CN113624320A - 一种船舶便携式多通道振动测试与评估一体机 - Google Patents
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Abstract
本发明船舶减振降噪技术领域，具体涉及一种船舶便携式多通道振动测试与评估一体机。该一体机为船舶航行的过程中，提供了一种振动测试评估装置。该一体机利用采集装置中传声器和加速度传感器，对船舶在航行过程中机械设备振动噪声数据持续采集。机箱内设置有电池，可满足在脱离外接电源情况下实船的长航时测试要求。主机中的分析系统对采集的时域信号进行频域计算并完成实船水下噪声的快速评估，优化了数据采集的步骤，简化了试验评估的流程，缩短了分析计算时间，大大提高了对实船振动噪声特性测试与评估的工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及船舶减振降噪技术领域，具体涉及一种船舶便携式多通道振动测试与评估一体机。
背景技术
船舶水下噪声快速预报是对其航行状态水下噪声在线监测、实时预报的基础，目地是掌握舰船不同航行状态下实时声学状态，能够为舰船动态隐身提供实时决策保障。通常，船上机械设备运作是引起舰船局部振动和辐射噪声的重要原因之一，设备在工作时产生的振动能量会通过与其接触的基体或其他设备向外传播，进而引起水下辐射噪声。因此，在预报舰船水下噪声过程时，需采集船上主要设备的振动噪声激励载荷并以此为激励点和声源利用计算机仿真对整船振动噪声特性进行研究。
但是，传统分析过程计算繁琐且时效性差，不能在试验过程中及时反馈各工况下振动特性变化。且对于大型机械设备而言，传统的振动采集设备通道较少，需要串联采集板卡或二次采样，而采集板卡通常需要外部接入电脑来启动工作，这无疑使测试变得复杂。
经检索，中国专利文献CN101956578B中公开了一种可组网便携式汽轮机组振动数据采集与故障分析系统。该系统包括ARM主控模块、电源模块、故障诊断模块、对传感器传递的快变及键相信号进行预处理的信号调理模块。信号调理模块的输出端连接可对多路同步快变信号进行键相采集的同步快变信号采集模块。同步快变信号采集模块的输出端与ARM主控模块通过总线通讯连接。故障诊断模块接收ARM主控模块通过总线传递的数据并诊断。诊断结果通过总线反馈给ARM主控模块。电源模块通过总线为信号调理模块、同步快变信号采集模块以及ARM主控模块提供电源。总线为PC/104 并行总线。该系统结构紧凑小巧、方便携带、能够与其他系统组网以动态分配任务、处理效率高、使用灵活性好。
但是，上述可组网便携式汽轮机组振动数据采集与故障分析系统仅用于对汽轮机组的振动数据实施采集，并辅以一定程度的故障分析，主要是为了提高故障分析的处理效率。该系统难以对海洋平台上的机械设备的声振信号实施采集，进而难以对机械设备的减隔振结构做出试验评估，从而难以进一步评估机械设备的声学性能。
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，在船舶航行过程中，如何设计一种振动测试评估装置，用以实现对船舶上机械设备的振动信号和声压信号的采集，进而实现对船舶水下辐射噪声的评估，同时提高评估效率，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，为船舶航行的过程中，提供一种振动测试评估装置，用以实现对船舶上机械设备的振动信号和声压信号的采集，进而实现对船舶水下辐射噪声的评估，同时提高评估效率。
为实现上述目的，本发明采用如下方案：提出一种船舶便携式多通道振动测试与评估一体机，包括机箱、采集装置和主机；
所述机箱的顶部设置有盖板，所述盖板的一端与机箱铰接，所述盖板的另一端通过锁扣与机箱连接，所述盖板的内侧嵌入有显示屏，所述机箱的侧壁上设置有电源接口、以太网口和供采集信号输入的数据接口区，所述机箱内具有容纳主机的放置腔，所述放置腔内设置有电池和供电池充电的电源适配器，所述电源适配器与电源接口相连；
所述采集装置包括采集声压信号的传声器和加速度传感器，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，所述传声器和加速度传感器均通过线缆经数据接口区与主机相连；
所述主机安装在放置腔的底部，所述主机与数据接口区之间设置有数据采集板卡，所述主机具有评估船舶水下辐射噪声的分析系统。
作为优选，分析系统包括采集模块、分析模块、评估模块和存储模块，采集模块用于将时域信号转换成频域信号，分析模块用于对频域信号进行分析计算得到声振性能指标，评估模块用于将声振性能指标与标准指标进行比较得到评估结果，评估结果被存储在存储模块中。
作为优选，数据采集板卡收集第一振动信号、第二振动信号和声压信号，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声压时域信号传送至主机。
作为优选，数据接口区包括第一数据接口区和第二数据接口区，第一数据接口区和第二数据接口区均具有16路通道。如此设置，为试验过程中提供了32路实时采集数据的通道，大大提高了实施振动试验的效率。
作为优选，声振性能指标包括隔振量和声振传递函数，隔振量为机脚处的振动加速度级与基座处的振动加速度级的差值，声振传递函数为声压频域信号和第二振动频域信号的比值。如此设置，通过隔振量和声振传递函数来体现声振性能指标，有利于实现对设备减隔振性能的快速评估。
作为优选，采集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。
作为优选，机箱的棱角处设置有缓冲垫，机箱的侧壁上设置有把手。如此设置，缓冲垫提升了机箱的防撞性能，把手进一步提高了箱体的便携性。
作为优选，主机连接有供人机交互使用的键盘，键盘的一侧设置有触摸板。如此设置，便于操作人员在试验中修改参数设置。
作为优选，机箱上设置有按钮和显示运行状态的提示灯，放置腔内设置有风扇。如此设置，按钮用于启动和关闭船舶便携式多通道振动测试与评估一体机，风扇用于增加机箱内的散热效率，进而使得主机处于合适的工作温度。
作为优选，盖板的一端通过合页与机箱铰接，锁扣为滑动钩锁。
本发明提供的一种船舶便携式多通道振动测试与评估一体机与现有技术相比，具有如下突出的实质性特点和显著进步：该船舶便携式多通道振动测试与评估一体机在机箱的外侧通过线缆连接传声器和加速度传感器，传声器和加速度传感器采集的信号通过线缆经数据接口区，利用数据采集卡将时域信号转换成频域信号后传递至主机，如此一来，实现了对船舶上机械设备的振动信号和声压信号的采集，进而实现了对船舶水下辐射噪声的评估，优化了数据采集的步骤，大大提高评估效率。
附图说明
图1是本发明实施例中一种船舶便携式多通道振动测试与评估一体机的立体结构示意图；
图2是图1中船舶便携式多通道振动测试与评估一体机的采集接口示意图；
图3是机箱内部的结构示意图；
图4是本发明实施例中一种船舶便携式多通道振动测试与评估一体机的模块示意图；
图5是单源激励船舶水下辐射噪声快速预报的流程图。
附图标记：机箱1、紧固件2、按钮10、显示屏11、键盘12、触摸板13、风扇14、合页15、滑动钩锁16、缓冲垫17、提示灯18、把手19、电源接口21、USB端口22、以太网口23、第一数据接口区24、第二数据接口区25、输出接口26、数据采集板卡31、电池32、电源适配器33、上位机主板34。
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。
如图1-4所示的一种船舶便携式多通道振动测试与评估一体机，为船舶航行的过程中，提供了一种振动测试评估装置。该一体机利用采集装置对船舶在航行过程中机械设备振动噪声数据的便捷、持续采集。机箱内设置有电池，可满足在脱离外接电源情况下实船的长航时测试要求。主机中的分析系统对采集的时域信号进行频域计算并完成实船水下噪声的快速评估，简化了试验评估的流程，缩短了分析计算时间，提高了对实船振动噪声特性测试与评估的工作效率。
如图1所示，一种船舶便携式多通道振动测试与评估一体机，包括机箱1、采集装置和主机。机箱1的顶部设置有盖板。盖板的一端与机箱1铰接。盖板的另一端通过锁扣与机箱1连接。盖板的内侧嵌入有显示屏11。如图2所示，机箱1的侧壁上设置有电源接口21、以太网口23和供采集信号输入的数据接口区。如图3所示，机箱1内具有容纳主机的放置腔。放置腔内设置有电池32和供电池32充电的电源适配器33。电源适配器33与电源接口21相连。
其中，机箱1为铝合金箱体。如此设置，有利于提高机箱1的抗电磁能力，进而对箱体内的电器元件形成电磁防护，进一步提高了评估系统的稳定性。为了便于盖板的开合，盖板的一端通过合页15与机箱1铰接。合页15可选用蝶形合页。锁扣可选用滑动钩锁16。
主机连接有供人机交互使用的键盘12。键盘12的一侧设置有触摸板13。如此设置，便于操作人员在试验中修改参数设置。
机箱1上设置有按钮10和显示运行状态的提示灯18。放置腔内设置有风扇14。如此设置，按钮10用于启动和关闭船舶便携式多通道振动测试与评估一体机。风扇14用于增加机箱1内的散热效率，进而使得主机处于合适的工作温度。
如图4所示，采集装置包括采集声压信号的传声器和加速度传感器。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。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。传声器和加速度传感器均通过线缆经数据接口区与主机相连。
如图3所示，主机安装在放置腔的底部。主机与数据接口区之间设置有数据采集板卡31。主机具有评估船舶水下辐射噪声的分析系统。主机可选用上位机主板34。数据采集板卡31和上位机主板34均通过紧固件2与机箱1实施固定。机箱1的侧壁上还设置有USB端口22。如此设置，便于将采集装置采集的各类信号数据以及评估结果导出，有利于对各项数据实施进一步分析。
如图2所示，数据接口区包括第一数据接口区24和第二数据接口区25。第一数据接口区24和第二数据接口区25均具有16路通道。如此设置，为试验过程中提供了32路实时采集数据的通道，大大提高了实施振动试验的效率。
数据接口区的一侧还可以设置有输出接口26。输出接口26用于直接将采集装置采集的信号数据直接导出至第三方分析仪，以便于对数据实施深度分析。
机箱1的棱角处设置有缓冲垫17。机箱1的侧壁上设置有把手19。如此设置，缓冲垫17提升了机箱1的防撞性能，把手19进一步提高了箱体的便携性。
如图4所示，分析系统包括采集模块、分析模块、评估模块和存储模块。采集模块用于将时域信号转换成频域信号。分析模块用于对频域信号进行分析计算得到声振性能指标。评估模块用于将声振性能指标与标准指标进行比较得到评估结果。评估结果被存储在存储模块中。
数据采集板卡31收集第一振动信号、第二振动信号和声压信号，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声压时域信号传送至主机。
其中，声振性能指标包括隔振量和声振传递函数。隔振量为机脚处的振动加速度级与基座处的振动加速度级的差值。声振传递函数为声压频域信号和第二振动频域信号的比值。如此设置，通过隔振量和声振传递函数来体现声振性能指标，有利于实现对设备减隔振性能的快速评估。
采集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。
分析系统为内置软件分析程序，由采集模块、分析模块、评估模块和存储模块四个模块组成。通过采集模块对采集到的时域信号进行傅里叶变换得到其频域信号，并对频域信号进行分析计算，得到所需声振性能指标。声振性能指标主要包括传递函数、阻抗、隔振量和辐射噪声等。最后将评估结果存放在存储模块中。从而达到快速采集、分析和评估平台机械设备声振性能是否达标。该系统具有操作简单，携带方便，功能强大，适合平台各类机械设备现场测试的需求。
分析模块还对振动信号和声压信号进行频谱分析和声级分析，具体有：线谱分析、1/3倍频程分析、ABCD计权分析、时间计权分析、等效声级分析、有效值谱分析、幅值谱分析和功率谱分析等。
如图5所示，以单源激励舰船辐射噪声测试试验为例，本发明实施例中一种船舶便携式多通道振动测试与评估一体机使用时：
试验前准备，确定舰船所有主要设备的基座测点和水下声压考核点。保持一体机中锂电池电量充足并携带至试验场地。
设备激励载荷获取，将传感器通过数据传输线与一体机连接，启动上位机采集分析程序，读取和调用采集板卡中的缓冲信号，获得设备基座振动加速度载荷，作为快速预报的输入。
激励位置与声压考核点之间的声振传递函数计算，根据舰船设备基座振动加速度和水下辐射噪声数据获取方式的不同，可以采用实船测量法、数值仿真法以及参数估算法等三种方式计算激励位置与声压考核点之间的声-振传递函数。
声振传递函数预存储，基于给定舰船声振传递函数的不变性，将预先计算的声振传递函数以矩阵形式存储在计算机中形成数据库，快速预报时直接调用。
单源激励舰船辐射噪声快速预报，直接从声振传递函数矩阵数据库中调用相应的声振传递函数，与基座振动加速度载荷相乘。即可快速得到所要分析的声场声压。
分析系统在获得采集装置的设备激励载荷数据后，进入数据库中读取声振传递函数的具体值，根据激励载荷与传递函数的乘积，快速评估由该激励源产生的水下辐射噪声。若激励源不唯一，将根据能量叠加原理进行多源激励的响应分析。
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 (10)
1.一种船舶便携式多通道振动测试与评估一体机，其特征在于，包括机箱、采集装置和主机；
所述机箱的顶部设置有盖板，所述盖板的一端与机箱铰接，所述盖板的另一端通过锁扣与机箱连接，所述盖板的内侧嵌入有显示屏，所述机箱的侧壁上设置有电源接口、以太网口和供采集信号输入的数据接口区，所述机箱内具有容纳主机的放置腔，所述放置腔内设置有电池和供电池充电的电源适配器，所述电源适配器与电源接口相连；
所述采集装置包括采集声压信号的传声器和加速度传感器，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，所述传声器和加速度传感器均通过线缆经数据接口区与主机相连；
所述主机安装在放置腔的底部，所述主机与数据接口区之间设置有数据采集板卡，所述主机具有评估船舶水下辐射噪声的分析系统。
2.根据权利要求1所述的船舶便携式多通道振动测试与评估一体机，其特征在于，所述分析系统包括采集模块、分析模块、评估模块和存储模块，所述采集模块用于将时域信号转换成频域信号，所述分析模块用于对频域信号进行分析计算得到声振性能指标，所述评估模块用于将声振性能指标与标准指标进行比较得到评估结果，所述评估结果被存储在存储模块中。
3.根据权利要求1所述的船舶便携式多通道振动测试与评估一体机，其特征在于，所述数据采集板卡收集第一振动信号、第二振动信号和声压信号，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声压时域信号传送至主机。
4.根据权利要求1所述的船舶便携式多通道振动测试与评估一体机，其特征在于，所述数据接口区包括第一数据接口区和第二数据接口区，所述第一数据接口区和第二数据接口区均具有16路通道。
5.根据权利要求2所述的船舶便携式多通道振动测试与评估一体机，其特征在于，所述声振性能指标包括隔振量和声振传递函数，所述隔振量为机脚处的振动加速度级与基座处的振动加速度级的差值，所述声振传递函数为声压频域信号和第二振动频域信号的比值。
6.根据权利要求2所述的船舶便携式多通道振动测试与评估一体机，其特征在于，所述采集模块通过快速傅里叶变换将时域信号转换成频域信号。
7.根据权利要求1所述的船舶便携式多通道振动测试与评估一体机，其特征在于，所述机箱的棱角处设置有缓冲垫，所述机箱的侧壁上设置有把手。
8.根据权利要求1所述的船舶便携式多通道振动测试与评估一体机，其特征在于，所述主机连接有供人机交互使用的键盘，所述键盘的一侧设置有触摸板。
9.根据权利要求1所述的船舶便携式多通道振动测试与评估一体机，其特征在于，所述机箱上设置有按钮和显示运行状态的提示灯，所述放置腔内设置有风扇。
10.根据权利要求1所述的船舶便携式多通道振动测试与评估一体机，其特征在于，所述盖板的一端通过合页与机箱铰接，所述锁扣为滑动钩锁。
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