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嘉峪檢測網 2022-07-15 23:23
艦船在運行過程中，強烈的噪聲和振動可能會對艦船設備的結構壽命和船員的身體健康有著破壞性的影響，噪聲和振動控制處理顯得尤為重要。艦船設備振動噪聲測量是評估其振動和聲學特性的重要技術手段，同時也是振動噪聲控制的必要途徑。
本文對振動噪聲測量中測量儀器、測量環境、測量信噪比、安裝基礎、測點的布置、測量參數與頻率范圍、隔振系統的測量方法等經常遇到的技術問題，進行具體分析，具有較強的可操作性，可為從事振動噪聲測量人員提供參考。
測量儀器
振動噪聲測試所需的儀器主要有振動噪聲測試分析系統、傳聲器、放大器、聲校準器、加速度傳感器、電荷調理器、低噪聲電纜、計算機等。測量儀器、儀表應經過計量檢定且在校準有效期內，測量儀器的精確度至少應為被測參數容差的三分之一，其標定應能追溯到國家最高計量標準，能夠適應所測量的環境條件。
GJB4058-2000規定振動加速度測量的頻率范圍通常為10Hz~8kHz，當旋轉設備的轉速低于600r/min時，下限頻率取2Hz；振動烈度測量的頻率范圍應10Hz~1kHz；因此在傳感器送校準時，校準頻率范圍應覆蓋2Hz~8kHz，幅值偏差應滿足±5%；另外在傳感器采購時還要關注傳感器使用的溫度范圍，應覆蓋實際測量高溫、低溫極限溫度范圍，傳感器在低溫、高溫環境中測量時幅值響應偏差會發生較大的波動，圖1為某國產傳感器在-40℃的低溫環境箱內的頻響曲線，在采集頻段內加速度幅值比目標幅值低10%左右。
圖1 -40℃環境下頻域曲線
一般國產的傳聲器一般都將放大器和聲壓傳感器做成一體，在校準時要分別對放大器和聲壓傳感器進行校準，圖2為某型號傳聲器，左半邊為聲壓傳感器，右半邊為放大器，出廠證書中均標出了校準靈敏度。每次測量前后，要用精度小于±0.3dB的聲校準器（圖3所示）對傳聲器、整個測量系統（包括電纜）進行校準，因為傳聲器的聲壓膜片比較薄弱，在使用、運輸過程中碰撞、跌落均會對其靈敏度產生偏移或者損壞；如果發現校準結果與聲校準器額定功率偏差較大，則應對傳聲器停用送修后再校準；如果發現測量前后誤差大于±1dB，則本次測量結果無效，應用傳聲器停用送修后再校準。
除了傳感器、傳聲器的校準，振動噪聲測量分析系統的檢定通常會被大家忽略，檢定周期根據測量的頻繁程度取一年或兩年，檢定參數主要有：頻率示值、諧波失真度、通道一致性、直流偏移等。
噪聲測量環境
噪聲測量中有兩個修正系數：環境修正系數K2、背景修正系數K1。
01背景修正系數K1修正方法
定義測量值與背景值之差為Δ
當Δ≥10dB時，不需要進行背景修正；
當Δ＜5dB時，不修正，檢測數據為實測值，數據可作為被測對象最高參考值，但不反映被測對象的實際水平；
當5dB≤Δ＜10dB時，按照下列公式對測量值進行背景修正，數據真實有效；
背景修正公式：
式中：
Li—第i測點修正后的值，單位：dB；
Lai—第i測點實際測量值，單位：dB；
Lki—第i測點背景測量值，單位：dB。
背景修正系數K1修正方法同樣適用于振動加速度測量。
02環境修正系數K2修正方法
GJB4058-2000規定測量場所應盡量選擇除地面外無反射的場所，當測點到設備的距離為1倍和2倍的測量長度時，其A聲級的差值應不小于5dB；如果不滿足，則需要進行環境修正。常用的修正方法有兩種：
方法一：當被測設備能從測量場地移開時，可采用替代法。將標定過的標準聲源放置在與被測設備同樣的測量環境中，測得標準聲源在此環境下的聲功率級，環境修正值K2由下式求得：
式中：
LW———現場測量到的標準聲源聲功率級，單位dB；
LWr———標準聲源標定的聲功率級，單位dB。
當被測設備不能夠從測量場地移開時，可采用側置法。將標準放置在設備周邊適當的位置上，如果在多個位置上放置標準聲源時，應對每個標準聲源聲功率級進行測量，再計算出標準聲源放置在不同位置時的測量平均聲壓級，然后求得聲功率級。
方法二：通過測量環境的混響時間，來確定環境修正值K2。K2可由下列公式得出：
式中：
S———測量表面的面積，m²；
A———房間的吸聲量，m²。
房間的吸聲量A用測量混響時間的方法確定，吸聲量A由下式給出：
式中：
V———房間的體積，m³；
T———混響時間，s。
振動測試信噪比
在振動加速度測量前，測量人員應根據現場設備運行的情況，充分調試測量分析設備，調整到信噪比最佳的位置。
方法一：選用高靈敏度的振動傳感器，傳感器的靈敏度越高，測量系統的信噪比就越大，系統就不易受靜電干擾或電磁場的影響；但是傳感器的靈敏度越高，則重量約重，共振頻率也越低，因此選用高靈敏度的傳感器受其重量和頻率響應的限制。根據測量經驗，在沒有電荷調理器的情況下，選用靈敏度為5mv/m.s-²的ICP加速度傳感器測量的背景振動就很小了，因為ICP傳感器由于阻抗很小，又是電壓輸出，所以線纜對外部干擾不敏感。
方法二：選用壓電式電荷型傳感器外接電荷調理器，電荷調理器可以將傳感器輸出的電荷信號轉換成電壓信號并放大，濾波傳輸給測量分析系統，進而提高測量系統的信噪比。
某次設備振動加速度測量中，在同一位置安裝高靈敏度電壓型加速度傳感器和外接電荷調理器的電荷型加速度傳感器同時測量設備Z向振動背景，電壓型傳感器靈敏度為50mv/g，電荷型傳感器靈敏度為10Pc/g，電荷調理器增益設置為100mv/g，采集結果如圖5所示：電荷型傳感器采集到的背景振動加速度級為68.01dB，電壓型傳感器采集到的背景振動加速度級為83.72dB，兩者相差15.71dB。雖然15.71dB的測量誤差對于評價平均機腳加速度級≤120dB的設備沒有影響，但是對于評價平均機腳加速度級≤80dB的設備來講，測量結果無法反映被測設備的實際水平。因此振動測量中推薦采用方法二來提高測量系統的信噪比。
圖5 背景振動
受試設備的安裝基礎
標準規定設備安裝基礎或平臺的總質量應大于設備質量的10倍，設備與基礎之間應采用彈性安裝方式。一般實驗室沒有條件建設專用的振動測試安裝基礎，設備出廠試驗時都在現場選取背景振動小、方便安裝固定的基礎，無法保證測量結果的準確性。因此在設備安裝、選用安裝基礎時需要關注點如下：
1）應盡量選擇質量大，剛度大的鋼質安裝基礎；
2）安裝基礎的固有頻率應不低于25Hz；
3）設備固定基座的固有頻率不應在設備的基本旋轉頻率或其他擾動頻率的0.6~1.4倍范圍內。
彈性安裝的設備的垂向固有頻率不得超過10Hz或設備最低擾動頻率的1/4（兩者中取較低的一個）。
振動機腳加速度測量
01.加速度傳感器的固定方式
傳感器固定的方式通常有絕緣螺栓固定、高強度粘結劑固定、專用磁鐵固定、專用3M雙面膠固定。絕緣螺栓固定有很強的剛性，安裝諧振頻率大于20kHz，缺點是測量位置需要鉆孔；高強度粘結劑固定固化后有足夠的剛度和強度，安裝諧振頻率大于10kHz，缺點是每次測量前后需要清除安裝表面的殘余膠體，且時常串入電源回路干擾；專用磁鐵固定安裝拆卸方便，安裝諧振頻率大于10kHz，缺點是要求測量位置的材質必須為鐵、鈷、鎳才能吸引安裝磁座；專用3M雙面膠固定優點是黏貼、拆除方便，缺點是沒有足夠的安裝剛度，安裝諧振頻率小于10kHz，測量頻率范圍較低。
因此，綜合以上優缺點推薦傳感器通過絕緣材質的安裝塊（膠木塊）用高強度液體膠水固定于測量位置，安裝塊六面垂直水平，清潔無污染，傳感器用雙頭螺栓旋入安裝塊的安裝面。傳感器連接線纜應當充分拉緊，用紙膠帶固定于被測設備上或安裝基座上，避免測量過程中線纜與傳感器之間發生相對運動，產生干擾信號。
02.機腳加速度測量方法
振動機腳加速度測量時，對于彈性安裝的設備，測點應布置在所有減振器的上方，即在設備的底腳或底座上。測量應在三個相互垂直的方向上進行，其中Z為垂向，X為水平軸向，Y為垂直于Z、Y向。對于有多個安裝面的設備，應按規定在每個安裝面上布置測點。下面通過一個實例講解兩個安裝面的設備的測量方法。
某型設備底部安裝有四個減振器，背部安裝有兩個減振器，要求測量該設備的平均振動加速度級。
圖6 設備安裝示意圖
測量平面：底部減振器安裝面，設備的垂向（減振器軸向）為Z向。背部減振器安裝面，設備的背向（減振器軸向）為Z向。安裝示意圖如圖6所示。
測點布置：布置6個測點。底部減振器上方、設備機腳處分別為振1、振2、振3、振4；背部減振器上方、設備背部安裝腳處分別為振5、振6。
數據處理：振動加速度級（La）是測得的結構振動加速度與振動加速度基準值a0之比的常用對數的20倍，按下列公式計算：
式中：
La—結構振動加速度級，dB；
a—測得的結構振動加速度（rms），um/s²；
a0—振動加速度基準值（rms），a0= 1um/s²。
多點測量時，Z向振動加速度級采用平均值定義：
式中：
—設備上各測點Z向加速度總振級的平均對數值，dB；
L1z~L6z—設備上各測點（振1~振6）Z向加速度振級，dB。
如果Z向L1z~L6z測量振級高于背景10dB(包括10dB)以上時，測量結果不予修正；低于10dB時應記錄背景振動以便修正；背景振動的修正按式（7）進行：
式中：
Li——第i點經背景振動修正后的振級，dB；
Lai——實際測量振級，dB；
Lki——背景振動，dB。
如果測點三個方向的振動加速度都已測量，應按式（5）、式（6）、式（7）分別計算X、Y方向的振動加速度級。
噪聲測量
01測量參數
目前出廠設備噪聲測量時都是測量設備表面平均聲壓級，不同的檢測機構由于測量環境的不同導致測量結果的差異。因此推薦采用聲功率級對出廠設備進行臺架測量，聲功率級是反映設備的固有噪聲能量，與環境沒有關系，特別是在有半消聲室內進行臺架聲功率級的測量相對容易，具有可操作性。聲功率級的計算按式（8）進行：
式中：
Lw—聲功率級,dB(基準值：1pW)；
—測量表面平均聲壓級，dB；
K2——環境修正系數，dB；
S——等效測量表面積，m²；
S0——面積基準值，S0=1m²。
測量參數選定為聲功率級，其中包括總聲功率級，A計權聲功率級和頻帶聲功率級。測量頻率范圍可取為20~20kHz。總聲功率級為20~20kHz頻率范圍內聲功率級，頻帶聲功率級是指全頻帶范圍內某一段頻率的聲功率級，比如20~200Hz、350~2kHz，3.15kHz~20kHz。A計權聲功率級相當于對聲功率使用A計權濾波器，A計權調整信號的方式類似于人耳在中等聲級下的響應，它是基于40dB等響應曲線。圖7是A、C、Z三種計權的頻率響應曲線。
圖7 A、C、Z計權頻響曲線
02測量頻率范圍
人耳聽音的頻率范圍為20Hz~20kHz，信號頻譜分析時不需要對每個頻率成分進行具體分析，因此將20Hz~20kHz的頻率分為若干個頻帶，每個頻帶即為一個倍頻。頻程的劃分采用恒定帶寬比，比如1倍頻程每個頻帶的上限頻率是下限頻率的一倍，1/3倍頻程每個頻帶的上限頻率是下限頻率的1.26倍，每個頻帶的中心頻率是上限頻率與下限頻率的乘積的開方。表1、表2分別列出了噪聲測量聲學頻譜分析中推薦使用的1/3倍頻程分析、倍頻程分析中心頻率與通頻帶。
GJB763.5A-2020中規定1/3倍頻帶聲壓級測量中心頻率至少為20Hz～20kHz，根據表1可知，上下限頻率范圍為17.8Hz～22.4Hz。同理，若采用1倍頻程分析，倍頻帶中心頻率范圍至少為16Hz~16kHz，對應的上下限頻率范圍為11.2Hz～22.4Hz。
表1 1/3倍頻程分析
表2 倍頻程分析
03測點布置
首先將被測產品的外輪廓假想成一個稱為基準體的矩形六面體（不包括產品上對輻射噪聲影響不大的凸出面），與基準體各面相平行且距離為d的六面體表面稱為測量表面，d為測量距離，應不小于1m，一般取1m。
圖8為GJB4058-2000基準體長度不大于2m的測點布置位置，測點1~5分布在距離基準體表面1m的矩形包絡面上，其中測點5距離基準體底部反射面的距離為（基準體高度+1m），測點1~4距離基準體底部反射面的距離為1/2(基準體高度+1m)，測點6~9為附加測點。
圖8 基準體L1≤2m時的測量點位置
GJB763.5A-2020對測點位置的布置進行了細化，將被測設備分為2類：直接放置在反射面上的設備和不直接放置在反射面上的設備。直接放置在反射面上的設備測點布置位置基本與GJB4058-2000一致，四周測點位于基準體的四個側面中心垂直線上，上方測點位于基準體頂水平面中心上方1m處。不直接放置在反射面上的設備通常指實際安裝方式為懸空壁掛式安裝的設備，其四周測點位于基準體的三個側面中心垂直線上，上方測點位于基準體頂水平面中心上方1m處。圖9為GJB763.5A-2020中小型設備聲壓級測量位置布置圖。
圖9 小型設備聲級測量位置（設備最大尺寸≤2m，1m≤設備高度≤2m）
圖8與圖9中均標出了基本測點和附加測點的位置，滿足以下兩種情況的基礎上，需要增加測點數量，即附加測點：
1)當產品表面噪聲輻射指向性較強，造成相鄰測點位置上聲壓級相差5dB以上時。
2)產品基準尺寸較大（長和寬均大于1.5m）時，測量表面上測點間距超過2d（2m）。
振動烈度測量方法
01.計算公式
振動的參數有位移、速度和加速度，一般情況下，低頻的振動強度由位移值度量，中頻的振動強度由速度值度量，高頻的振動強度由加速度值度量。而振動烈度作為機器振動的評定量值，通常用指定點測得振動速度的最大均方根值表示。有式9計算[5]：
式中：
Vs—振動烈度，mm/s；
Vx、Vy、Vz—分別為x、y、z三個方向上的振動速度均方根值，mm/s；
Nx、Ny、Nz—分別為x、y、z三個方向上的測點數。
02.測量頻率范圍
測量系統的頻率范圍一般為10~1000Hz，如果被測設備振動的基頻小于10Hz，則頻率范圍選擇在2~1000Hz。
03.測點布置
1）測點布置前應查閱設備技術資料，了解設備結構原理；
2）測點應該選擇信號傳遞路線最短的位置，盡量減少中間界面；
3）應該選擇能反應設備整體運動剛性較強的部位作為測點，如設備表面、機腳、前后端頂部、軸承座、機座等，一般都選為典型測點,不得安裝在剛性差、局部振動大的部位；
4）小型設備一般布置3~5個測點，中大型設備一般布置6~8個測點；
5）振動傳感器應選用三向傳感器，測量應在x、y、z三個方向上進行，z表示設備的垂向，x表示設備的軸向，y表示設備的徑向，每個測點的方向保持一致；
6）傳感器安裝方式參考本文4.1推薦的安裝方式，也可以通過專用磁鐵吸附在測點部位；
7）查看傳感器安裝位置是否可靠，繪制設備簡圖，并標注測點和編號。
04.測量工況
設備運行有各種工況，如：輕載與重載、快速與慢速、高壓與低壓、起動與制動、溫度變化和流量變化等。在各種工況條件下，設備的振動情況是不同的，其測量結果也不一樣。
受試設備應根據測量大綱的要求內容工況運行，一般選擇設備的額定工況作為振動測量的工況。實際測量的工況應記錄到測量報告中。
05.測量系統標定與校驗
每次測量前后應對測量系統進行標定和校驗，當設備尚未運轉時由外界引起的背景振動達到或超過被測設備振動速度級的10%（測量的振動速度級和背景振動的差值在10dB以內）時，應對其進行修正，修正公式見式10：
式中：
V—經背景振動修正后的振動速度級，dB；
Va—實際測量振動速度級，dB；
Vk—背景振動速度級，dB。
06.振動烈度的分類與評價
GB/T 16301-2008標準中將船舶機艙輔機振動烈度的評價分為4個等級：A級為優良工作狀態，B級為良好工作狀態，C級為合格工作狀態，D級為不合格工作狀態。
機艙輔機按其功率和轉動方式分成5類：第一類——功率小于15kW的旋轉機器，第二類——功率為15kW~75kW的旋轉機器，第三類——功率大于75kW的旋轉機器，第四類——功率不大于75kW的往復式機器，第五類——功率大于75kW的往復式機器。
表3 振動烈度等級判別表
根據表3列出了機艙輔機在彈性與剛性支撐安裝方式下的振動烈度等級限值得出：
1）同類型機器的評價等級越高，其振動烈度限值越低。
2）同類型機器在同一個評價等級，剛性安裝振動烈度限值比彈性安裝低。
3）小功率機器振動烈度限值低于大功率機器振動烈度限值。
4）同等功率的旋轉機器的振動烈度限值比往復式機器低。
設備隔振裝置振動測量
隔振裝置是控制設備振動加速度傳遞的重要技術手段，按隔振效果分為單層隔振裝置、雙層隔振裝置。隔振裝置通常用振級落差來表征其隔振效果，即測量安裝在設備隔振裝置上振動加速度級與安裝在基座上的加速度級的落差。
單層隔振裝置是在設備與基座之間插入一層隔振機構，使得設備結構振動加速度傳至基座時得以降低，即為單層隔振。單層隔振機構簡單有效，成本容易控制，但是有以下缺點需要注意：
1）單層隔振裝置在10~200Hz的低頻區域隔振效果比較理想，在200Hz以上的高頻區域隔振效果不理想。
2）單層隔振裝置隔振效果一般不超過20dB，不能滿足控制振動噪聲指標要求高的設備。
3）單層隔振裝置阻尼必須大，剛度必須小，才能有效降低設備在額定轉速工況下（通常低于50Hz）運轉的振動加速度級；但是阻尼大，剛度小意味著隔振裝置偏軟，穩定性不好，在設備進行傾斜搖擺試驗、沖擊試驗時隔振裝置有變形、碰撞的危險。
雙層隔振裝置可以有效的解決單層隔振裝置的問題，現已被廣泛的應用于艦船大型設備如發電機組、燃油機組、主機等。雙層隔振裝置系統包括了設備、第一層隔振器、第二層隔振器、中間質量、安裝基座、管路連接、限位裝置等，設計相對復雜，驗證其性能時需要考慮隔振系統的固有頻率、振型、振動響應特性、抗沖擊特性、隔振器的動力特性等。
對于平置式安裝的設備，通常只測量垂向的隔振效果，其他安裝方式的設備，測量方向應經合同方認可。下面介紹解隔振效果（振級落差）的計算方法：
式中：
ΔLT—隔振系統的振級落差，dB；
LU—設備機腳處的振動加速度級，dB；
LD—機座面板處的振動加速度級，dB。
多點測量時，振級落差采用平均值定義
式中：
—隔振系統的振級落差，dB；
—設備機腳處各測點加速度總振級的對數平均值，dB；
—安裝機座面板處各測點的加速度總振級的對數平均值，dB
和
分別見式（13）、式（14）
式中：
Lui——設備機腳上第i測點加速度總振級，dB；
LDi——安裝機座面板上第i測點的加速度總振級，dB；
N——測量總數。
結論
測量單位測量場地、測量儀器的不同，測量人員對標準理解程度的高低，測量方法的不一致，都會導致測試結果存在著一定的差異性，不能有效評估被測設備振動噪聲特性的真實水平。本文僅從8個方面進行了探討，分析的還不夠全面，希望行業內測量人員提出寶貴的意見，共同為提高振動噪聲測量水平而努力。最后提出幾點建議供大家參考：
1）測量單位要加強測量人員的技術、技能培訓，考核合格方可授權上崗；
2）實驗室之間開展技術交流，組織參與實驗室之間的測量比對，參加授權/認可組織實施的振動噪聲測量項目的能力驗證；
3）測量儀器設備應根據測量頻繁度進行期間核查，以提高測量結果的準確度；
4）引入測量不確定度的評定，分析不確定度的來源，提高測量結果的準確性；
5）積極參加行業組織舉辦的技術培訓/研討會，加強測量人員對試驗標準的理解，加強船舶振動噪聲測量技術和方法的研究。
引用本文：
錢文，朱宜生，周兆遜，孫成，陳中青，劉玉石，王超.艦船設備振動噪聲測量方法探討[J].環境技術,2022,40(02):154-163.
來源：環境技術核心期刊
