CN114689255A - 一种舰船复合材料结构的声辐射试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及舰船减振降噪测试技术领域，具体涉及一种舰船复合材料结构的声辐射试验装置及试验方法。该声辐射试验装置包括固定座、激励系统和数据采集系统。激励系统包括激振器和激振杆。激振器的固定端与支架相连。激振器的输出端与激振杆的首端相连。激振杆的尾端连接有力传感器。数据采集系统包括加速度传感器和采集声压信号的传声器。传声器布置于舰船复合材料结构的周围。该声辐射试验装置通过将加速度传感器和力传感器通过固定座分别与舰船复合材料结构相连，形成面与面的接触结构，保证了舰船复合材料结构完整的前提下，完成该结构振动声辐射特性试验，同时，提高了采集数据的准确性，进而有效评估了舰船的减振降噪性能。

Description

一种舰船复合材料结构的声辐射试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及舰船减振降噪测试技术领域，具体涉及一种舰船复合材料结构的声辐射试验装置及试验方法。

背景技术

随着舰船减振降噪技术的发展，舰船隐蔽性和轻量化设计占据越来越重要的位置。复合材料因轻质高强、隐身性能好、耐腐蚀等优点在舰船工程领域受到了科技工作者的青睐。目前，最新研制舰船的上层建筑逐渐采用复合材料结构。为了验证具有复合材料结构的新型舰船的减振降噪性能，通常会对船体进行声辐射试验。

对舰船复合材料结构而言，与传统金属材质构成的舰船结构不同。传统金属材质构成的舰船结构可以在结构表面位置直接采用磁铁吸附或开设激振孔，以此作为舰船结构的检测或者监测位置。通常传统的舰船结构上微小开孔不会对舰船结构强度等产生大的影响，并且开孔后的舰船结构还可通过补焊的焊接等方式实现修复。然而，若舰船复合材料结构在声辐射试验中开设激振小孔，不仅会破坏材料的力学和声学性能，还可能因开孔位置不当导致整个复合材料结构失效。

经检索，中国专利文献CN112577593A中公开了一种用于微振动测试的传感器固定装置。该固定装置包括传感器固定箱、x向传感器固定槽、y向传感器固定槽、螺纹孔和传感器固定箱下方的带螺纹固定杆。该固定装置属于建筑监测用具领域，用于固定安装微振动测试传感器，解决了现有技术中的传感器固定装置安装时间长、操作环节多的难题。虽然，该固定装置操作简单，但是难以适用于舰船复合材料结构的声辐射试验。

又如，中国专利文献CN214839979U中公开了一种加速度传感器的辅助安装装置。该辅助安装装置包括主体结构以及活动安装于主体结构上的横向夹紧机构和垂向压紧及弹出机构。虽然，该辅助安装装置解决了加速度传感器在安装过程中粘贴效率低的问题，但是，该辅助安装装置难以保证加速度传感器的检测面与待测面之间充分接触，进而难以确保数据采集的准确性，从而影响对舰船复合材料结构减振降噪性能的评估。

综上所述，在舰船复合材料结构实施声辐射试验的过程中，如何设计一种试验装置，用以在保证舰船复合材料结构完整的前提下，完成该结构振动声辐射特性试验，同时，提高采集数据的准确性，进而有效评估舰船的减振降噪性能，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，为舰船复合材料结构实施声辐射试验的过程中，提供一种试验装置，用以在保证舰船复合材料结构完整的前提下，完成该结构振动声辐射特性试验，同时，提高采集数据的准确性，进而有效评估舰船的减振降噪性能。

为实现上述目的，本发明采用如下方案：提出一种舰船复合材料结构的声辐射试验装置，包括固定座、为舰船复合材料结构提供激励力的激励系统、以及采集舰船复合材料结构的振动声辐射响应信号的数据采集系统；

所述激励系统包括激振器和激振杆，所述激振器的固定端与支架相连，所述激振器的输出端与激振杆的首端相连，所述激振杆的尾端连接有力传感器，所述力传感器通过固定座与舰船复合材料结构相连；

所述数据采集系统包括加速度传感器和采集声压信号的传声器，所述传声器布置于舰船复合材料结构的周围，所述加速度传感器的检测端通过固定座与舰船复合材料相连；

所述固定座的底部具有与舰船复合材料结构相连的粘贴面，所述固定座的顶部设置有与螺杆相匹配的螺纹孔，所述螺杆的一端旋合入螺纹孔内，所述力传感器和加速度传感器均通过螺杆与固定座相连。

作为优选，激振杆的首端旋合有一对第一螺母形成第一防松结构，激振杆的尾端旋合有一对第二螺母形成第二防松结构。如此设置，第一防松结构和第二防松结构均为双螺母压紧结构，用于防止激振杆在试验过程中脱落，实现了减小外力紧固的目的，保证了激振器施加的激振力经激振杆有效地传递至力传感器。

作为优选，固定座呈圆柱形，螺纹孔的轴线与圆柱形的固定座的轴线同轴，固定座的半径不小于5倍的舰船复合材料结构的厚度。如此设置，增大了加速度传感器和力传感器分别与舰船复合材料结构的间接接触面积，有利于降低加速度传感器或者力传感器的测量误差，进一步保证了测试数据采集的准确性。

作为优选，固定座的厚度不大于四分之一的舰船复合材料结构的厚度，固定座的质量大于加速度传感器的质量，且小于4倍的加速度传感器的质量。如此设置，有利于进一步降低加速度传感器或者力传感器的测量误差，避免了固定座的自身结构带来的系统误差，一方面使得激振器产生的激振力通过激振杆有效传递至舰船复合材料结构，另一方面使得舰船复合材料结构的振动响应通过固定座传递至加速度传感器所采集的测试数据，与实际舰船复合材料结构的振动响应保持一致，进一步提高了测试数据采集的准确性。

作为优选，螺纹孔完全贯穿固定座，螺杆的长度大于2倍的固定座的深度。如此设置，螺杆一端通过螺纹孔与固定座紧固，螺杆的另一端与加速度传感器或者力传感器紧固，加速度传感器和力传感器分别与固定座形成面与面的接触结构，有利于准确采集舰船复合材料结构的振动响应，此外，一方面保证了螺杆能够分别嵌入固定座和加速度传感器一定深度，进而提高了固定座与加速度传感器之间的连接强度，另一方面保证了螺杆能够分别嵌入固定座和力传感器一定深度，进而提高了固定座与力传感器之间的连接强度。

作为优选，固定座的粘贴面通过粘黏剂与舰船复合材料结构相连，粘黏剂的拉伸模量大于粘黏剂的剪切模量。如此设置，需要更换激励点时，便于在固定座侧边施加一定大小的剪切力，在不破坏舰船复合材料结构的同时，将固定座与舰船复合材料结构分离，达到拆卸方便，省时省力的效果。

本发明还提出一种使用上述舰船复合材料结构的声辐射试验装置的试验方法，包括：

步骤一、根据声辐射试验的需要，在舰船复合材料结构上预设供激振杆提供激振力的激励位置，以及布置加速度传感器的安装位置，并在舰船复合材料结构的周围放置采集声压信号的传声器；

步骤二、根据预设的激励位置，完成激振器的定位和安装，分别在激励位置和安装位置上粘贴固定座，并在固定座的螺纹孔内旋合入螺杆；

步骤三、将激振杆的尾端连接的力传感器与激励位置的螺杆相连，完成激励系统的安装，将加速度传感器与安装位置的螺杆相连，完成数据采集系统的安装。

本发明提供的一种舰船复合材料结构的声辐射试验装置及试验方法与现有技术相比，具有如下突出的实质性特点和显著进步：

1、该舰船复合材料结构的声辐射试验装置将加速度传感器和力传感器通过固定座分别与舰船复合材料结构相连，使得加速度传感器和力传感器分别与舰船复合材料结构之间形成面与面的接触结构，保证了舰船复合材料结构完整的前提下，完成该结构振动声辐射特性试验，同时，提高了采集数据的准确性，进而有效评估了舰船的减振降噪性能；

2、该舰船复合材料结构的声辐射试验装置与传统振动噪声测试手段相比，更加适应于复合材料结构、恶劣环境下舰船结构振动声辐射响应测试，尤其适用于舰船复合材料的上层建筑结构的振动声辐射特性测试，具有结构简单、操作便捷、稳定性好、环境适应能力强等优点。

附图说明

图1是本发明实施例中一种舰船复合材料结构的声辐射试验装置的使用状态参考图；

图2是激振器的装配结构示意图；

图3是力传感器的装配结构示意图；

图4是固定座的立体结构示意图；

图5是加速度传感器的装配结构示意图；

图6是加速度传感器的安装位置示意图。

附图标记：激振器1、第一螺母2、激振杆3、第二螺母4、力传感器5、固定座6、舰船复合材料结构7、加速度传感器8、螺纹孔9。

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1-6所示的一种舰船复合材料结构的声辐射试验装置，用以舰船复合材料结构实施声辐射试验的过程中，在保证舰船复合材料结构完整的前提下，完成该结构振动声辐射特性试验。该声辐射试验装置将加速度传感器和力传感器通过固定座分别与舰船复合材料结构相连，使得加速度传感器和力传感器分别与舰船复合材料结构之间形成面与面的接触结构。相比于传统振动噪声测试手段，该声辐射试验装置更加适应于复合材料结构、恶劣环境下舰船结构振动声辐射响应测试，尤其适用于舰船复合材料的上层建筑结构的振动声辐射特性测试，具有结构简单、操作便捷、稳定性好、环境适应能力强等优点。

如图1所示，一种舰船复合材料结构的声辐射试验装置包括固定座6、为舰船复合材料结构7提供激励力的激励系统、以及采集舰船复合材料结构7的振动声辐射响应信号的数据采集系统。激励系统包括激振器1和激振杆3。激振器1的固定端与支架相连。激振器1的输出端与激振杆3的首端相连。激振杆3的尾端连接有力传感器5。结合图5所示，力传感器5通过固定座6与舰船复合材料结构7相连。

如图6所示，数据采集系统包括加速度传感器8和采集声压信号的传声器。传声器布置于舰船复合材料结构7的周围。加速度传感器8的检测端通过固定座6与舰船复合材料相连。

如图4所示，固定座6的底部具有与舰船复合材料结构7相连的粘贴面。固定座6的顶部设置有与螺杆相匹配的螺纹孔9。螺杆的一端旋合入螺纹孔9内。力传感器5和加速度传感器8均通过螺杆与固定座6相连。

如图2所示，激振杆3的首端旋合有一对第一螺母2形成第一防松结构。如图3所示，激振杆3的尾端旋合有一对第二螺母4形成第二防松结构。如此设置，第一防松结构和第二防松结构均为双螺母压紧结构，用于防止激振杆3在试验过程中脱落，实现了减小外力紧固的目的，保证了激振器1施加的激振力经激振杆3有效地传递至力传感器5。

如图4所示，固定座6呈圆柱形。螺纹孔9的轴线与圆柱形的固定座6的轴线同轴。固定座6的半径不小于5倍的舰船复合材料结构7的厚度。如此设置，增大了加速度传感器8和力传感器5分别与舰船复合材料结构7的间接接触面积，有利于降低加速度传感器8或者力传感器5的测量误差，进一步保证了测试数据采集的准确性。

其中，固定座6的厚度不大于四分之一的舰船复合材料结构7的厚度。固定座6的质量大于加速度传感器8的质量，且小于4倍的加速度传感器8的质量。如此设置，有利于进一步降低加速度传感器8或者力传感器5的测量误差，避免了固定座6的自身结构带来的系统误差。一方面使得激振器1产生的激振力通过激振杆3有效传递至舰船复合材料结构7；另一方面使得舰船复合材料结构7的振动响应通过固定座6传递至加速度传感器8所采集的测试数据，与实际舰船复合材料结构7的振动响应保持一致，进一步提高了测试数据采集的准确性。

为了进一步提高固定座6分别与力传感器5和加速度传感器8之间的连接强度，螺纹孔9完全贯穿固定座6，螺杆的长度大于2倍的固定座6的深度。如此设置，螺杆一端通过螺纹孔9与固定座6紧固，螺杆的另一端与加速度传感器8或者力传感器5紧固。加速度传感器8和力传感器5分别与固定座6形成面与面的接触结构，有利于准确采集舰船复合材料结构7的振动响应。此外，一方面保证了螺杆能够分别嵌入固定座6和加速度传感器8一定深度，进而提高了固定座6与加速度传感器8之间的连接强度；另一方面保证了螺杆能够分别嵌入固定座6和力传感器5一定深度，进而提高了固定座6与力传感器5之间的连接强度。

为了进一步便于传感器的安装和拆卸，固定座6的粘贴面通过粘黏剂与舰船复合材料结构7相连。粘黏剂的拉伸模量大于粘黏剂的剪切模量。如此设置，需要更换激励点时，便于在固定座6侧边施加一定大小的剪切力，在不破坏舰船复合材料结构7的同时，将固定座6与舰船复合材料结构7分离，达到拆卸方便，省时省力的效果。

本发明实施例中提出的一种舰船复合材料结构的声辐射试验装置使用时，包括：

步骤一、根据声辐射试验的需要，在舰船复合材料结构上预设供激振杆提供激振力的激励位置，以及布置加速度传感器的安装位置，并在舰船复合材料结构的周围放置采集声压信号的传声器；

步骤二、根据预设的激励位置，完成激振器的定位和安装，分别在激励位置和安装位置上粘贴固定座，并在固定座的螺纹孔内旋合入螺杆；

步骤三、将激振杆的尾端连接的力传感器与激励位置的螺杆相连，完成激励系统的安装，将加速度传感器与安装位置的螺杆相连，完成数据采集系统的安装。

例如，以舰船复合材料的上层建筑结构的振动声辐射测试为例，具体操作过程如下。首先根据试验需要，设计出满足试验要求的固定座和激振杆。试验时，根据仿真计算和现场试验环境，在指定位置布置该测试装置，布置前首先将待激励点和待测点通过酒精等清洁剂进行清洗，待测件激励点和待测点清理完成后，在复合材料结构表面和刚性固定座下表面均匀涂抹粘黏剂，静置约半小时，待粘黏牢固后进行下一步操作。

对于激励系统，将激振杆一侧与激振器相连，并用双紧固螺母固定；激振杆另一端与力传感器连接，并用双紧固螺母固定；力传感器另一端旋紧至固定座，完成试验装置激励系统安装。

对于数据采集系统，将加速度传感器通过螺纹旋紧的方式与固定座固定，完成试验装置数据采集系统安装。

指定测点试验完成后，根据需要更换激励点和采集点，拆卸固定座以上所有结构，并在固定座侧面施加剪切力，取下固定座，重复以上所有步骤，直到完成所有试验测试，试验完成后将各子结构拆分储存，以便下次使用。

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 (7)

1.一种舰船复合材料结构的声辐射试验装置，其特征在于，包括固定座、为舰船复合材料结构提供激励力的激励系统、以及采集舰船复合材料结构的振动声辐射响应信号的数据采集系统；

所述激励系统包括激振器和激振杆，所述激振器的固定端与支架相连，所述激振器的输出端与激振杆的首端相连，所述激振杆的尾端连接有力传感器，所述力传感器通过固定座与舰船复合材料结构相连；

所述数据采集系统包括加速度传感器和采集声压信号的传声器，所述传声器布置于舰船复合材料结构的周围，所述加速度传感器的检测端通过固定座与舰船复合材料相连；

所述固定座的底部具有与舰船复合材料结构相连的粘贴面，所述固定座的顶部设置有与螺杆相匹配的螺纹孔，所述螺杆的一端旋合入螺纹孔内，所述力传感器和加速度传感器均通过螺杆与固定座相连。

2.根据权利要求1所述的舰船复合材料结构的声辐射试验装置，其特征在于，所述激振杆的首端旋合有一对第一螺母形成第一防松结构，所述激振杆的尾端旋合有一对第二螺母形成第二防松结构。

3.根据权利要求1所述的舰船复合材料结构的声辐射试验装置，其特征在于，所述固定座呈圆柱形，所述螺纹孔的轴线与圆柱形的固定座的轴线同轴，所述固定座的半径不小于5倍的舰船复合材料结构的厚度。

4.根据权利要求3所述的舰船复合材料结构的声辐射试验装置，其特征在于，所述固定座的厚度不大于四分之一的舰船复合材料结构的厚度，所述固定座的质量大于加速度传感器的质量，且小于4倍的加速度传感器的质量。

5.根据权利要求1所述的舰船复合材料结构的声辐射试验装置，其特征在于，所述螺纹孔完全贯穿固定座，所述螺杆的长度大于2倍的固定座的深度。

6.根据权利要求1所述的舰船复合材料结构的声辐射试验装置，其特征在于，所述固定座的粘贴面通过粘黏剂与舰船复合材料结构相连，所述粘黏剂的拉伸模量大于粘黏剂的剪切模量。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的舰船复合材料结构的声辐射试验装置的试验方法，其特征在于，包括：

步骤一、根据声辐射试验的需要，在舰船复合材料结构上预设供激振杆提供激振力的激励位置，以及布置加速度传感器的安装位置，并在舰船复合材料结构的周围放置采集声压信号的传声器；

步骤二、根据预设的激励位置，完成激振器的定位和安装，分别在激励位置和安装位置上粘贴固定座，并在固定座的螺纹孔内旋合入螺杆；

步骤三、将激振杆的尾端连接的力传感器与激励位置的螺杆相连，完成激励系统的安装，将加速度传感器与安装位置的螺杆相连，完成数据采集系统的安装。

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