基于LabVIEW的船用振動、噪聲測試系統

尹常艷

摘要 船舶運行時產生的振動和噪聲對設備的正常運轉有重要影響，同時一定程度上損害了船員的健康和生態環境，因此應對船舶的振動和噪聲進行控制，以保證其性能的穩定。本文針對船舶內部的有限測試條件，對船舶的振動、噪聲測試技術進行研究，測試系統采用虛擬儀器技術，以及TDMS文件格式，實現在對船舶振動、噪聲長時間測試，存儲、在線實時顯示分析、離線分析測試數據等功能。通過對船舶振動和噪聲信號的測量分析，建立相應的相關特征信息數據集，為航行和維修保障提供技術手段。

[關鍵詞]LabVIEW 船舶 振動 噪聲 測試系統 TDMS

船舶的機械系統在運行時產生的振動和噪聲關系到行船的安全，嚴重時會對設備的正常工作產生干擾。因此，對船舶振動、噪聲進行控制是極為重要的。本文對船舶的振動和噪聲測試技術進行研究，設計具有實時采集分析、離線分析等功能的測試系統，可用于同型號船舶振動、噪聲維修前后的質量評估，以及同類型船舶橫向特征參數的對比。

1 虛擬儀器技術

虛擬儀器技術利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。美國NI公司提出的圖形化編程軟件LabVIEW，既可方便的與各種軟硬件連接，也具有強大的數據處理能力，目前在測控領域有了廣泛的應用。本文設計的測試系統采用NI數據采集板卡，利用LabVIEW實現對船舶振動、噪聲測試分析。

在對船舶進行振動或者噪聲測試時，采集的原始測量數據信息數據量較大，并且為了保證同一船只測試數據的縱向可對比性以及同型號船只的橫向可參照性，將測試信息進行原始統一、規范的定義是必不可少的。同時特征信息盡可能完整的記錄，對于對比分析工作也十分重要。NI公司提出來TDMS文件格式是NI用在測試測量領域的通用數據文件格式。TDMS是一種二進制記錄文件，二進制文件與一般文本式文件相比文件比較小，且文件讀寫通常比較快。TDMS邏輯結構分為三層：文件、通道組和通道。每一層都可以根據用戶的需求寫入特定的屬性。另外當TDMS文件建立時，會自動生成兩個文件：*.tdms文件和*.tdmsindex文件。前者為數據文件，后者為索引文件。在檢索信息時，一方面可以根據文件名、通道組名、通道名或者某些屬性進行搜索;另一方面由于索引文件不含原始數據信息，只包含屬性等信息，并且支持隨機讀取文件數據，所以TDMS文件檢索速度很快。通過從存儲和檢索兩方面來考慮，TDMS文件滿足大數據量，快速檢索的要求，選擇TDMS文件格式存儲船舶振動、噪聲測試采集到的數據，完全滿足要求。

2 測試系統設計

2.1 系統硬件設計

考慮到船舶艙室空間狹小，內部測試條件有限等因素，測試系統采用了小型化高性能嵌入式設計，內部集成主控模塊、采集模塊、信調模塊、內部電源等。測試系統硬件結構如圖1所示。

信調模塊對傳感器輸入的信號進行抗混疊濾波和放大;采集模塊進行A/D轉換和數據采集;采集控制由主控模塊負責，同時主控模塊進行數據記錄和數據分析;采集以及設備的相關信息受監控模塊檢測;采集、分析等信息在輸入輸出設備上實時顯示。

傳感器是采集前端的重要組成部件。每一個傳感器電纜通過集散電纜連接至測試系統的采集器航插接口。集散電纜與采集器的模擬輸入通道是一一對應的。例如在進行振動測試時，在一個測點上，可根據需要選擇三向加速度傳感器或者單向加速度傳感器。對于三向加速度傳感器，X、Y、Z軸三個方向分別對應采集器的三個模擬通道。若不清楚測點的振動方向，可以選擇三向加速度傳感器。

監控模塊可對采集器航插接口以及每一個模擬輸入通道的接口狀態進行監控。航插通過一條數字線進行通斷的監測，一旦航插接口未完好連接，在測試時系統會實時給出提示，并且停止測試。測試系統為每個模擬通道設置一個指示燈，當該通道連通時，對應的指示燈點亮。另外，在監控模塊中還對系統的硬盤容量以及電池容量進行定期監控。通過這些措施保證測試過程以及測試系統的良好運行。

2.2 系統軟件設計

為了保證在對同型號船只橫向或者縱向數據對比時，能提供有效的測試數據，使得測試具有可對比性，要求每次測試應嚴格遵守一樣的測試條件（環境條件、被測設備工況、測點布置）和測試分析方法。所以對測試對象、測試環境以及測試狀況進行記錄是必不可少的。

針對該問題測試系統設計測試配置模塊，該模塊引導用戶完成對測試對象、測試環境、采集情況的配置，形成測試配置文件，以保證后期的對比測試時，可完全參照本次測試的配置信息，使得測試數據具有可對比性。在對采集情況進行配置時，系統以船只為單位，指導用戶根據實際測試需要建立船只測試配置信息。文件以樹形結構展示，根節點為船只，然后建立各個艙室，每個艙室下分別建立設備，針對設備不同部位建立測點，測點建立時根據需要分別建立三向振動測點、單向振動測點或者聲音測點。測試前，用戶選擇帶測試的船舶測試信息文件，選擇測試類型（振動或者噪聲），系統自動識別該文件中相應類型的測點，勾選其中待測試測點，測試系統根據測試資源自動為每個測點分配所需要連接的模擬采集通道，用戶也可手動調整。當某一采集通道被選中進行測試，并且該通道物理己連通時，則在配置表中該通道會以綠色顯示，表示可以正常工作。

按照采集通道配置信息，連接傳感器之后，系統啟動測試。采集的原始數據放置在兩個隊列中，分別用于實時顯示分析和數據存儲。

數據存儲采用TDMS文件格式，TDMS文件的邏輯結構分為三層，測試系統利用文件、通道組和通道這三層邏輯結構，在其屬性中對應寫入測試環境、測點信息和采集通道的配置信息。例如工況、時間、測試信息等在文件層屬性中進行描述;不同設備的描述信息在相應的通道組中描述;設備下的測點，以及測點對應每個模擬采集通道等信息，在各通道組下的通道這一層描述。至此數據采集信息和測試信息被合理的保存到各層中。

在采集振動或者噪聲信號的同時，系統提供實時分析功能。測試系統針對振動信號，對每個測點提供時域和頻域分析。振動信號的時域分析主要是在帶寬內分析振動信號的時域特征參數，包括最大值、最小值等狀態參數;振動信號的頻域分析，主要是對振動信號進行快速傅里葉變換，分析信號的頻譜參數等。對于噪聲信號，對每個測點提供1/3倍頻程譜分析和聲壓級分析。

測試系統提供離線數據分析功能，由于測試數據已經保存為TDMS文件，用戶選擇測試文件后，測試信息以及每個層級的屬性信息都可以瀏覽。選擇需要的分析的測點后，系統提取該測點的數據信息并以波形展示，用戶根據需要選擇其中某一長度數據，測試系統針對該段數據信息進行各種特征參數的分析。

3 結論

本文對設計的船用振動、噪聲測試系統技術進行研究，通過詳細的配置，以及各種監控手段保證測試的有效性。測試數據的存儲采用TDMS文件格式，記錄的信息更為規范、統一、詳細，具有可參考性。在實際的測試中，該測試系統完全滿足船用振動、噪聲測試的需求，建立了相應的相關特征信息數據集，為航行和維修保障提供技術手段。

參考文獻

[1]呂建華，船舶輪機振動噪聲控制研究[J]，科學與財富，2016（28）.

[2]孫麗萍，聶武，船舶結構振動噪聲分析及其進展[J]，船舶力學，2003 （01）.

[3]蔣昊，黃彬.基于LabVIEW的振動噪聲測試和分析系統開發[J].儀表技術，2007 （12）：28-29.

[4]楊俊.基于LabVIEW的電子噪聲振動測試分析系統[D].浙江大學，2007.