CN104330150A - 一种多面安装设备的多自由度振动激励力间接测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多面安装设备的多自由度振动激励力间接测试方法。使用本发明能够对多点多面弹性支撑设备多自由度激励进行间接测试，且准确性高。本发明通过间接测试方法，获取多点多方向弹性支撑机械的多自由度振动激励，用于多个安装面机械设备振动激励力的测试，并考虑了多个支撑点和多个方向之间的相互耦合作用，使测试结果更加准确。

Description

一种多面安装设备的多自由度振动激励力间接测试方法

技术领域

本发明涉及船舶声隐身技术领域，具体涉及一种多面安装设备的多自由度振动激励力间接测试方法。

背景技术

机械设备振动激励力作为船舶振动能量传递及振动声辐射估算的必备输入数据，是船舶定量声学设计必不可少的输入参数。此外，通过对设备振动噪声激励特性的检测，依据总体限值要求进行考核，来决定是否允许该设备安装上船，这是工程中控制船舶辐射噪声的重要途径。但机械设备输出的振动激励力的测试方法尚不完善，间接测试方法尚未得到广泛应用，尤其多自由度情况下激励力的间接测试方法未深入研究和验证。

现有的方法主要针对机械设备通过某单一隔振器传递的振动激励力，如高菊2011年发表的“多激励作用下单、双层圆柱壳声振分析”、庞福振等2012年发表的“设备对船体结构的激励力及其应用研究”；现有方法主要针对单一振动方向——与机械设备安装平面垂直方向的振动激励力，其他方向的平动、转动自由度的激励特性未有深入研究，如原春晖2006年发表的“机械设备振动源特性测试方法研究”，胡寅寅等人2011年在“设备载荷识别与激励源特性的研究现状”一文中也指出：机械设备激励力识别研究将从单点单方向激励向多点多方向激励发展。目前对多点多方向耦合的机械设备振动输出激励力表征尚未有公认完善方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种多面安装设备的多自由度振动激励力间接测试方法，能够对多点多面弹性支撑设备多自由度激励进行间接测试，且准确性高。

本发明的多面安装设备的多自由度振动激励力间接测试方法，包括如下步骤：

步骤1，在隔振系统安装于多面安装设备前，测试获得各隔振器的上端输入阻抗ⁱⁱZ¹¹、下端输入阻抗ⁱⁱZ²²、上端传递阻抗ⁱⁱZ¹²、下端传递阻抗ⁱⁱZ²¹，以及裸基座上各隔振器安装位置之间的传递阻抗^ijZ^b；其中，上标i表示第i个隔振器，j表示第j个隔振器，i,j＝1,2,…，m，m为隔振器总数量；并根据第j个隔振器至第i个隔振器之间的传递阻抗^ijZ^b获得第j个隔振器上下端至第j个隔振器上下端的阻抗；

步骤2，将隔振系统安装在多面安装设备上后，在每个隔振器上、下端各布置一个三向振动传感器；并在隔振系统任意位置上布置一个相位参考点，用于赋相自谱测试；

步骤3，运转多面安装设备并测试各个隔振器上下两端的振动速度并利用相位参考点的相位进行赋相自谱，获得各个振动速度的幅值和相位；

步骤4，多面安装设备对第i个隔振器的振动激励力F^1,i为第i个隔振器上端、第i个隔振器下端、以及除第i个隔振器之外的其他隔振器的上、下端的振动对第i个隔振器上端阻滞力之和；第i个隔振器对基座的振动激励力F^2,i为第i个隔振器上端、第i个隔振器下端、以及除第i个隔振器之外的其他隔振器的上、下端的振动对第i个隔振器下端阻滞力之和；所述阻滞力为阻抗与振动速度的乘积。

进一步地，步骤4中所述多面安装设备对第i个隔振器的振动激励力F^1,i和第i个隔振器对基座的振动激励力F^2,i为：

$F^{1,i}=Z_{11}^{\mathrm{ii}}\·{\stackrel{\·}{q}}^{1,i}+Z_{12}^{\mathrm{ii}}\·{\stackrel{\·}{q}}^{2,i}+\underset{j=1,j\≠1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(Z_{11}^{\mathrm{ij}}\·{\stackrel{\·}{q}}^{1,j}+Z_{12}^{\mathrm{ij}}\·{\stackrel{\·}{q}}^{2,j})$

$F^{2,i}=Z_{21}^{\mathrm{ii}}\·{\stackrel{\·}{q}}^{1,i}+Z_{22}^{\mathrm{ii}}\·{\stackrel{\·}{q}}^{2,i}+\underset{j=1,j\≠1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(Z_{21}^{\mathrm{ij}}\·{\stackrel{\·}{q}}^{1,j}+Z_{22}^{\mathrm{ij}}\·{\stackrel{\·}{q}}^{2,j})$

其中，分别表示第i个隔振器上端、第i个隔振器下端、第j个隔振器上端及第j个隔振器下端的振动对第i个隔振器上端阻滞力；分别表示第i个隔振器上端、第i个隔振器下端、第j个隔振器上端及第j个隔振器下端的振动对第i个隔振器下端阻滞力；是除第i个隔振器之外的其他隔振器对第i个隔振器的阻滞力之和。

进一步地，有

$Z_{11}^{\mathrm{ij}}=\frac{1}{\frac{1}{Z_{21}^{\mathrm{jj}}}+\frac{1}{Z_b^{\mathrm{ij}}}+\frac{1}{Z_{12}^{\mathrm{ii}}}};$

$Z_{21}^{\mathrm{ij}}=\frac{1}{\frac{1}{Z_{21}^{\mathrm{jj}}}+\frac{1}{Z_b^{\mathrm{ij}}}+};$

$Z_{12}^{\mathrm{ij}}=\frac{1}{\frac{1}{Z_{12}^{\mathrm{jj}}}+\frac{1}{Z_b^{\mathrm{ij}}}};$

^ijZ²²＝^ijZ^b。

有益效果：

本发明针对我国机械激励特性测试方法不完善、覆盖面不足，无法满足复杂的工程实际等问题，通过间接测试方法，获取多点多方向弹性支撑机械的多自由度振动激励，用于多个安装面机械设备振动激励力的测试，填补了工程技术空白；该方法考虑了多个支撑点和多个方向之间的相互耦合作用，使测试结果更加准确。本成果的工程应用将为声隐身设计、辐射噪声估算、低噪声设备研制、噪声源识别等提供重要输入数据，解决降低舰船辐射噪声水平的重要制约因素，促进舰船声隐身技术的发展。

附图说明

图1为设备多面安装(两个安装面)示意图。

图2为设备多隔振器支撑示意图。

图3为传感器布置示意图。

图4为本成果一个实施例的隔振器阻抗ⁱⁱZ¹¹和ⁱⁱZ¹²图示。

图5为本成果一个实施例的基座阻抗¹¹Z^b、¹²Z^b、¹³Z^b和¹⁴Z^b图示。

图6为本成果一个实施例的x方向激励力间接和直接测试值对比图示。

图7为本成果一个实施例的y方向激励力间接和直接测试值对比图示。

图8为本成果一个实施例的z方向激励力间接和直接测试值对比图示。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种多面安装设备的多自由度振动激励力间接测试方法，首先通过理论分析，建立了多自由度振动激励力的间接估算公式，然后安装传感器，利用该公式对多自由度振动激励力进行测试。

多面安装设备的各个机脚不在同一个平面内，即存在两个或两个以上安装平面，分别对应安装在不同安装基座或同一基座的不同安装面上(如图1所示)。设备通常由多个隔振器支撑，安装在船体基座上(如图2所示)。多安装面设备隔振系统中，每个隔振器的局部坐标系都是相同的，但不同安装面上的隔振器的局部坐标系方向与设定的隔振系统的系统总坐标系方向并不都是相同的。隔振器局部坐标系与系统总坐标系之间存在着空间对应关系，因此局部坐标系转换到系统总坐标系是可以实现的，坐标转换时需要具体情况具体分析，有针对性地建立隔振器局部坐标系与系统总坐标系的对应关系。具有多个安装面的设备经过坐标变换后，所有分析都在系统总坐标系下进行，不同安装面按对应的不同坐标方向来表征。如果各隔振器的局部坐标系方向一致，则不需要坐标转换。

各个隔振器、各振动方向之间存在着多自由度振动耦合。每个隔振器上下端所受振动激励力为：

$\begin{array}{c}{F}^{1,i}=Z_{11}^{\mathrm{ii}}\·{\stackrel{\·}{q}}^{1,i}+Z_{12}^{\mathrm{ii}}\·{\stackrel{\·}{q}}^{2,i}+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(Z_{11}^{\mathrm{ij}}\·{\stackrel{\·}{q}}^{1,j}+Z_{12}^{\mathrm{ij}}\·{\stackrel{\·}{q}}^{2,j})\\ F^{2,i}=Z_{21}^{\mathrm{ii}}\·{\stackrel{\·}{q}}^{1,i}+Z_{22}^{\mathrm{ii}}\·{\stackrel{\·}{q}}^{2,i}+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(Z_{21}^{\mathrm{ij}}\·{\stackrel{\·}{q}}^{1,j}+Z_{22}^{\mathrm{ij}}\·{\stackrel{\·}{q}}^{2,j})\end{array}---\left(1\right)$

其中，F^1,i为第i个隔振器上端所受力向量，F^2,i为第i个隔振器下端所受力向量；为第i个隔振器上端振动速度向量，为第i个隔振器下端振动速度向量；为第j个隔振器上端振动速度向量，为第j个隔振器下端振动速度向量；ⁱⁱZ¹¹为第i个隔振器上端输入阻抗矩阵，ⁱⁱZ¹²为第i个隔振器上端传递阻抗矩阵，ⁱⁱZ²²为第i个隔振器下端输入阻抗矩阵，ⁱⁱZ²¹为第i个隔振器下端传递阻抗矩阵；^ijZ¹¹为第j个隔振器上端至第i个隔振器上端耦合的传递阻抗矩阵，^ijZ¹²为第j个隔振器上端至第i个隔振器下端耦合的传递阻抗矩阵，^ijZ²¹为第j个隔振器下端至第i个隔振器上端耦合的传递阻抗矩阵，^ijZ²²为第j个隔振器下端至第i个隔振器下端耦合的传递阻抗矩阵。

式(1)中力、速度均为6自由度，而阻抗矩阵为6×6矩阵，均包含3个平动方向和3个转动方向。

式中分别表示第i个隔振器上端、第i个隔振器下端、第j个隔振器上端及第j个隔振器下端的振动对第i个隔振器上端阻滞力的贡献；分别表示第i个隔振器上端、第i个隔振器下端、第j个隔振器上端及第j个隔振器下端的振动对第i个隔振器下端阻滞力的贡献；是除第i个隔振器之外的其他隔振器对第i个隔振器阻滞力的贡献之和。

式(1)表明，每个隔振器上下端的振动速度，对系统中其他隔振器的上下端作用力均有贡献，只是贡献大小不同。

下面对隔振器之间传递阻抗进行计算。

第j个隔振器上端振动传递到第i个隔振器上、下端的阻抗^ijZ¹¹、^ijZ²¹，以及第j个隔振器下端振动传递到第i个隔振器上、下端的阻抗^ijZ¹²、^ijZ²²，其确定方法如下：

(1)第j个隔振器上端振动传递到第i个隔振器上端的阻抗^ijZ¹¹，由三部分阻抗合成：两个隔振器上下端的传递阻抗^jjZ²¹、ⁱⁱZ¹²，以及两个隔振器在基座上安装位置之间的传递阻抗^ijZ^b。根据力与电的类比原理可以表示为：

(2)第j个隔振器上端振动传递到第i个隔振器下端的阻抗^ijZ²¹，由两部分阻抗合成：隔振器上下端的传递阻抗^jjZ²¹，以及两个隔振器在基座上安装位置之间的传递阻抗^ijZ^b。根据力与电的类比原理可以表示为：

$Z_{21}^{\mathrm{ij}}=\frac{1}{\frac{1}{Z_{21}^{\mathrm{jj}}}+\frac{1}{Z_b^{\mathrm{ij}}}}=\frac{Z_{21}^{\mathrm{jj}}}{1+Z_{21}^{\mathrm{jj}}/Z_b^{\mathrm{ij}}}\&ap;Z_{21}^{\mathrm{jj}}(Z_{21}^{\mathrm{jj}}/Z_b^{\mathrm{ij}}<<1)---\left(3\right)$

其中^jjZ²¹/^ijZ^b＜＜1的解释：通常情况下，基座阻抗^ijZ^b比隔振器阻抗^jjZ²¹大10倍以上，也就是说^jjZ²¹/^ijZ^b＜0.1，在基座阻抗未知的情况下可以进行简化。

(3)第j个隔振器下端振动传递到第i个隔振器上端的阻抗^ijZ¹²，由两部分阻抗合成：隔振器上下端的传递阻抗ⁱⁱZ¹²，以及两个隔振器在基座上安装位置之间的传递阻抗^ijZ^b。根据力与电的类比原理可以表示为：

$Z_{12}^{\mathrm{ij}}=\frac{1}{\frac{1}{Z_{12}^{\mathrm{jj}}}+\frac{1}{Z_b^{\mathrm{ij}}}}=\frac{Z_1^2{}_{\mathrm{jj}}}{1+Z_{12}^{\mathrm{jj}}/Z_b^{\mathrm{ij}}}\&ap;Z_1^2{}_{\mathrm{jj}}(Z_1^2{}_{\mathrm{jj}}/Z_b^{\mathrm{ij}}<<1)---\left(4\right)$

(4)第j个隔振器下端振动传递到第i个隔振器下端的阻抗^ijZ²²，等同于两个隔振器在基座上安装位置之间的传递阻抗^ijZ^b，即可以表示为

^ijZ²²＝^ijZ^b    (5)

式(2)～(5)中所有阻抗均为6×6矩阵，阻抗矩阵是将导纳矩阵测试数据经矩阵求逆得到，在求逆过程中的病态问题可用奇异值分解技术加以解决。

在工程中允许对无法测得的互耦合阻抗、传递互耦合阻抗置零，也允许忽略转动和转矩而只考虑平动力与响应，即只考虑x、y、z这3个平动方向激励力和运动响应，阻抗矩阵缩减为3×3矩阵。

按上述公式(1)～(5)，经测试获得必要的输入参数数据，即可计算出多面弹性安装、多自由度设备振动激励力。

振动传感器测点布置：工程中若不考虑转动力矩，则在设备振动响应测试时每个隔振器上下端各布置一个测点，并尽可能靠近隔振器安装位置，每个测点均布置三向振动传感器(如图3所示)，测试三个平动方向的响应，以便间接计算得到设备各个机脚对隔振器施加的振动力。

振动传感器布置完毕后，具体测试步骤如下：

步骤1，隔振系统安装前，单独测试系统所用隔振器的两端输入ⁱⁱZ¹¹、ⁱⁱZ²²与传递阻抗ⁱⁱZ¹²、ⁱⁱZ²¹，测试方法见ISO10846-1；

步骤2，隔振系统安装前，测试裸基座上各个隔振器安装位置之间的传递阻抗^ijZ^b，测试方法见GB/T 11349.3-89；

步骤3，隔振系统安装完毕后，布置传感器测点，并另外布置一个相位参考点供赋相自谱(phase assigned spectrum，由自功率谱与相位组合而成)测试用。这是因为在速度测量时，目前方法获得的速度仅含有幅值，因此需要通过设置参考点通过赋相自谱方法获得相位；

步骤4，运转设备并测试各个隔振器上下两端的振动速度采用赋相自谱进行测试，同时得到各个振动速度的幅值和相位。

步骤5，将所测得的隔振器阻抗、振动速度代入公式(1)，计算得到设备对隔振器的振动激励力F^1,i、隔振器对基座的振动激励力F^2,i。

下面给出一个具体的实例。

对图1所示的两面安装设备，需要在设备安装在基座上之前(或实验完毕从基座上拆卸完毕后)，对安装所用的弹性隔振器进行阻抗测试，获得隔振器的输入和传递阻抗矩阵ⁱⁱZ¹¹、ⁱⁱZ¹²、ⁱⁱZ²¹和ⁱⁱZ²²(如图4所示)。

在基座上之前或实验完毕从基座上拆卸完毕后，测试裸基座上安装点之间的传递阻抗矩阵^ijZ^b(如图5所示)；

将所测得的上述阻抗带入公式(2)～(5)，获得不同隔振器上下端之间耦合的传递阻抗矩阵^ijZ¹¹、^ijZ¹²、^ijZ²¹、^ijZ²²；

当设备安装在基座上并完成隔振器安装(如图3所示)等各项实验准备工作后，开启设备并预热半小时左右，待运转平稳后测试隔振器上下端的振动响应速度等；

将上述所测的阻抗、速度等带入公式(1)，计算得到1号隔振器上端三个平动方向的振动激励力(如图6～图8所示)。

从图6～图8可以发现，该设备在89.5Hz附近激励力最大，如果要降低该设备的振动噪声级，应重点解决该频率附近的振动噪声。

本发明针对多点多面弹性支撑机械设备多自由度振动，提出船舶工程中最常用的机械安装方式——侧挂式安装设备的振动激励力的测试方法，解决工程急需的设备对船体多自由度振动激励的问题，完善机械设备振动激励特性的表征，建立了完善而准确的表征公式，并实验验证了其准确性，为船舶的定量声学设计提供输入参数，为研究并修改我国设备振动噪声限值和低噪声设备研制提供参考依据，可用于各种船舶机械设备的振动激励力测试和特性分析，从而可以解决困扰我国舰船设备激励特性测试的工程难题，为进一步开展广泛的工程测试扫清障碍，为完善机械激励特性测试方法奠定技术基础。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种多面安装设备的多自由度振动激励力间接测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在隔振系统安装于多面安装设备前，测试获得各隔振器的上端输入阻抗ⁱⁱZ¹¹、下端输入阻抗ⁱⁱZ²²、上端传递阻抗ⁱⁱZ¹²、下端传递阻抗ⁱⁱZ²¹，以及裸基座上各隔振器安装位置之间的传递阻抗^ijZ^b；其中，上标i表示第i个隔振器，j表示第j个隔振器，i,j＝1,2,…，m，m为隔振器总数量；并根据第j个隔振器至第i个隔振器之间的传递阻抗^ijZ^b获得第j个隔振器上下端至第j个隔振器上下端的阻抗；

步骤2，将隔振系统安装在多面安装设备上后，在每个隔振器上、下端各布置一个三向振动传感器；并在隔振系统任意位置上布置一个相位参考点，用于赋相自谱测试；

步骤3，运转多面安装设备并测试各个隔振器上下两端的振动速度并利用相位参考点的相位进行赋相自谱，获得各个振动速度的幅值和相位；

步骤4，多面安装设备对第i个隔振器的振动激励力F^1,i为第i个隔振器上端、第i个隔振器下端、以及除第i个隔振器之外的其他隔振器的上、下端的振动对第i个隔振器上端阻滞力之和；第i个隔振器对基座的振动激励力F^2,i为第i个隔振器上端、第i个隔振器下端、以及除第i个隔振器之外的其他隔振器的上、下端的振动对第i个隔振器下端阻滞力之和；所述阻滞力为阻抗与振动速度的乘积。

2.如权利要求1所述的多面安装设备的多自由度振动激励力间接测试方法，其特征在于，步骤4中所述多面安装设备对第i个隔振器的振动激励力F^1,i和第i个隔振器对基座的振动激励力F^2,i为：

$F^{1,i}=Z_{11}^{\mathrm{ii}}\&CenterDot;{\stackrel{\&CenterDot;}{q}}^{1,i}+Z_{12}^{\mathrm{ii}}\&CenterDot;{\stackrel{\&CenterDot;}{q}}^{1,i}+\underset{j=1,j\&NotEqual;i}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(Z_{11}^{\mathrm{ij}}\&CenterDot;{\stackrel{\&CenterDot;}{q}}^{1,j}+Z_{12}^{\mathrm{ij}}\&CenterDot;{\stackrel{\&CenterDot;}{q}}^{2,j})$

$F^{2,i}=Z_{21}^{\mathrm{ii}}\&CenterDot;{\stackrel{\&CenterDot;}{q}}^{1,i}+Z_{22}^{\mathrm{ii}}\&CenterDot;{\stackrel{\&CenterDot;}{q}}^{2,i}+\underset{j=1,j\&NotEqual;i}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(Z_{21}^{\mathrm{ij}}\&CenterDot;{\stackrel{\&CenterDot;}{q}}^{1,j}+Z_{22}^{\mathrm{ij}}\&CenterDot;{\stackrel{\&CenterDot;}{q}}^{2,j})$

其中，分别表示第i个隔振器上端、第i个隔振器下端、第j个隔振器上端及第j个隔振器下端的振动对第i个隔振器上端阻滞力；分别表示第i个隔振器上端、第i个隔振器下端、第j个隔振器上端及第j个隔振器下端的振动对第i个隔振器下端阻滞力；是除第i个隔振器之外的其他隔振器对第i个隔振器的阻滞力之和。

3.如权利要求2所述的多面安装设备的多自由度振动激励力间接测试方法，其特征在于，

$Z_{11}^{\mathrm{ij}}=\frac{1}{\frac{1}{Z_{21}^{\mathrm{jj}}}+\frac{1}{Z_b^{\mathrm{ij}}}+\frac{1}{Z_{12}^{\mathrm{ii}}}};$

$Z_{21}^{\mathrm{ij}}=\frac{1}{\frac{1}{Z_{21}^{\mathrm{jj}}}+\frac{1}{Z_b^{\mathrm{ij}}}};$

^ijZ²²＝^ijZ^b。