基于LabVIEW的船用振动、噪声测试系统

尹常艳

摘要 船舶运行时产生的振动和噪声对设备的正常运转有重要影响，同时一定程度上损害了船员的健康和生态环境，因此应对船舶的振动和噪声进行控制，以保证其性能的稳定。本文针对船舶内部的有限测试条件，对船舶的振动、噪声测试技术进行研究，测试系统采用虚拟仪器技术，以及TDMS文件格式，实现在对船舶振动、噪声长时间测试，存储、在线实时显示分析、离线分析测试数据等功能。通过对船舶振动和噪声信号的测量分析，建立相应的相关特征信息数据集，为航行和维修保障提供技术手段。

[关键词]LabVIEW 船舶 振动 噪声 测试系统 TDMS

船舶的机械系统在运行时产生的振动和噪声关系到行船的安全，严重时会对设备的正常工作产生干扰。因此，对船舶振动、噪声进行控制是极为重要的。本文对船舶的振动和噪声测试技术进行研究，设计具有实时采集分析、离线分析等功能的测试系统，可用于同型号船舶振动、噪声维修前后的质量评估，以及同类型船舶横向特征参数的对比。

1 虚拟仪器技术

虚拟仪器技术利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。美国NI公司提出的图形化编程软件LabVIEW，既可方便的与各种软硬件连接，也具有强大的数据处理能力，目前在测控领域有了广泛的应用。本文设计的测试系统采用NI数据采集板卡，利用LabVIEW实现对船舶振动、噪声测试分析。

在对船舶进行振动或者噪声测试时，采集的原始测量数据信息数据量较大，并且为了保证同一船只测试数据的纵向可对比性以及同型号船只的横向可参照性，将测试信息进行原始统一、规范的定义是必不可少的。同时特征信息尽可能完整的记录，对于对比分析工作也十分重要。NI公司提出来TDMS文件格式是NI用在测试测量领域的通用数据文件格式。TDMS是一种二进制记录文件，二进制文件与一般文本式文件相比文件比较小，且文件读写通常比较快。TDMS逻辑结构分为三层：文件、通道组和通道。每一层都可以根据用户的需求写入特定的属性。另外当TDMS文件建立時，会自动生成两个文件：*.tdms文件和*.tdmsindex文件。前者为数据文件，后者为索引文件。在检索信息时，一方面可以根据文件名、通道组名、通道名或者某些属性进行搜索;另一方面由于索引文件不含原始数据信息，只包含属性等信息，并且支持随机读取文件数据，所以TDMS文件检索速度很快。通过从存储和检索两方面来考虑，TDMS文件满足大数据量，快速检索的要求，选择TDMS文件格式存储船舶振动、噪声测试采集到的数据，完全满足要求。

2 测试系统设计

2.1 系统硬件设计

考虑到船舶舱室空间狭小，内部测试条件有限等因素，测试系统采用了小型化高性能嵌入式设计，内部集成主控模块、采集模块、信调模块、内部电源等。测试系统硬件结构如图1所示。

信调模块对传感器输入的信号进行抗混叠滤波和放大;采集模块进行A/D转换和数据采集;采集控制由主控模块负责，同时主控模块进行数据记录和数据分析;采集以及设备的相关信息受监控模块检测;采集、分析等信息在输入输出设备上实时显示。

传感器是采集前端的重要组成部件。每一个传感器电缆通过集散电缆连接至测试系统的采集器航插接口。集散电缆与采集器的模拟输入通道是一一对应的。例如在进行振动测试时，在一个测点上，可根据需要选择三向加速度传感器或者单向加速度传感器。对于三向加速度传感器，X、Y、Z轴三个方向分别对应采集器的三个模拟通道。若不清楚测点的振动方向，可以选择三向加速度传感器。

监控模块可对采集器航插接口以及每一个模拟输入通道的接口状态进行监控。航插通过一条数字线进行通断的监测，一旦航插接口未完好连接，在测试时系统会实时给出提示，并且停止测试。测试系统为每个模拟通道设置一个指示灯，当该通道连通时，对应的指示灯点亮。另外，在监控模块中还对系统的硬盘容量以及电池容量进行定期监控。通过这些措施保证测试过程以及测试系统的良好运行。

2.2 系统软件设计

为了保证在对同型号船只横向或者纵向数据对比时，能提供有效的测试数据，使得测试具有可对比性，要求每次测试应严格遵守一样的测试条件（环境条件、被测设备工况、测点布置）和测试分析方法。所以对测试对象、测试环境以及测试状况进行记录是必不可少的。

针对该问题测试系统设计测试配置模块，该模块引导用户完成对测试对象、测试环境、采集情况的配置，形成测试配置文件，以保证后期的对比测试时，可完全参照本次测试的配置信息，使得测试数据具有可对比性。在对采集情况进行配置时，系统以船只为单位，指导用户根据实际测试需要建立船只测试配置信息。文件以树形结构展示，根节点为船只，然后建立各个舱室，每个舱室下分别建立设备，针对设备不同部位建立测点，测点建立时根据需要分别建立三向振动测点、单向振动测点或者声音测点。测试前，用户选择带测试的船舶测试信息文件，选择测试类型（振动或者噪声），系统自动识别该文件中相应类型的测点，勾选其中待测试测点，测试系统根据测试资源自动为每个测点分配所需要连接的模拟采集通道，用户也可手动调整。当某一采集通道被选中进行测试，并且该通道物理己连通时，则在配置表中该通道会以绿色显示，表示可以正常工作。

按照采集通道配置信息，连接传感器之后，系统启动测试。采集的原始数据放置在两个队列中，分别用于实时显示分析和数据存储。

数据存储采用TDMS文件格式，TDMS文件的逻辑结构分为三层，测试系统利用文件、通道组和通道这三层逻辑结构，在其属性中对应写入测试环境、测点信息和采集通道的配置信息。例如工况、时间、测试信息等在文件层属性中进行描述;不同设备的描述信息在相应的通道组中描述;设备下的测点，以及测点对应每个模拟采集通道等信息，在各通道组下的通道这一层描述。至此数据采集信息和测试信息被合理的保存到各层中。

在采集振动或者噪声信号的同时，系统提供实时分析功能。测试系统针对振动信号，对每个测点提供时域和频域分析。振动信号的时域分析主要是在带宽内分析振动信号的时域特征参数，包括最大值、最小值等状态参数;振动信号的频域分析，主要是对振动信号进行快速傅里叶变换，分析信号的频谱参数等。对于噪声信号，对每个测点提供1/3倍频程谱分析和声压级分析。

测试系统提供离线数据分析功能，由于测试数据已经保存为TDMS文件，用户选择测试文件后，测试信息以及每个层级的属性信息都可以浏览。选择需要的分析的测点后，系统提取该测点的数据信息并以波形展示，用户根据需要选择其中某一长度数据，测试系统针对该段数据信息进行各种特征参数的分析。

3 结论

本文对设计的船用振动、噪声测试系统技术进行研究，通过详细的配置，以及各种监控手段保证测试的有效性。测试数据的存储采用TDMS文件格式，记录的信息更为规范、统一、详细，具有可参考性。在实际的测试中，该测试系统完全满足船用振动、噪声测试的需求，建立了相应的相关特征信息数据集，为航行和维修保障提供技术手段。

参考文献

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