LMS SCADAS Ⅲ在柴油机测试领域的应用简介

摘要：本文从软件和硬件两个方面简单介绍了上柴公司2005 年向比利时LMS 公司引进的SCADAS Ⅲ 20 通道NVH 测试系统，涉及噪声振动测试分析领域、应变测试和调速率测试等，并对其一年来在上柴公司内的应用状况、适用范围和应用领域进行了说明。
关键词：测试系统 噪声振动 ODS ASQ EMA

一、概述

SCADAS Ⅲ 20 通道NVH 测试系统是一套快速信号采集和分析系统，主要包括硬件和软件两部分，硬件部分包括传感器、激振器、数采前端和笔记本电脑等。信号输入通道数为20 通道，输入信号可以是电压、ICP 型加速度传感器和声学传感器输入、4 通道应变信号输入以及两个专门用于测量和触发发动机试验的转速输入，两个独立的用于模态试验或传递路径测量的正弦或随机信号源输出通道，测量前端包括AD 和DSP 模块，每通道采用24 位精度ADC，204.8k 的并行采样速度，分析频带可以高达90kHz。软件部分包括实时信号采集、计算、分析、显示、记录、保存以及报告输出，采用流程化界面。就噪声振动的分析功能有：整车和发动机振动噪声的实时稳态FFT 多功能分析，如声压、声强测量、1/N 谱、FFT 谱分析、振动积分和声学各种计权；与旋转源激励有关的整车和发动机的振动噪声－转速分析，如各种特征分析、阶次分析、3D 坎贝尔图分析和阶次提取等；汽车发动机在消声室内按标准9 点声压法声功率实时测量分析；汽车和发动机结构模态分析，如锤击法和激振器激振试验时域与频域模态参数识别等；还有以下扩展功能，如ASAMODS。

二、测试应用领域

（一） 噪声振动测试分析领域

该系统主要应用于噪声振动测试分析领域，就目前国标而言，测试具有实时同步性，通过简单运算就可以得到我们所要的结果，还有1/N 谱、FFT 谱分析、振动积分和声学各种计权等简单分析。以上这些我们称之为噪声振动测试领域的常用功能。但根据目前硬件和软件条件，该系统还有一些其他的功能，下面逐一介绍。

1、 ODS 技术

ODS 是Operational Deflection Shapes 的缩写，是指结构上某些关心的测点在结构的特定工作条件下相应某些关心的特定频率处振动的相对形态。ODS 与模态振型（mode shape）是完全不同的概念。后者是结构（系统）的固有属性，前者对应于任意指定的测量频率而言，它具有以下特征：

· ODS 与结构的动力特征（FRF 或模态参数）有关。

· ODS 与结构所受作用力的性质（周期、随机、频率含量…）和幅值有关。

· 在结构的共振点，ODS 的值相对较大（占优），且接近于（如果模态不密集，阻尼也很小的话）相应的模态振型。当作用力有明显的优势频率（对应力谱谱峰）时，对应该频率的ODS也相应占优，但不同于结构的任何一阶模态振型。

· ODS 可以和模态振型一样做动画显示，但ODS分析得不到阻尼比参数。

1．1 ODS 试验的条件

a、结构作简谐振动或周期振动。
b、平稳的随机振动过程，允许采用功率谱平均。
c、短时间内可认为测量对象的工况保持不变，需要有良好的测量信噪比。

1．2 ODS 试验设置

a、试验工况

转速变化范围：800 RPM（转/分钟）－ 2200 RPM，加速时间：90 s

图1

b、测点分布（如图2）

图2

1．3 ODS 试验结果

ODS 的试验结果可以提取我们关心的阶次，也可以得到一个随频率变化的动态振型变化图。

图3

2、ASQ 技术

ASQ 是Airborne Source Quantification 的缩写，是指根据工作状态下在发动机表面所测得的力或加速度或声压等和发动机表面与噪声实际测量点之间的频响函数以及刚度来确定测量主体中哪个部件是所测噪声的主要贡献源的方法。

2． 1 试验设置

在半扩散场噪声试验室中对柴油机进行试验，实验数据中Operational data 部分使用ODS 试验中测得的加速度数据，测点分布如图2。试验数据中的Frequency response functions 部分使用标准声源与麦克风在测点与柴油机表面测得，测点选用GB/T 1859-2000 中规定的九点，标准声源放置的位置与加速度测量点重合。

2. 2 试验结果

试验分析表明，柴油机各部件中对第一点噪声贡献最大的是油底壳部分，其次是油泵。（见图4）

图4

3、EMA 技术

EMA 是Experimental Modal Analysis 的缩写，试验模态分析方法是结构动力学方面技术比较成熟应用较广的一种试验方法，包括激振器法和力锤法。下面我们以发动机机体激振器法为例进行说明。

3. 1 机体建模选择91 个发动机机体特征点测量（测点分布如图5）。

图5

3． 2 机体在自由状态下采用 3 向加速度传感器分别进行测量，并用polymax 模态分析模块进行分析。

3．3 试验结果

对机体而言，一般人们关心的是前5 阶模态，这5 阶模态的试验结果由三种输出方式，祥见图6、7 和表1。

图6

动画图7

表1

我们也采用简便的力锤法对以上结果进行验证，试验选择柴油机机体上的8 个角与中间4 个点作测点，辨识柴油机机体的前三阶模态，并经与激振器法所测模态进行对比，基本吻合。力锤法试验数据如下：

4、声强

声强具有方向性，而且对测试现场的要求较低，因此它也是一种查找声源的较好方法。在试验准备时为了确定声强探头的位置，我们规定了一个假想基准体，该基准体是恰好包络发动机并终止于反射面的最小可能矩形六面体，如本次试验根据实际测量柴油机得到该基准体的长，宽，高分别为1.2m,0.6m,1.16m。然后将声强探头分布在一个面积为S 的平面上，该平面平行于柴油机油泵一侧，间距为d（测量距离）。根据标准，测量表面与基准体间的测量距离d 应为1m。接着对测量表面的长，宽各进行4 等分，形成16 个相等的小平面，分别对这16 个小平面的中心点进行测量（如图8）。

图8

当试验工况为满负载功率233Kw，转速2200RPM。分析频率为800Hz 时测量所得声强云图如图9。

图9

试验结果表明柴油机声强辐射中油底壳的辐射量最大，与声压测量和振动测量的试验结果相同。但是柴油机上另一主要已知噪声辐射源油泵的噪声辐射没有体现出来，可能是测量面离柴油机过远，而且测点数也较少。

（二）其他测试领域

1、应变测量

将已制作完成的半桥应变片贴在气门杆处，对其施加一个外力，所产生的应变变化信号（见图10）

图10

2、电站发动机稳态调速率和瞬态调速率以及稳定时间的测量

图11

图12

从以上图中可以获得符合GB1105.2-87 标准要求的稳态调速率、瞬态调速率和稳定时间等数据。

3．曲轴扭振测量

软件增加扭振模块功能以后，可以进行发动机曲轴扭振测量。

图13

三、总结

以上只是对LMS NVH 测试系统的基本功能及其扩展进行了概要的描述，没有涉及试验的验证等技术问题，对软件的分析功能也介绍较少，因为验证和软件分析涉及较多的基础知识，而本文的主要目的是让广大的柴油机测试和研发人员对系统有个初步的了解。

参考文献
1、2005 年上柴公司内部试验报告
2、LMS 软件使用说明书