方法測得的激勵力吻合較好。兩者測試值的峰值與頻率均吻合較好，也即說明這2種測試值都是有效的。激勵力的間接測試值與直接測試值的總級誤差在3 dB以內（表1），滿足工程應用要求。

表1　三向激勵力總級（20～200 Hz）Tab.1　Overall level of force（20～200 Hz）

3　結　論

經實驗研究，證明基于隔振器阻抗的激勵力間接測試方法完全滿足工程應用的準確性要求，主要結論如下：

1）直接測試方法受限于安裝條件，且易受噪聲干擾的影響。

2）基于隔振器阻抗的間接測試方法不存在矩陣求逆，測試精度比較高。

3）基于隔振器阻抗的間接測試方法的測試誤差與隔振器阻抗測試誤差成正比，測試誤差范圍可預測。

4）在工程應用中，間接測試方法完全可以代替直接測試方法。

［1］VERHEIJ J W.Multipath sound transfer from resilient?ly mounted shipboard machinery：experimental meth?ods for analyzing and improving noise control［D］. Delft：Technisch Physische Dienst TNO-TH，1982.

［2］彭偉才，劉彥，原春暉.機械設備隔振系統的子結構建模方法研究［J］.中國艦船研究，2012，7（1）：65-70.

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.

［3］CHOI H G，THITE A N，THOMPSON D J.A thresh?old for the use of Tikhonov regularization in inverse force determination［J］.Applied Acoustics，2006，67 （7）：700-719.

［4］LIU Y，SHEPARD W S Jr.Dynamic force identifica?tionbasedonenhancedleastsquaresandtotal least-squares schemes in the frequency domain［J］. Journal of Sound and Vibration，2005，282（1/2）：37-60.

［5］ 原春暉，朱顯明，邵漢林，等.船舶機械振動源激勵力的間接估算工程方法［J］.中國艦船研究，2006，1 （1）：25-32.

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］ 原春暉.機械設備振動源特性測試方法研究［D］.武漢：華中科技大學，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網絡出版時間：2016-5-31 11:04

國家自然科學基金資助項目（51409238）；國家部委基金資助項目

彭偉才（通信作者），男，1981年生，博士，高級工程師。研究方向：結構振動與噪聲控制。

E-mail：pweicai@gmail.com