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机械设备振动源特性测试方法研究

原春晖  
【摘要】: 全面阐述机械设备的噪声振动激励特性,包括其发送噪声振动能量的能力、不同条件下的力输出特性,以及与安装基座的耦合特性等,对振动能量的传递以及振动声辐射等领域的研究有着重要价值。这些研究可以为噪声振动研究的其它课题提供初始激励数据,是其它研究的基础。另一方面,有了噪声振动源特性数据并了解其对辐射噪声的贡献后,就可以确定各机械设备噪声振动大小的顺序,便于优先选择急需进行噪声振动控制的设备实施控制措施。总之,对舰艇机械设备噪声振动源特性进行研究,是舰船声学设计工程实践的迫切需要,对舰船噪声振动控制将起到积极的促进作用。 本文首先阐述了机械设备激励特性的描述体系,对多个路径的多种描述参数进行了比较分析,并阐述了它们之间的关系。尔后,针对目前国内缺乏设备激振力、输出能量流的测量规范问题,以及工程上存在不同安装环境下源特性的转换、现场基座导纳测试困难等难题,研究了相应的测试或计算方法。 在设备输出到基座的功率流测试方面,针对弹性和刚性安装的设备分别进行了功率流实验测试研究,将互谱法、自谱法测得的功率流与直接测量得到的功率流进行了比较分析。实验验证了功率流测试计算方法的准确性并具有工程应用可行性,指出工程应用中互谱计算方法优于自谱方法;指出可利用隔振器阻抗特性计算功率流衰减值作为工程上评价隔振效果的参数,也可用输入基座的功率流作为设备振动限值参数。 在激励力测量与估算方面,首先对力传感器直接测试方法进行了评述,推导了螺栓传递力修正量α的计算方法,指出直接测量方法在实际应用时存在的诸多问题,建议仅在实验室采用直接方法测试设备激振力。为了寻找工程上可行的激振力测试方法,文中研究了基于隔振器阻抗特性、基于基座导纳特性两种设备激振力间接估算方法和实施规则,编写了可用于工程实践的测量程序,并做了多次实验以检验、改进测量估算方法。实验证明,激振力间接估算方法的准确度满足工程要求并具有可行性,可在工程中代替直接测力法应用。实验还证明了间接算法的病态问题总是在基座模态频率处更为突出,导致估算误差在模态频率处显著增大,而奇异值分解技术对改善病态程度的颇为有效。文中提出了利用条件数的倒数作为选择响应测点的先验判据并证明了其可行性。该先验判据规范了测点的选取和组合,减小了测点布置的随意性导致的误差。先验判据的应用还改善了间接算法无法预先控制病态误差的问题,避免了重复测量、降低了工作量,为间接估算方法在工程中的广泛应用提供了可能性。文中提出了应用归一化残差作为估算误差的后验判据,实验证明了该后验判据具有工程实用性,可通过响应残差的控制来有效保障估算结果的准确度。文中还指出提高测试信噪比是减小间接法估算误差的首要措施。 为解决工程上设备已经安装在基座上时难以进行基座导纳测试的难题,文中研究了设备安装对基座导纳测试的影响,理论推导了设备与基座单点接触和多点接触、刚性和弹性安装方式下,基座点导纳与传递导纳测试受设备静载荷影响引起的误差,解决了工程上的实际困难。认为工程上设备刚性安装时,只要设备安装机脚的导纳远大于基座导纳,则可在不卸下设备的状态下测量基座导纳来近似真实的基座导纳。设备弹性安装时对基座导纳测量的影响在工程应用中总可以忽略不计。实验结果验证了理论分析的正确性。 在不同安装环境下激励特性的转换关系方面,以设备机脚自由振速为桥梁,针对刚性、弹性安装方式,推导了简单实用的力和速度转换关系,对单点单激励和多点多自由度激励获得了不同的计算公式。对多点弹性安装方式的理论推导过程中,对多个隔振器采用集总参数进行了简化。文中还简述了俄罗斯资料在此问题上的不同处理方法。 文中最后阐述了自由振速(Free Velocity)的测量方法,重点描述了自由振速测量与通常的加速度、速度测量的差异,表现在测试条件、有效频率范围、设备安装要求、隔振器选型以及测点布置等方面,都相对有更高的要求。文中建议利用自由振速作为舰船设备振动特性出厂检测的考核参数。


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