船舶设备激励源载荷转换方法及应用

王雪仁，缪旭弘，原春晖，贾地，钱德进

（1.中国人民解放军92857部队，北京 100161；2.中国船舶重工集团公司第701研究所，武汉 430064）

设备激励源是船舶结构声辐射的主要原因，是噪声预报分析中边界条件处理的关键。目前，常用激励源载荷识别方法来获得设备激励力数据[1―3]，但其前提条件是要获得设备在实船上的机脚或基座振动响应数据，而在船舶设计阶段，这些数据是无法得到的。为此，激励源载荷转换方法逐步得到研究和重视。PLUNT[3]最早提出自由速度概念，为不同环境下设备激励源特性的转换奠定了基础。梁军[4]基于导纳和能量流推导出机械振动系统结构声功率的估算公式，建立不同安装状态下的机械设备振动激励特性的转换关系，但未解决自由振速和基座阻抗测量的问题。原春晖等[1,5]对激励源载荷识别方法及不同安装环境下的激励源特性转换关系进行了研究，在实验室台架上验证了方法的正确性，但未解决工程应用问题。

本文将探讨自由振速测量方法，着重对激励源载荷转换方法在船舶设备台架数据向实艇数据转换中的应用进行分析和研究。

1 理论基础

假设设备与基座单点连接，各个接触点都可以认为是点接触，设备运转时只有垂向激励和垂向运动响应。这里引入设备自由振速（Free Velocity）的概念，它是假设设备与基座安装点未接触的状态下（空悬状态），设备正常运转时在设备安装点（机脚）处的振动速度。它仅由设备内部部件的运动所决定而与环境和支撑无关，在设备内部运动恒定的假设下，自由振速V0也恒定。

图1 激励特性测试示意图Fig.1 Sketch map for measuring excitation characteristics of machinery

多点弹性安装状态下，如图1所示，假设设备由n个型号和动力特性相同的隔振器支撑（与实船应用情况相符），并且各个隔振器所受设备作用力相同（力均匀分布假设），则隔振器上、下端的力和速度为[5]

式中F1、v1为隔振器上端力和振动速度，F2、v2为隔振器下端力和振动速度，YS和YR分别是设备安装点源导纳和基座安装点导纳，Y11、Y12、Y21、Y22分别为隔振器的导纳，可由隔振器阻抗计算得到

其中Z11、Z12、Z21、Z22可通过实验测得。

2 工程应用方法

从上文理论推导过程可以看出，将台架数据转换为实船数据时，隔振器、试验台架、设备和实船设备基座的阻抗特性数据需事先已知。其中，隔振器、试验台架和设备的阻抗特性可直接测得，而实船设备基座阻抗特性一般只能通过计算求得。基于台架试验数据估算实船安装环境下设备激励源特性的方法流程如图2所示。机脚或基座力的直接测量一般是很难实现的，工程上常通过力源载荷识别方法，根据机脚或基座的振动响应特性求得[2]。设备激励源换算主要步骤：

(1)对设备、试验台架和隔振器的阻抗特性进行测试，得到设备安装点源导纳YS、台架导纳YR和隔振器的导纳Y11、Y12、Y21、Y22；

(2)测量设备弹性安装在基座上时，隔振器上下的振动速度v1和v2；

(3)根据（2）式和（4）式，求得自由振速V0；

图2 激励源转换方法工程应用流程Fig.2 Application of the force transferring technique for engineering problems

基于仿真传函（即通过数值仿真计算求得的频响传递函数）的激励源载荷识别方法具有需求测试数据量少的优势，而且能得到任何所需的准确的频响传递函数，对于实船设备激励源识别具有极大的工程应用价值。主要原因是在大部分设备的实际安装条件下，结构的振动响应较易测得，而响应点和激励点之间的传递函数是不容易直接测量、甚至无法测量的，这时进行激励力识别就只能依据仿真传函。这种实验测试和仿真计算相结合的方法避免了频响传函的测试过程，提高了实验的可操作性，更适用于实船测试和激励源载荷特性的获取。

3 实验分析

3.1 实验设计

试验中设备转速为3 000 r/min，重量为185 kg，其安装示意图如图3所示。图中“●”为基座上响应测点位置，旁边数字为其测点编号，其中1—4号测点为设备机脚安装位置。垂直于电机轴向为X方向，电机轴向为Y方向，垂直于基座为Z方向。测点布置原则为：

(1)机脚安装位置布置一个测点；

(2)除（1）所述测点外，在各边分别不对称布置一个测点；

图3 测点布置方案Fig.3 Measurement points in experiment

(3)布置一个相位参考点，以使能测试互谱和自谱。

基座、设备阻抗特性测量系统示意图如图4所示，试验方法采用锤击法,数据采集与处理系统采用PULSE系统。鉴于机械设备的振动主要以中低频为主，采样频率设置在2 048 Hz以内。主要测试要求为：

(1)窄带线谱的测试频段范围为10 Hz～1 kHz，频率分辨率均为0.5 Hz；

(2)转换关系实验时仅测试垂向数据；

(3)振动响应测试参数为赋相自谱（带相位的自功率谱）和隔振器上下响应互谱；

图4 阻抗特性测量系统框图Fig.4 Admittance measurement system

(4)振动响应采样平均次数不少于200次或128秒，导纳采样平均次数不少于10次；

(5)实验设备的电机额定运转状态为实验状态，测试前电机需预先运转30 min；

(6)所有测试均用PULSE记录时间信号，若难以实现则可仅记录电机运转响应时间信号。

3.2 实验结果分析

根据图4所示测量系统，对设备、试验台架的导纳特性进行测量，并采用数值仿真，建立实船基座的有限元模型，求得实船基座的导纳特性，所得结果如图5所示。试验台架是尽量模拟设备实船真实基座设计的，所以台架和实船基座阻抗特性相似，从而进一步验证了所得结果的正确性。在试验台上对设备机脚的振动速度进行测量，并根据(2)式求得设备的自由振速如图6所示，在50 Hz和150 Hz出现两个明显的峰值，与变流机组的轴频相吻合，证明了测试结果和计算结果的合理性。

图5 不同结构导纳数据对比Fig.5 Admittance of different structure

采用激励源转换程序，对实验数据进行计算分析，所得计算结果和实船测试结果对比如图7所示。可以看出，激励源转换结果和测量结果吻合较好，说明激励源转换方法和模型是合理的，可应用于工程分析。

图6 设备的自由振速Fig.6 Free velocities

图7 隔振器上下测点能量平均速度Fig.7 Velocities on two ends of isolators

4 结语

自由振速是台架数据向实船数据转换的桥梁，代表了设备自身的源特性。在设备激励源特性转换过程中，导纳数据的获取至关重要，一般采用直接测量的方法，但在缺少实际结构时，也可借助仿真计算的手段。实验与计算结果对比表明所建立的设备激励源特性转换方法流程是合理的，为进一步解决船舶振动噪声仿真计算所需的激励源输入问题提供了新途径。

[1]C.H.Yuan,X.M.Zhu,G.L.Zhang and W.H.Zhang.Indirectengineering estimation offorce excited by machinery vibration sources of ship[J].Journal of Ship Mechanics,2007,11:961-973.

[2]X.R Wang,X.H.Miao and D.Jia.A force identification technique based on numerical simulation models[C].International conference on computer application and system modeling,Taiyuan,China,2010.

[3]J.Plunt.The use of experimental structure-borne sound source data for prediction[C].Proc.of Inter-Noise,1982.

[4]J.Liang:Transferring relationship of vibration-acoustic energy under different mounting conditions[J].Chinese Journal of Ship Research,2007,2(2):52-56.

[5]原春晖，机械设备振动源特性测试方法研究[D].武汉：华中科技大学，2006.