研究丨舰船设备振动噪声测量方法

声学工程师小吴 2023年6月15日浏览：1799 收藏：1

作者有话说

舰船在运行过程中，强烈的噪声和振动可能会对舰船设备的结构寿命和船员的身体健康有着破坏性的影响，噪声和振动控制处理显得尤为重要。舰船设备振动噪声测量是评估其振动和声学特性的重要技术手段，同时也是振动噪声控制的必要途径。

本文对振动噪声测量中测量仪器、测量环境、测量信噪比、安装基础、测点的布置、测量参数与频率范围、隔振系统的测量方法等经常遇到的技术问题，进行具体分析，具有较强的可操作性，可为从事振动噪声测量人员提供参考。

作者：钱文，朱宜生，周兆逊，孙成，陈中青，刘玉石，王超

单位：1.中国船舶重工集团第七二三研究所；2.中国船舶工业电工电子设备环境与可靠性试验检测中心

简介：钱文，工程师，主要研究方向：环境试验。

测量仪器

振动噪声测试所需的仪器主要有振动噪声测试分析系统、传声器、放大器、声校准器、加速度传感器、电荷调理器、低噪声电缆、计算机等。测量仪器、仪表应经过计量检定且在校准有效期内，测量仪器的精确度至少应为被测参数容差的三分之一，其标定应能追溯到国家最高计量标准，能够适应所测量的环境条件。

GJB4058-2000规定振动加速度测量的频率范围通常为10Hz~8kHz，当旋转设备的转速低于600r/min时，下限频率取2Hz；振动烈度测量的频率范围应10Hz~1kHz；因此在传感器送校准时，校准频率范围应覆盖2Hz~8kHz，幅值偏差应满足±5%；另外在传感器采购时还要关注传感器使用的温度范围，应覆盖实际测量高温、低温极限温度范围，传感器在低温、高温环境中测量时幅值响应偏差会发生较大的波动，图1为某国产传感器在-40℃的低温环境箱内的频响曲线，在采集频段内加速度幅值比目标幅值低10%左右。

图1 -40℃环境下频域曲线

一般国产的传声器一般都将放大器和声压传感器做成一体，在校准时要分别对放大器和声压传感器进行校准，图2为某型号传声器，左半边为声压传感器，右半边为放大器，出厂证书中均标出了校准灵敏度。每次测量前后，要用精度小于±0.3dB的声校准器（图3所示）对传声器、整个测量系统（包括电缆）进行校准，因为传声器的声压膜片比较薄弱，在使用、运输过程中碰撞、跌落均会对其灵敏度产生偏移或者损坏；如果发现校准结果与声校准器额定功率偏差较大，则应对传声器停用送修后再校准；如果发现测量前后误差大于±1dB，则本次测量结果无效，应用传声器停用送修后再校准。

图2 传声器

图3 声校准器

除了传感器、传声器的校准，振动噪声测量分析系统的检定通常会被大家忽略，检定周期根据测量的频繁程度取一年或两年，检定参数主要有：频率示值、谐波失真度、通道一致性、直流偏移等。

噪声测量环境

噪声测量中有两个修正系数：环境修正系数K2、背景修正系数K1。

背景修正系数K1修正方法

定义测量值与背景值之差为Δ

当Δ≥10dB时，不需要进行背景修正；

当Δ＜5dB时，不修正，检测数据为实测值，数据可作为被测对象最高参考值，但不反映被测对象的实际水平；

当5dB≤Δ＜10dB时，按照下列公式对测量值进行背景修正，数据真实有效；

背景修正公式：

式中：

Li—第i测点修正后的值，单位：dB；

L_ai—第i测点实际测量值，单位：dB；

L_ki—第i测点背景测量值，单位：dB。

背景修正系数K1修正方法同样适用于振动加速度测量。

环境修正系数K2修正方法

GJB4058-2000规定测量场所应尽量选择除地面外无反射的场所，当测点到设备的距离为1倍和2倍的测量长度时，其A声级的差值应不小于5dB；如果不满足，则需要进行环境修正。常用的修正方法有两种：

方法一：当被测设备能从测量场地移开时，可采用替代法。将标定过的标准声源放置在与被测设备同样的测量环境中，测得标准声源在此环境下的声功率级，环境修正值K2由下式求得：

式中：

L_W———现场测量到的标准声源声功率级，单位dB；

L_Wr———标准声源标定的声功率级，单位dB。

当被测设备不能够从测量场地移开时，可采用侧置法。将标准放置在设备周边适当的位置上，如果在多个位置上放置标准声源时，应对每个标准声源声功率级进行测量，再计算出标准声源放置在不同位置时的测量平均声压级，然后求得声功率级。

方法二：通过测量环境的混响时间，来确定环境修正值K2。K2可由下列公式得出：

式中：

S———测量表面的面积，m²；

A———房间的吸声量，m²。

房间的吸声量A用测量混响时间的方法确定，吸声量A由下式给出：

式中：

V———房间的体积，m³；

T———混响时间，s。

图4 标准声源球

振动测试信噪比

在振动加速度测量前，测量人员应根据现场设备运行的情况，充分调试测量分析设备，调整到信噪比最佳的位置。

方法一：选用高灵敏度的振动传感器，传感器的灵敏度越高，测量系统的信噪比就越大，系统就不易受静电干扰或电磁场的影响；但是传感器的灵敏度越高，则重量约重，共振频率也越低，因此选用高灵敏度的传感器受其重量和频率响应的限制。根据测量经验，在没有电荷调理器的情况下，选用灵敏度为5mv/m.s-²的ICP加速度传感器测量的背景振动就很小了，因为ICP传感器由于阻抗很小，又是电压输出，所以线缆对外部干扰不敏感。

方法二：选用压电式电荷型传感器外接电荷调理器，电荷调理器可以将传感器输出的电荷信号转换成电压信号并放大，滤波传输给测量分析系统，进而提高测量系统的信噪比。

某次设备振动加速度测量中，在同一位置安装高灵敏度电压型加速度传感器和外接电荷调理器的电荷型加速度传感器同时测量设备Z向振动背景，电压型传感器灵敏度为50mv/g，电荷型传感器灵敏度为10Pc/g，电荷调理器增益设置为100mv/g，采集结果如图5所示：电荷型传感器采集到的背景振动加速度级为68.01dB，电压型传感器采集到的背景振动加速度级为83.72dB，两者相差15.71dB。虽然15.71dB的测量误差对于评价平均机脚加速度级≤120dB的设备没有影响，但是对于评价平均机脚加速度级≤80dB的设备来讲，测量结果无法反映被测设备的实际水平。因此振动测量中推荐采用方法二来提高测量系统的信噪比。

研究丨舰船设备振动噪声测量方法的图12

图5 背景振动

受试设备的安装基础

标准规定设备安装基础或平台的总质量应大于设备质量的10倍，设备与基础之间应采用弹性安装方式。一般实验室没有条件建设专用的振动测试安装基础，设备出厂试验时都在现场选取背景振动小、方便安装固定的基础，无法保证测量结果的准确性。因此在设备安装、选用安装基础时需要关注点如下：

1）应尽量选择质量大，刚度大的钢质安装基础；

2）安装基础的固有频率应不低于25Hz；

3）设备固定基座的固有频率不应在设备的基本旋转频率或其他扰动频率的0.6~1.4倍范围内。

弹性安装的设备的垂向固有频率不得超过10Hz或设备最低扰动频率的1/4（两者中取较低的一个）。

振动机脚加速度测量

01.

加速度传感器的固定方式

传感器固定的方式通常有绝缘螺栓固定、高强度粘结剂固定、专用磁铁固定、专用3M双面胶固定。绝缘螺栓固定有很强的刚性，安装谐振频率大于20kHz，缺点是测量位置需要钻孔；高强度粘结剂固定固化后有足够的刚度和强度，安装谐振频率大于10kHz，缺点是每次测量前后需要清除安装表面的残余胶体，且时常串入电源回路干扰；专用磁铁固定安装拆卸方便，安装谐振频率大于10kHz，缺点是要求测量位置的材质必须为铁、钴、镍才能吸引安装磁座；专用3M双面胶固定优点是黏贴、拆除方便，缺点是没有足够的安装刚度，安装谐振频率小于10kHz，测量频率范围较低。

因此，综合以上优缺点推荐传感器通过绝缘材质的安装块（胶木块）用高强度液体胶水固定于测量位置，安装块六面垂直水平，清洁无污染，传感器用双头螺栓旋入安装块的安装面。传感器连接线缆应当充分拉紧，用纸胶带固定于被测设备上或安装基座上，避免测量过程中线缆与传感器之间发生相对运动，产生干扰信号。

02.

机脚加速度测量方法

振动机脚加速度测量时，对于弹性安装的设备，测点应布置在所有减振器的上方，即在设备的底脚或底座上。测量应在三个相互垂直的方向上进行，其中Z为垂向，X为水平轴向，Y为垂直于Z、Y向。对于有多个安装面的设备，应按规定在每个安装面上布置测点。下面通过一个实例讲解两个安装面的设备的测量方法。

某型设备底部安装有四个减振器，背部安装有两个减振器，要求测量该设备的平均振动加速度级。

图6 设备安装示意图

测量平面：底部减振器安装面，设备的垂向（减振器轴向）为Z向。背部减振器安装面，设备的背向（减振器轴向）为Z向。安装示意图如图6所示。

测点布置：布置6个测点。底部减振器上方、设备机脚处分别为振1、振2、振3、振4；背部减振器上方、设备背部安装脚处分别为振5、振6。

数据处理：振动加速度级（La）是测得的结构振动加速度与振动加速度基准值a₀之比的常用对数的20倍，按下列公式计算：

式中：

La—结构振动加速度级，dB；

a—测得的结构振动加速度（rms），um/s²；

a₀—振动加速度基准值（rms），a₀= 1um/s²。

多点测量时，Z向振动加速度级采用平均值定义：

式中：

—设备上各测点Z向加速度总振级的平均对数值，dB；

L1z~L6z—设备上各测点（振1~振6）Z向加速度振级，dB。

如果Z向L1z~L6z测量振级高于背景10dB(包括10dB)以上时，测量结果不予修正；低于10dB时应记录背景振动以便修正；背景振动的修正按式（7）进行：

式中：

Li——第i点经背景振动修正后的振级，dB；

Lai——实际测量振级，dB；

Lki——背景振动，dB。

如果测点三个方向的振动加速度都已测量，应按式（5）、式（6）、式（7）分别计算X、Y方向的振动加速度级。

噪声测量

测量参数

目前出厂设备噪声测量时都是测量设备表面平均声压级，不同的检测机构由于测量环境的不同导致测量结果的差异。因此推荐采用声功率级对出厂设备进行台架测量，声功率级是反映设备的固有噪声能量，与环境没有关系，特别是在有半消声室内进行台架声功率级的测量相对容易，具有可操作性。声功率级的计算按式（8）进行：

式中：

Lw—声功率级,dB(基准值：1pW)；

—测量表面平均声压级，dB；

K ₂ ——环境修正系数，dB；

S——等效测量表面积，m²；

S ₀ ——面积基准值，S ₀ =1m²。

测量参数选定为声功率级，其中包括总声功率级，A计权声功率级和频带声功率级。测量频率范围可取为20~20kHz。总声功率级为20~20kHz频率范围内声功率级，频带声功率级是指全频带范围内某一段频率的声功率级，比如20~200Hz、350~2kHz，3.15kHz~20kHz。A计权声功率级相当于对声功率使用A计权滤波器，A计权调整信号的方式类似于人耳在中等声级下的响应，它是基于40dB等响应曲线。图7是A、C、Z三种计权的频率响应曲线。

图7 A、C、Z计权频响曲线

测量频率范围

人耳听音的频率范围为20Hz~20kHz，信号频谱分析时不需要对每个频率成分进行具体分析，因此将20Hz~20kHz的频率分为若干个频带，每个频带即为一个倍频。频程的划分采用恒定带宽比，比如1倍频程每个频带的上限频率是下限频率的一倍，1/3倍频程每个频带的上限频率是下限频率的1.26倍，每个频带的中心频率是上限频率与下限频率的乘积的开方。表1、表2分别列出了噪声测量声学频谱分析中推荐使用的1/3倍频程分析、倍频程分析中心频率与通频带。

GJB763.5A-2020中规定1/3倍频带声压级测量中心频率至少为20Hz～20kHz，根据表1可知，上下限频率范围为17.8Hz～22.4Hz。同理，若采用1倍频程分析，倍频带中心频率范围至少为16Hz~16kHz，对应的上下限频率范围为11.2Hz～22.4Hz。

表1 1/3倍频程分析

研究丨舰船设备振动噪声测量方法的图24

表2 倍频程分析

研究丨舰船设备振动噪声测量方法的图25

测点布置

首先将被测产品的外轮廓假想成一个称为基准体的矩形六面体（不包括产品上对辐射噪声影响不大的凸出面），与基准体各面相平行且距离为d的六面体表面称为测量表面，d为测量距离，应不小于1m，一般取1m。

图8为GJB4058-2000基准体长度不大于2m的测点布置位置，测点1~5分布在距离基准体表面1m的矩形包络面上，其中测点5距离基准体底部反射面的距离为（基准体高度+1m），测点1~4距离基准体底部反射面的距离为1/2(基准体高度+1m)，测点6~9为附加测点。

图8 基准体L1≤2m时的测量点位置

GJB763.5A-2020对测点位置的布置进行了细化，将被测设备分为2类：直接放置在反射面上的设备和不直接放置在反射面上的设备。直接放置在反射面上的设备测点布置位置基本与GJB4058-2000一致，四周测点位于基准体的四个侧面中心垂直线上，上方测点位于基准体顶水平面中心上方1m处。不直接放置在反射面上的设备通常指实际安装方式为悬空壁挂式安装的设备，其四周测点位于基准体的三个侧面中心垂直线上，上方测点位于基准体顶水平面中心上方1m处。图9为GJB763.5A-2020中小型设备声压级测量位置布置图。

图9 小型设备声级测量位置（设备最大尺寸≤2m，1m≤设备高度≤2m）

图8与图9中均标出了基本测点和附加测点的位置，满足以下两种情况的基础上，需要增加测点数量，即附加测点：

1)当产品表面噪声辐射指向性较强，造成相邻测点位置上声压级相差5dB以上时。

2)产品基准尺寸较大（长和宽均大于1.5m）时，测量表面上测点间距超过2d（2m）。

振动烈度测量方法

01.

计算公式

振动的参数有位移、速度和加速度，一般情况下，低频的振动强度由位移值度量，中频的振动强度由速度值度量，高频的振动强度由加速度值度量。而振动烈度作为机器振动的评定量值，通常用指定点测得振动速度的最大均方根值表示。有式9计算[5]：

式中：

Vs—振动烈度，mm/s；

Vx、Vy、Vz—分别为x、y、z三个方向上的振动速度均方根值，mm/s；

Nx、Ny、Nz—分别为x、y、z三个方向上的测点数。

02.

测量频率范围

测量系统的频率范围一般为10~1000Hz，如果被测设备振动的基频小于10Hz，则频率范围选择在2~1000Hz。

03.

测点布置

1）测点布置前应查阅设备技术资料，了解设备结构原理；

2）测点应该选择信号传递路线最短的位置，尽量减少中间界面；

3）应该选择能反应设备整体运动刚性较强的部位作为测点，如设备表面、机脚、前后端顶部、轴承座、机座等，一般都选为典型测点,不得安装在刚性差、局部振动大的部位；

4）小型设备一般布置3~5个测点，中大型设备一般布置6~8个测点；

5）振动传感器应选用三向传感器，测量应在x、y、z三个方向上进行，z表示设备的垂向，x表示设备的轴向，y表示设备的径向，每个测点的方向保持一致；

6）传感器安装方式参考本文4.1推荐的安装方式，也可以通过专用磁铁吸附在测点部位；

7）查看传感器安装位置是否可靠，绘制设备简图，并标注测点和编号。

04.

测量工况

设备运行有各种工况，如：轻载与重载、快速与慢速、高压与低压、起动与制动、温度变化和流量变化等。在各种工况条件下，设备的振动情况是不同的，其测量结果也不一样。

受试设备应根据测量大纲的要求内容工况运行，一般选择设备的额定工况作为振动测量的工况。实际测量的工况应记录到测量报告中。

05.

测量系统标定与校验

每次测量前后应对测量系统进行标定和校验，当设备尚未运转时由外界引起的背景振动达到或超过被测设备振动速度级的10%（测量的振动速度级和背景振动的差值在10dB以内）时，应对其进行修正，修正公式见式10：

式中：

V—经背景振动修正后的振动速度级，dB；

Va—实际测量振动速度级，dB；

Vk—背景振动速度级，dB。

06.

振动烈度的分类与评价

GB/T 16301-2008标准中将船舶机舱辅机振动烈度的评价分为4个等级：A级为优良工作状态，B级为良好工作状态，C级为合格工作状态，D级为不合格工作状态。

机舱辅机按其功率和转动方式分成5类：第一类——功率小于15kW的旋转机器，第二类——功率为15kW~75kW的旋转机器，第三类——功率大于75kW的旋转机器，第四类——功率不大于75kW的往复式机器，第五类——功率大于75kW的往复式机器。

表3 振动烈度等级判别表

根据表3列出了机舱辅机在弹性与刚性支撑安装方式下的振动烈度等级限值得出：

1）同类型机器的评价等级越高，其振动烈度限值越低。

2）同类型机器在同一个评价等级，刚性安装振动烈度限值比弹性安装低。

3）小功率机器振动烈度限值低于大功率机器振动烈度限值。

4）同等功率的旋转机器的振动烈度限值比往复式机器低。

设备隔振装置振动测量

隔振装置是控制设备振动加速度传递的重要技术手段，按隔振效果分为单层隔振装置、双层隔振装置。隔振装置通常用振级落差来表征其隔振效果，即测量安装在设备隔振装置上振动加速度级与安装在基座上的加速度级的落差。

单层隔振装置是在设备与基座之间插入一层隔振机构，使得设备结构振动加速度传至基座时得以降低，即为单层隔振。单层隔振机构简单有效，成本容易控制，但是有以下缺点需要注意：

1）单层隔振装置在10~200Hz的低频区域隔振效果比较理想，在200Hz以上的高频区域隔振效果不理想。

2）单层隔振装置隔振效果一般不超过20dB，不能满足控制振动噪声指标要求高的设备。

3）单层隔振装置阻尼必须大，刚度必须小，才能有效降低设备在额定转速工况下（通常低于50Hz）运转的振动加速度级；但是阻尼大，刚度小意味着隔振装置偏软，稳定性不好，在设备进行倾斜摇摆试验、冲击试验时隔振装置有变形、碰撞的危险。

双层隔振装置可以有效的解决单层隔振装置的问题，现已被广泛的应用于舰船大型设备如发电机组、燃油机组、主机等。双层隔振装置系统包括了设备、第一层隔振器、第二层隔振器、中间质量、安装基座、管路连接、限位装置等，设计相对复杂，验证其性能时需要考虑隔振系统的固有频率、振型、振动响应特性、抗冲击特性、隔振器的动力特性等。

对于平置式安装的设备，通常只测量垂向的隔振效果，其他安装方式的设备，测量方向应经合同方认可。下面介绍解隔振效果（振级落差）的计算方法：

式中：

ΔLT—隔振系统的振级落差，dB；

L_U—设备机脚处的振动加速度级，dB；

L_D—机座面板处的振动加速度级，dB。

多点测量时，振级落差采用平均值定义

式中：

—隔振系统的振级落差，dB；

—设备机脚处各测点加速度总振级的对数平均值，dB；

—安装机座面板处各测点的加速度总振级的对数平均值，dB

和

分别见式（13）、式（14）

式中：

Lui——设备机脚上第i测点加速度总振级，dB；

LDi——安装机座面板上第i测点的加速度总振级，dB；

N——测量总数。

结论

测量单位测量场地、测量仪器的不同，测量人员对标准理解程度的高低，测量方法的不一致，都会导致测试结果存在着一定的差异性，不能有效评估被测设备振动噪声特性的真实水平。本文仅从8个方面进行了探讨，分析的还不够全面，希望行业内测量人员提出宝贵的意见，共同为提高振动噪声测量水平而努力。最后提出几点建议供大家参考：

1）测量单位要加强测量人员的技术、技能培训，考核合格方可授权上岗；

2）实验室之间开展技术交流，组织参与实验室之间的测量比对，参加授权/认可组织实施的振动噪声测量项目的能力验证；

3）测量仪器设备应根据测量频繁度进行期间核查，以提高测量结果的准确度；

4）引入测量不确定度的评定，分析不确定度的来源，提高测量结果的准确性；

5）积极参加行业组织举办的技术培训/研讨会，加强测量人员对试验标准的理解，加强船舶振动噪声测量技术和方法的研究。

‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

引用本文：

钱文，朱宜生，周兆逊，孙成，陈中青，刘玉石，王超.舰船设备振动噪声测量方法探讨[J].环境技术,2022,40(02):154-163.

文章来源：环境技术