CN113532630A - 船用振动噪声快速测试评估装置 - Google Patents

船用振动噪声快速测试评估装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及船舶与海洋工程减振降噪技术领域，具体涉及一种船用振动噪声快速测试评估装置。该装置的第一加速度传感器被设置在设备的机脚处以采集设备的第一振动信号。第二加速度传感器被设置在基座上以采集设备经隔振结构减隔振后的第二振动信号。传声器用于采集设备的噪声信号。数据采集卡收集第一振动信号、第二振动信号和噪声信号，形成相应的时域信号。信号处理模块用于将时域信号转换成频域信号。减隔振性能评估模块根据振动频域信号计算获得隔振量。噪声特性评估模块根据噪声频域信号和第二振动频域信号获得声振传递函数。该装置实现了对隔振结构减隔振性能的快速评估，以及对设备的振动噪声特性的评估，大大提高了振动噪声评估的时效性。

Description

船用振动噪声快速测试评估装置
技术领域
本发明涉及船舶与海洋工程减振降噪技术领域，具体涉及一种船用振动噪声快速测试评估装置。
背景技术
船体作为一个空间复杂结构的弹性体，在动力设备和风浪等干扰力作用下，使得船体各部位会产生不同程度的振动。动力设备在工作时会产生振动与噪声，其振动能量会通过与其接触的基体或其他设备向外传播，过大的振动会对设备自身性能及寿命造成影响，同时还会引起船内噪声的增大，降低船内舒适度。故在船舶与海洋工程的设计与建造过程中，对动力设备产生的振动噪声进行积极的隔离与防护很有必要。
目前，现有技术中对船用设备进行减隔振设计是指在结构构件之间、设备与基础之间设置隔振减振装置，通过减隔振装置的耗能特性，减小振动能量向周围环境的传递。而对于评估当前结构形式下船舶的振动和噪声特性，通常采用传统的仿真建模数值分析。其中，仿真建模数值分析的过程繁琐且时效性差，不能及时反馈所测结构的振动特性变化。因此，如何快速高效地进行振动噪声评估是对船舶进行减振降噪研究的关键问题之一。
经检索，中国专利文献CN102042166B中公开了一种风电机组振动检测装置及方法。该装置包括数个振动传感器，分别设置在风电机组的数个部件上以采集各部件的振动信号；至少一个振动开关，设置在风电机组的机舱上以检测机舱的振动信号。若检测获知机舱的振动大于振动开关的开启阈值，则向控制模块发送故障信号。如此一来，实现了当风电机组振动状态数据超过预设的故障值时，可以关闭风电机组，为风电机组提供了充分、可靠的安全保障。
但是，该风电机组振动检测装置仅用于检测机舱内的实时振动信号，将测得的振动信号与预设的故障值进行比较，进而实现对风电机组的保护。其中测得的振动信号仅作为判断风电机组是否正常工作的特征量，难以对风电机组的振动优化提供指导方向，更是难以对船舶进行减振降噪相关研究提供实践帮助。
又如，中国专利文献CN106323574B中公开了一种有源设备振动对车体结构影响的评估方法。该方法包括：获取个通道振动信号从测试台架安装接口到车体安装接口的传递函数，以及各通道振动信号从车体安装接口到车体内部结构的传递函数；通过测试台架振动测试得到各通道振动信号，以得到输入信号，并得到车体内部结构的各通道振动输出信号；由车体内部结构的振动输出信号变换得到对应的时域信号，计算得到振动评价值样本；对振动评价值样本取平均值，得到振动评价预估值，以判断有源设备振动是否达标。
但是，上述评估方法主要是应用于有源设备振动对车体结构的影响，用来判断有源设备的振动是否达到标准，难以对船舶上指定设备实施振动噪声特性评估。
综上所述，在对船舶的振动噪声实施测试评估的过程中，如何设计一种测试评估设备，用以快速评估船舶设备当前隔振结构的减隔振性能，同时，实现对指定设备的振动噪声特性进行评估，大大提高振动噪声评估的时效性，就成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于，为评估船舶的振动噪声的过程中，提供一种测试评估设备，用以快速评估船舶设备当前隔振结构的减隔振性能，同时，实现对指定设备的振动噪声特性进行评估，大大提高振动噪声评估的时效性。
为实现上述目的，本发明采用如下方案：提出一种船用振动噪声快速测试评估装置，包括加速度传感器、传声器、数据采集卡和工控机，所述加速度传感器通过第一信号线与数据采集卡相连，所述传声器通过第二信号线与数据采集卡相连，所述数据采集卡通过第三信号线与工控机相连；
所述加速度传感器包括第一加速度传感器和第二加速度传感器，所述第一加速度传感器被设置在设备的机脚处以采集设备的第一振动信号，所述第二加速度传感器被设置在基座上以采集设备经隔振结构减隔振后的第二振动信号；
所述传声器被设置在考核舱室内以采集设备的噪声信号；
所述数据采集卡收集第一振动信号、第二振动信号和噪声信号，形成相应的时域信号，并将第一振动时域信号、第二振动时域信号和噪声时域信号传送至工控机；
所述工控机包括信号处理模块、减隔振性能评估模块和噪声特性评估模块，所述信号处理模块用于将时域信号转换成频域信号，所述减隔振性能评估模块根据第一振动频域信号和第二振动频域信号计算获得用于评估隔振结构的减隔振性能的隔振量，所述噪声特性评估模块根据噪声频域信号和第二振动频域信号获得用于评估舱室噪声特性的声振传递函数。
作为优选，设备位于与考核舱室相隔的设备舱室中，基座固定安装在设备舱室的底板上，设备通过隔振结构与基座相连。如此设置，设备舱室与考核舱室相隔离，能够更加符合实际设备工作情况下的噪声特性，如此一来，使得船用振动噪声快速测试评估装置的评估结果更加贴近设备的工作情况，更具有客观性。
作为优选，第一加速度传感器在设备的机脚的端面上等间距排布，第一加速度传感器通过第一螺纹与设备的机脚连接，第二加速度传感器在基座的端面上等间距排布，第二加速度传感器通过第二螺纹与基座连接。如此设置，位于设备的机脚的第一加速度传感器能够更加准确的反映设备的振动信号，从而使得数据采集卡获得的第一振动时域信号更加准确，位于基座上的第二加速度传感器能够更加准确的反映设备经过隔振结构减隔振后的振动信号，从而使得数据采集卡获得的第二振动时域信号更加准确，进而实现更加精准的评估隔振结构的减隔振性能。
作为优选，传声器通过支架固定安装在考核舱室的底板上，传声器的收声孔的轴线距离考核舱室的底板的平面为1.5米。如此设置，传声器的布置更加靠近人耳的高度，进而提高对设备振动噪声特性评估的准确性。
作为优选，第一信号线的两端均设置有第一转接头，第二信号线的两端均设置有第二转接头，第三信号线的两端均设置有第三转接头。如此设置，便于加速度传感器、传声器和数据采集卡的快速连接，进而提高了对设备振动的评估效率。
作为优选，第二信号线上设置有信号转接盒。如此设置，有利于传声器采集的噪声信号更加完整的传送至数据采集卡，降低了噪声信号的损失。
作为优选，数据采集卡具有32路采集通道，数据采集卡的采样频率为0-128KHz。如此设置，提高了数据采集卡同时处理的多个不同传感器采集的信号，有利于提高评估结果的准确性。
作为优选，信号处理模块通过快速傅里叶变换将时域信号转换成频域信号。如此设置，大大降低了减隔振性能评估模块和噪声特性评估模块的计算量，提高了获得隔振结构的减隔振性能评估结果和舱室噪声特性评估结果的效率。
本发明提供的一种船用振动噪声快速测试评估装置与现有技术相比，具有如下突出的实质性特点和显著进步：
1、该船用振动噪声快速测试评估装置利用加速度传感器和传声器分别获取振动信号和噪声信号，优化了传统评估方法中仿真建模计算的复杂过程，实现了对设备的振动噪声特性的评估，大大提高了评估结果的时效性；
2、该船用振动噪声快速测试评估装置中采集第一振动信号的第一加速度传感器，以及采集第二振动信号的第二加速度传感器，经过数据采集卡的采集，分别获得第一振动时域信号和第二振动时域信号，再经信号处理模块将时域信号转换成频域信号，减隔振性能评估模块在第一振动频域信号中减去第二振动频域信号，计算获得隔振量，实现了对隔振结构的减隔振性能的快速评估。
附图说明
图1是本发明实施例中一种船用振动噪声快速测试评估装置的安装示意图；
图2是一种船用振动噪声快速测试评估装置中传感器和传声器的布设示意图；
图3是一种船用振动噪声快速测试评估装置的结构示意图；
图4是输入、系统与输出之间关系图；
图5是一种船用振动噪声快速测试评估装置的工作流程图。
附图标记：船舱1、水线2、设备3、基座4、隔振结构5、第一加速度传感器6、第二加速度传感器7、设备舱室8、考核舱室9、传声器10、支架11、数据采集卡12、工控机13、用户界面14、力传感器15、力激振器16、功率放大器17、信号接收发生器18、信号转接盒19。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。
本实施例的船用振动噪声快速测试评估装置，用于船舶工程中对船舱中指定结构处的振动噪声特性进行快速评估。该装置通过将加速度传感器和传声器布置在指定测点处，经过数据采集卡的采集和工控一体机内的频域分析计算，获得当前结构的阻抗特性，从而进行进一步的振动性能评估。该装置适用于对船上推进电机、流变机组、空调器等设备的振动测试。同时，用于上述设备箱装体的减振隔振性能评估，存储设备振动测试数据，实现设备单机辐射噪声、舱室噪声、设备振动噪声传递途径的快速评估，为船舶振动噪声控制、船舶设计及舱室居住性设计提供支撑。
如图1所示，船舱1作为一个空间复杂结构的弹性体。部分船舱1位于水线2以上，部分船舱1位于水线2以下。在动力设备和风浪等干扰力作用下，使得船体各部位会产生不同程度的振动。动力设备在工作时会产生振动与噪声，其振动能量会通过与其接触的基体或其他设备向外传播，过大的振动会对设备自身性能及寿命造成影响，同时还会引起船内噪声的增大，降低船内舒适度。
如图1结合图2所示，一种船用振动噪声快速测试评估装置，包括加速度传感器、传声器10、数据采集卡12和工控机13。加速度传感器通过第一信号线与数据采集卡12相连。传声器10通过第二信号线与数据采集卡12相连。数据采集卡12通过第三信号线与工控机13相连。
加速度传感器包括第一加速度传感器6和第二加速度传感器7。第一加速度传感器6被设置在设备3的机脚处以采集设备3的第一振动信号。第二加速度传感器7被设置在基座4上以采集设备3经隔振结构5减隔振后的第二振动信号。
如图2所示，第一加速度传感器6在设备3的机脚的端面上等间距排布。第一加速度传感器6通过第一螺纹与设备3的机脚连接。第二加速度传感器7在基座4的端面上等间距排布。第二加速度传感器7通过第二螺纹与基座4连接。如此设置，位于设备3的机脚的第一加速度传感器6能够更加准确的反映设备3的振动信号，从而使得数据采集卡12获得的第一振动时域信号更加准确。位于基座4上的第二加速度传感器7能够更加准确的反映设备3经过隔振结构5减隔振后的振动信号，从而使得数据采集卡12获得的第二振动时域信号更加准确。进而实现了更加精准的评估隔振结构5的减隔振性能。
传声器10被设置在考核舱室9内以采集设备3的噪声信号。设备3位于与考核舱室9相隔的设备舱室8中。基座4固定安装在设备3舱室的底板上。设备3通过隔振结构5与基座4相连。如此设置，设备3舱室与考核舱室9相隔离，能够更加符合实际设备3工作情况下的噪声特性。如此一来，使得船用振动噪声快速测试评估装置的评估结果更加贴近设备3的工作情况，更具有客观性。
传声器10通过支架11固定安装在考核舱室9的底板上。传声器10的收声孔的轴线距离考核舱室9的底板的平面为1.5米。如此设置，传声器10的布置更加靠近人耳的高度，进而提高对设备3振动噪声特性评估的准确性。
如图3所示，数据采集卡12收集第一振动信号、第二振动信号和噪声信号，形成相应的时域信号。数据采集卡12还将第一振动时域信号、第二振动时域信号和噪声时域信号传送至工控机13。
工控机13包括信号处理模块、减隔振性能评估模块和噪声特性评估模块。信号处理模块用于将时域信号转换成频域信号。减隔振性能评估模块根据第一振动频域信号和第二振动频域信号计算获得用于评估隔振结构5的减隔振性能的隔振量。噪声特性评估模块根据噪声频域信号和第二振动频域信号获得用于评估舱室噪声特性的声振传递函数。
如图4所示，传递函数=输出/输入=相应/激励载荷。其中，声振传递函数为噪声频域信号和第二振动频域信号的比值，具体到本实施例，为传声器检测点的声压与基座振动加速度的比值。
信号处理模块可通过快速傅里叶变换将时域信号转换成频域信号。如此设置，大大降低了减隔振性能评估模块和噪声特性评估模块的计算量，提高了获得隔振结构5的减隔振性能评估结果和舱室噪声特性评估结果的效率。
其中，第一信号线的两端均设置有第一转接头。第二信号线的两端均设置有第二转接头。第三信号线的两端均设置有第三转接头。如此设置，便于加速度传感器、传声器10和数据采集卡12的快速连接，进而提高了对设备3振动的评估效率。
数据采集卡12具有32路采集通道。数据采集卡12的采样频率为0-128KHz。如此设置，提高了数据采集卡12同时处理的多个不同传感器采集的信号，有利于提高评估结果的准确性。
第二信号线上设置有信号转接盒19。如此设置，有利于传声器10采集的噪声信号更加完整的传送至数据采集卡12，降低了噪声信号的损失。
如图5所示，在设备3开启并达到预定工况后。第一加速度传感器6采集设备3的第一振动信号。第二加速度传感器7采集设备3经隔振结构5减隔振后的第二振动信号。第一振动信号和第二振动信号经数据采集卡12收集形成时域信号。传声器10在考核舱室9中采集噪声信号。噪声信号经信号转接盒19的处理传送至数据采集卡12。数据采集卡12同样将噪声信号收集形成时域信号。工控机13在设置好采样参数后通过静态IP地址调用数据采集卡12，读取当前各通道的时域信号。
工控机13中的信号处理模块对时域信号实施快速傅里叶变换，将时域信号转换成频域信号。可获得加速度传感器测点处在5Hz-10kHz频域范围内的振动加速度幅值。
隔振结构5的隔振量可由如下公式计算得出：
Figure 26867DEST_PATH_IMAGE001
上式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
表示总隔振量，
Figure 84953DEST_PATH_IMAGE003
表示设备机脚处的振动加速度级；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表示设备下方基座面板处的振动加速度级。
其中振动加速度级由多个测点通过能量平均得到，可由如下公式计算得出：
Figure 504171DEST_PATH_IMAGE005
上式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
表示第i个测点的振动加速度总级，
Figure 102642DEST_PATH_IMAGE007
的值可由如下公式计算得出：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
上式中，
Figure 854698DEST_PATH_IMAGE009
表示该测点1/3倍频程中第k个频段中心频率处的振动加速度级。
如图3结合图5所示，工控机13作为数据采集卡的上位机，用户可在用户界面14上对其设置采样参数和分析参数后启动数据采集卡。还可以对设备指定测点处的激励力在时间上进行同步测量。设备3上还设置有力传感器15。力传感器15测得的压力信号经数据采集卡12的收集，形成力的时域信号。用户可在用户界面14上通过信号接收发生器18驱动力激振器16向设备3施加激振力。其中，力激振器16和信号接收发生器18之间设置有功率放大器17。然后对测得的时域数据做快速傅里叶变化，最终得到频域下的激振力与振动运动相关参数。根据阻抗可变基座设计原理和声振函数的不变性，准确获得“力-振”、“声-振”、“力-声”的幅值相位关系，从而对船上指定设备在启闭状态下的振动噪声特性进行评估。
本发明实施例中的船用振动噪声快速测试评估装置，与传统的船用设备评估方法相比，提高了时效性，除去了仿真建模计算的复杂过程。在船舶生产制造阶段或码头系泊状态下，当设备稳定运行后，利用加速度传感器测的设备基座振动加速度时域数据。通过傅里叶变换，得到船舶设备基座振动加速度频域激励载荷，经分析处理，得到船舶设备当前隔振装置的减隔振性能并进行评估。同时，利用传声器及水听器分别测量船舶舱室空气噪声和水下声压考核点的声压，考核点声压与基座振动加速度比值即为两者间声振传递函数，进一步地可对船上指定设备在启闭状态下的振动噪声特性进行评估。
本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种船用振动噪声快速测试评估装置，其特征在于，包括加速度传感器、传声器、数据采集卡和工控机，所述加速度传感器通过第一信号线与数据采集卡相连，所述传声器通过第二信号线与数据采集卡相连，所述数据采集卡通过第三信号线与工控机相连；
所述加速度传感器包括第一加速度传感器和第二加速度传感器，所述第一加速度传感器被设置在设备的机脚处以采集设备的第一振动信号，所述第二加速度传感器被设置在基座上以采集设备经隔振结构减隔振后的第二振动信号；
所述传声器被设置在考核舱室内以采集设备的噪声信号；
所述数据采集卡收集第一振动信号、第二振动信号和噪声信号，形成相应的时域信号，并将第一振动时域信号、第二振动时域信号和噪声时域信号传送至工控机；
所述工控机包括信号处理模块、减隔振性能评估模块和噪声特性评估模块，所述信号处理模块用于将时域信号转换成频域信号，所述减隔振性能评估模块根据第一振动频域信号和第二振动频域信号计算获得用于评估隔振结构的减隔振性能的隔振量，所述噪声特性评估模块根据噪声频域信号和第二振动频域信号获得用于评估舱室噪声特性的声振传递函数。
2.根据权利要求1所述的船用振动噪声快速测试评估装置，其特征在于，所述设备位于与考核舱室相隔的设备舱室中，所述基座固定安装在设备舱室的底板上，所述设备通过隔振结构与基座相连。
3.根据权利要求1所述的船用振动噪声快速测试评估装置，其特征在于，所述第一加速度传感器在设备的机脚的端面上等间距排布，所述第一加速度传感器通过第一螺纹与设备的机脚连接，所述第二加速度传感器在基座的端面上等间距排布，所述第二加速度传感器通过第二螺纹与基座连接。
4.根据权利要求1所述的船用振动噪声快速测试评估装置，其特征在于，所述传声器通过支架固定安装在考核舱室的底板上，所述传声器的收声孔的轴线距离考核舱室的底板的平面为1.5米。
5.根据权利要求1所述的船用振动噪声快速测试评估装置，其特征在于，所述第一信号线的两端均设置有第一转接头，所述第二信号线的两端均设置有第二转接头，所述第三信号线的两端均设置有第三转接头。
6.根据权利要求1所述的船用振动噪声快速测试评估装置，其特征在于，所述第二信号线上设置有信号转接盒。
7.根据权利要求1所述的船用振动噪声快速测试评估装置，其特征在于，所述数据采集卡具有32路采集通道，所述数据采集卡的采样频率为0-128KHz。
8.根据权利要求1所述的船用振动噪声快速测试评估装置，其特征在于，所述信号处理模块通过快速傅里叶变换将时域信号转换成频域信号。
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