基于LabVIEW的船用振動(dòng)、噪聲測(cè)試系統(tǒng)

尹常艷

摘要 船舶運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲對(duì)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)有重要影響，同時(shí)一定程度上損害了船員的健康和生態(tài)環(huán)境，因此應(yīng)對(duì)船舶的振動(dòng)和噪聲進(jìn)行控制，以保證其性能的穩(wěn)定。本文針對(duì)船舶內(nèi)部的有限測(cè)試條件，對(duì)船舶的振動(dòng)、噪聲測(cè)試技術(shù)進(jìn)行研究，測(cè)試系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)，以及TDMS文件格式，實(shí)現(xiàn)在對(duì)船舶振動(dòng)、噪聲長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，存儲(chǔ)、在線實(shí)時(shí)顯示分析、離線分析測(cè)試數(shù)據(jù)等功能。通過對(duì)船舶振動(dòng)和噪聲信號(hào)的測(cè)量分析，建立相應(yīng)的相關(guān)特征信息數(shù)據(jù)集，為航行和維修保障提供技術(shù)手段。

[關(guān)鍵詞]LabVIEW 船舶 振動(dòng) 噪聲 測(cè)試系統(tǒng) TDMS

船舶的機(jī)械系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲關(guān)系到行船的安全，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)設(shè)備的正常工作產(chǎn)生干擾。因此，對(duì)船舶振動(dòng)、噪聲進(jìn)行控制是極為重要的。本文對(duì)船舶的振動(dòng)和噪聲測(cè)試技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)具有實(shí)時(shí)采集分析、離線分析等功能的測(cè)試系統(tǒng)，可用于同型號(hào)船舶振動(dòng)、噪聲維修前后的質(zhì)量評(píng)估，以及同類型船舶橫向特征參數(shù)的對(duì)比。

1 虛擬儀器技術(shù)

虛擬儀器技術(shù)利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。美國(guó)NI公司提出的圖形化編程軟件LabVIEW，既可方便的與各種軟硬件連接，也具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，目前在測(cè)控領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)采用NI數(shù)據(jù)采集板卡，利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶振動(dòng)、噪聲測(cè)試分析。

在對(duì)船舶進(jìn)行振動(dòng)或者噪聲測(cè)試時(shí)，采集的原始測(cè)量數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)量較大，并且為了保證同一船只測(cè)試數(shù)據(jù)的縱向可對(duì)比性以及同型號(hào)船只的橫向可參照性，將測(cè)試信息進(jìn)行原始統(tǒng)一、規(guī)范的定義是必不可少的。同時(shí)特征信息盡可能完整的記錄，對(duì)于對(duì)比分析工作也十分重要。NI公司提出來TDMS文件格式是NI用在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域的通用數(shù)據(jù)文件格式。TDMS是一種二進(jìn)制記錄文件，二進(jìn)制文件與一般文本式文件相比文件比較小，且文件讀寫通常比較快。TDMS邏輯結(jié)構(gòu)分為三層：文件、通道組和通道。每一層都可以根據(jù)用戶的需求寫入特定的屬性。另外當(dāng)TDMS文件建立時(shí)，會(huì)自動(dòng)生成兩個(gè)文件：*.tdms文件和*.tdmsindex文件。前者為數(shù)據(jù)文件，后者為索引文件。在檢索信息時(shí)，一方面可以根據(jù)文件名、通道組名、通道名或者某些屬性進(jìn)行搜索;另一方面由于索引文件不含原始數(shù)據(jù)信息，只包含屬性等信息，并且支持隨機(jī)讀取文件數(shù)據(jù)，所以TDMS文件檢索速度很快。通過從存儲(chǔ)和檢索兩方面來考慮，TDMS文件滿足大數(shù)據(jù)量，快速檢索的要求，選擇TDMS文件格式存儲(chǔ)船舶振動(dòng)、噪聲測(cè)試采集到的數(shù)據(jù)，完全滿足要求。

2 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

考慮到船舶艙室空間狹小，內(nèi)部測(cè)試條件有限等因素，測(cè)試系統(tǒng)采用了小型化高性能嵌入式設(shè)計(jì)，內(nèi)部集成主控模塊、采集模塊、信調(diào)模塊、內(nèi)部電源等。測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

信調(diào)模塊對(duì)傳感器輸入的信號(hào)進(jìn)行抗混疊濾波和放大;采集模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集;采集控制由主控模塊負(fù)責(zé)，同時(shí)主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)分析;采集以及設(shè)備的相關(guān)信息受監(jiān)控模塊檢測(cè);采集、分析等信息在輸入輸出設(shè)備上實(shí)時(shí)顯示。

傳感器是采集前端的重要組成部件。每一個(gè)傳感器電纜通過集散電纜連接至測(cè)試系統(tǒng)的采集器航插接口。集散電纜與采集器的模擬輸入通道是一一對(duì)應(yīng)的。例如在進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試時(shí)，在一個(gè)測(cè)點(diǎn)上，可根據(jù)需要選擇三向加速度傳感器或者單向加速度傳感器。對(duì)于三向加速度傳感器，X、Y、Z軸三個(gè)方向分別對(duì)應(yīng)采集器的三個(gè)模擬通道。若不清楚測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)方向，可以選擇三向加速度傳感器。

監(jiān)控模塊可對(duì)采集器航插接口以及每一個(gè)模擬輸入通道的接口狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。航插通過一條數(shù)字線進(jìn)行通斷的監(jiān)測(cè)，一旦航插接口未完好連接，在測(cè)試時(shí)系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)給出提示，并且停止測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)為每個(gè)模擬通道設(shè)置一個(gè)指示燈，當(dāng)該通道連通時(shí)，對(duì)應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮。另外，在監(jiān)控模塊中還對(duì)系統(tǒng)的硬盤容量以及電池容量進(jìn)行定期監(jiān)控。通過這些措施保證測(cè)試過程以及測(cè)試系統(tǒng)的良好運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了保證在對(duì)同型號(hào)船只橫向或者縱向數(shù)據(jù)對(duì)比時(shí)，能提供有效的測(cè)試數(shù)據(jù)，使得測(cè)試具有可對(duì)比性，要求每次測(cè)試應(yīng)嚴(yán)格遵守一樣的測(cè)試條件（環(huán)境條件、被測(cè)設(shè)備工況、測(cè)點(diǎn)布置）和測(cè)試分析方法。所以對(duì)測(cè)試對(duì)象、測(cè)試環(huán)境以及測(cè)試狀況進(jìn)行記錄是必不可少的。

針對(duì)該問題測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)測(cè)試配置模塊，該模塊引導(dǎo)用戶完成對(duì)測(cè)試對(duì)象、測(cè)試環(huán)境、采集情況的配置，形成測(cè)試配置文件，以保證后期的對(duì)比測(cè)試時(shí)，可完全參照本次測(cè)試的配置信息，使得測(cè)試數(shù)據(jù)具有可對(duì)比性。在對(duì)采集情況進(jìn)行配置時(shí)，系統(tǒng)以船只為單位，指導(dǎo)用戶根據(jù)實(shí)際測(cè)試需要建立船只測(cè)試配置信息。文件以樹形結(jié)構(gòu)展示，根節(jié)點(diǎn)為船只，然后建立各個(gè)艙室，每個(gè)艙室下分別建立設(shè)備，針對(duì)設(shè)備不同部位建立測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)建立時(shí)根據(jù)需要分別建立三向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)、單向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)或者聲音測(cè)點(diǎn)。測(cè)試前，用戶選擇帶測(cè)試的船舶測(cè)試信息文件，選擇測(cè)試類型（振動(dòng)或者噪聲），系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別該文件中相應(yīng)類型的測(cè)點(diǎn)，勾選其中待測(cè)試測(cè)點(diǎn)，測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)測(cè)試資源自動(dòng)為每個(gè)測(cè)點(diǎn)分配所需要連接的模擬采集通道，用戶也可手動(dòng)調(diào)整。當(dāng)某一采集通道被選中進(jìn)行測(cè)試，并且該通道物理己連通時(shí)，則在配置表中該通道會(huì)以綠色顯示，表示可以正常工作。

按照采集通道配置信息，連接傳感器之后，系統(tǒng)啟動(dòng)測(cè)試。采集的原始數(shù)據(jù)放置在兩個(gè)隊(duì)列中，分別用于實(shí)時(shí)顯示分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用TDMS文件格式，TDMS文件的邏輯結(jié)構(gòu)分為三層，測(cè)試系統(tǒng)利用文件、通道組和通道這三層邏輯結(jié)構(gòu)，在其屬性中對(duì)應(yīng)寫入測(cè)試環(huán)境、測(cè)點(diǎn)信息和采集通道的配置信息。例如工況、時(shí)間、測(cè)試信息等在文件層屬性中進(jìn)行描述;不同設(shè)備的描述信息在相應(yīng)的通道組中描述;設(shè)備下的測(cè)點(diǎn)，以及測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)每個(gè)模擬采集通道等信息，在各通道組下的通道這一層描述。至此數(shù)據(jù)采集信息和測(cè)試信息被合理的保存到各層中。

在采集振動(dòng)或者噪聲信號(hào)的同時(shí)，系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)分析功能。測(cè)試系統(tǒng)針對(duì)振動(dòng)信號(hào)，對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)提供時(shí)域和頻域分析。振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域分析主要是在帶寬內(nèi)分析振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域特征參數(shù)，包括最大值、最小值等狀態(tài)參數(shù);振動(dòng)信號(hào)的頻域分析，主要是對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，分析信號(hào)的頻譜參數(shù)等。對(duì)于噪聲信號(hào)，對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)提供1/3倍頻程譜分析和聲壓級(jí)分析。

測(cè)試系統(tǒng)提供離線數(shù)據(jù)分析功能，由于測(cè)試數(shù)據(jù)已經(jīng)保存為TDMS文件，用戶選擇測(cè)試文件后，測(cè)試信息以及每個(gè)層級(jí)的屬性信息都可以瀏覽。選擇需要的分析的測(cè)點(diǎn)后，系統(tǒng)提取該測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息并以波形展示，用戶根據(jù)需要選擇其中某一長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，測(cè)試系統(tǒng)針對(duì)該段數(shù)據(jù)信息進(jìn)行各種特征參數(shù)的分析。

3 結(jié)論

本文對(duì)設(shè)計(jì)的船用振動(dòng)、噪聲測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行研究，通過詳細(xì)的配置，以及各種監(jiān)控手段保證測(cè)試的有效性。測(cè)試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用TDMS文件格式，記錄的信息更為規(guī)范、統(tǒng)一、詳細(xì)，具有可參考性。在實(shí)際的測(cè)試中，該測(cè)試系統(tǒng)完全滿足船用振動(dòng)、噪聲測(cè)試的需求，建立了相應(yīng)的相關(guān)特征信息數(shù)據(jù)集，為航行和維修保障提供技術(shù)手段。

參考文獻(xiàn)

[1]呂建華，船舶輪機(jī)振動(dòng)噪聲控制研究[J]，科學(xué)與財(cái)富，2016（28）.

[2]孫麗萍，聶武，船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲分析及其進(jìn)展[J]，船舶力學(xué)，2003 （01）.

[3]蔣昊，黃彬.基于LabVIEW的振動(dòng)噪聲測(cè)試和分析系統(tǒng)開發(fā)[J].儀表技術(shù)，2007 （12）：28-29.

[4]楊俊.基于LabVIEW的電子噪聲振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)[D].浙江大學(xué)，2007.