专利名称：管道激励源识别及其振动响应预测方法
技术领域：
本发明涉及的是一种减振降噪领域的预测方法。
背景技术：
管道系统广泛存在于石油化工、船舶营运等行业，输流管道工作过程中的振动和噪声往往会对工作环境及管路精密仪器附件的正常工作产生不良影响，因此对管道激励源特性及其振动测量和预测成为管道振动噪声控制方面至关重要的一部分。输流管路系统的激励源既包含阀门、泵等工作部件，也包含作用在管壁上的脉动压力场，因此对管道激励源的精确识别十分复杂且较为困难。目前主要有两种方式可以得到管道激励源的大小，一种是将振动或压力脉动传感器安装在激励源附近直接测量激励源大小；另一种是通过测量管道其他部位的振动或流体脉动，通过激励源与测点间的传递函数关系识别激励源的大小。激励源的直接测量方法较为简单，Peter O. Paulson (US6082193PIPELINEMONITORING ARRAY, 2000.)通过在管线上布置水听器来实现管道的噪声监测。PhilippeBousquet(US5925821DEVICE FOR MEASURING NOISE IN A PIPE TRAVERSED BY A FLUID,1999.)则发明一种带空腔的管道激励源测量装置用于测量阀门、弯头等激励源的大小。该装置的主要优点在于对管内的流体介质无要求，管内流体既可以是气体也可以是液体。由于管道安装及实际工作环境的限制，并非所有的管道激励源都可以利用传感器进行直接测量，于是人们对激励源的识别也就开展了较多的研究。Bartlett 和 Flannelly (Modal Verification of Force Determination forMeasuring Vibration Loads. Journal of the American Helicopter Society，1979:10 18)早在1979年就曾用加速度响应和传递矩阵识别了直升机主轴的动态载荷。在此之后，S. H. Yap 和 B. M. Gibbs (Indirect measurement of vibrational energy flow byreciprocal methods, Proc. of Inter-noise, 1996, 3:1273-1276)于 1996 年提出 了用互易法测量频响函数矩阵，测得了离心风机工作对地板的激励力，并且计算了功率流。翁雪涛(利用频响函数求外部激励，噪声与振动控制，1999，1:46-48 ) 1999年通过分析激励与响应之间的关系，提出了一种通过测量结构对已知激励的响应，求出响应与激励之间的确定性关系，即频率响应函数，然后再测得结构对未知激励的响应，从而求得未知激励的方法。Millet et.al. (W02004031719 (Al)METHOD FOR DETECTING AND LOCATING AT LESTONE NOISE IN A PIPE TRANSPORTING A FLUID AND INSTALLATION THEREFOR, 2004.)通过多点的振动噪声测量，对声源进行定位，并确定声源大小。Frederick Wayne Catron(US7814936B2, Sound pressure level feedback control, Oct. 19，2010)基于管内噪声和管外辐射噪声之间的计算公式和传递损失公式，利用管壁振动预测阀门噪声，并发明了一个阀门噪声反馈控制系统。上述研究成果均是完全基于实验进行激励源识别，识别程序复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供实现管道振动响应的间接测量，从而减少管道振动响应测量时的测点数量的管道激励源识别及其振动响应预测方法。本发明的目的是这样实现的本发明管道激励源识别及其振动响应预测方法，其特征是( I)确定管路等效激励源位置，并建立管路系统的频域传递矩阵TMM模型Dttrt 根据管路系统中阀门、分支管及弯管等激励源的布置情况，确定激励源识别的位置及数目n，并假设第i个激励源的大小等于Xi (i=l, 2，... η)，建立管路系统的TMM模型，任意管路系统方程均可写为下面的形式Dto^tot=Ftot,其中Dtrt表示由管道边界条件Db、管路系统点传递矩阵Dp和场传递矩阵D。组成的整体传递系数矩阵，表示各参考点状态参量组成的总体状态向量，即由管道各参考点的流体压力、振动加速度和力矩组成的向量，Fttrt表示由激励源向量Ff与管路系统点传递矩阵Dp和场传递矩阵D。共同作用而形成的激励向量；(2)管壁振动加速度信号采集及预处理在管道任意位置选取用于激励源识别的振动参考点，采集振动参考点处的管壁振动加速度信号，并 通过傅里叶变换FFT将采集的时域振动加速度信号转换为频域振动加速度信号；(3)激励源识别及等效在激励源等效位置施加单位激励，利用建立的TMM模型，分别计算出振动参考点的振动加速度；利用线性系统的叠加原理，将振动参考点振动加速度乘以XiQ=I, 2，... η)并叠加，叠加后的参考点振动加速度与步骤(2)得到的振动参考点频域振动加速度信号的值相等，得出激励源向量Ff ;(4)管道其他位置振动加速度的预测将等效激励源向量Ff带入公式TMM模型，可得到参考点的振动加速度Φ (Λ，再利用管路系统其他点振动加速响应。，与参考点加速度Ottrt之间的传递关系Φχ = DpD^tot,进一步预测出管道其他任意位置的振动加速度Φχ。本发明还可以包括1、所述的TMM模型可以用有限元模型和特征线模型代替。2、所述的用于激励源识别的振动参考点，布置在待预测振动加速度的管段与激励源之间。3、对于单激励源系统即i=l时，测得的振动参考点的振动加速度的频域响应与TMM求解的该参考点的振动加速度响应之间的比值即为识别的激励大小。本发明的优势在于本发明可以根据管道的具体布置形式，选择便于测量的合适测点，识别激励源大小及预测管道振动，解决管路系统激励源特性和部分管段振动较难测量等问题，并能减少实验测点布置，增加管道振动测量的灵活性。与传统的识别测量方法相t匕，本发明具有激励源识别速度快，振动响应测量预报装置简单，实验成本低，适用性强、预测精度高的特点。
图1为本发明的激励源识别技术和振动响应预测流程框图；图2为激励源识别技术和振动响应预测技术的具体实施流程图；图3为验证实验系统布置示意图；图4为实验测量的振动参考点B的频谱曲线图；图5为识别的等效激励源A的频谱特性；图6为管道C点振动的预测与实验频谱曲线对比图；图7为管道C点振动的预测与实验1/3倍频程对比图。
具体实施例方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述结合图1 3，本发明的激励源识别及振动预测方法含有以下步骤(I)确定管路等效激励源位置，并建立管路系统的频域传递矩阵(TMM)模型(Dtot)。首先根据管路系统中阀门，分支管及弯管等激励源的布置情况，确定激励源识别的位置及数目n，并假设第i个激励源的大小等于Xi (i=l, 2，... η)。然后依据管路系统的运动方程,建立管路系统的TMM模型。如附图2所示，除了可以建立管路系统的TMM模型外，也可以建立有限元(FEM)模型和特征线(MOC)模型，但FEM计算周期长，建模复杂；M0C不适用于求解复杂的管路系统；因此本发明推荐采用TMM模型。根据TMM理论，任意管路系统方程均可写为下面的形式Dto^tot=Ftot,在方程⑴中，Dtot表示由管道边界条件(Db)，管路系统点传递矩阵(Dp)和场传递矩阵(D。)组成的整体传递系数矩阵；Φ_表示各参考点状态参量组成的总体状态向量，即，由管道各参考点的流体压力，振动加速度和力矩组成的向量；Ftrt表示由激励源向量(匕)与管路系统点传递矩阵(Dp)和场传递矩阵(D。)共同作用而形成的激励向量。(2)管壁振动加速度信号采集及预处理首先选取用于激励源识别的振动参考点，理论上讲，振动参考点可以布置在管道任意位置，但为了提高识别精度，建议将振动参考点布置在待预测振动加速度的管段与激励源之间。然后采集振动参考点处的管壁振动加速度信号，并通过傅里叶变换(FFT)将采集的时域振动加速度信号转换为频域振动加速度信号。例如，在附图3所示的试验系统中，A点为激励源所在位置，选择B点作为振动参考点，测得B点的振动加速度时域信号后，经过傅里叶变换后的B点频域振动加速度信号如附图4所示。(3)激励源识别及等效该环节按下列两部分实施I)在激励源等效位置施加单位激励，求解出振动参考点处的振动响应。在每一个激励源位置施加单位激励，利用第(I)步建立的TMM模型，分别计算出振动参考点的振动加速度。
2)利用线性系统的叠加原理，将上一步求解各振动参考点振动加速度乘以XiQ=I, 2，... η)并叠加，令叠加后的参考点振动加速度与第(2)步得到的振动参考点频域加速度信号的值相等，解方程组，即可得出激励源向量(Ff)。特别地，对于单激励源系统(i=l)7实验测得的振动参考点的振动加速度的频域响应与TMM求解的该参考点的振动加速度响应之间的比值即为识别的激励大小。例如，在附图3中所示的系统中，根据附图4所示振动参考点B的频域振动加速度信号，识别出的激励源A的大小如附图5所示。(3)管道其他位置振动加速度的预测由方程(I)可知，在Dttrt和Fttrt已知的条件下，根据Φω =D=Ftot ,可以很容易地求出 Otot。将上一步识别出的等效激励源向量(Ff)带入公式(1)，即可得到参考点的振动加速度，再利用管路系统其他点振动加速响应^^与参考点加速度之间的传递关系(Φχ = DpDc^tot),即可以进一步预测出管道其他任意位置的振动加速度Φχ。根据ISO 1683 (ISO 1683 Acoustics-Preferred reference values foracoustical and vibratory levels)将振动加速度 转化为振动加速度级的形式,并利用能量叠加方法，可以计算出的管道振动加速度级的1/3倍频程分布形式。例如选取图3中的C点作为振动加速度预测位置，预测结果与实验的频域线谱图比较如附图6所示，预测的C点振动加速度级和实验测量的C点加速度级的比较结果如附图7所示。由附图7可以看出，采用本发明识别的激励源可以用于管道振动的预测，从而实现管道任意点的间接测量，并具有较高的精度。如本例中，C点总振动加速度级预测值与实验实测值之间的误差仅为0. 2dB。同时，本发明也可应用于管路系统工程设计及管道工作时任意位置的振动状况监测。通过本发明可以根据管道的具体布置形式，选择便于测量的合适测点，识别激励源大小及预测管道振动，解决管路系统激励源特性和部分管段振动较难测量等问题，并能减少实验测点布置，增加管道振动测量的灵活性。与传统的识别测量方法相比，本发明具有激励源识别速度快，振动响应测量预报装置简单，实验成本低，适用性强的特点。附图6和附图7的对比结果表明，本发明预测精度较高，可用于管道任意点振动响应的间接测量。本发明提供的数据处理方法实现过程简便，易于编程计算。本发明既可以作为独立模块用于实验数据后处理，也可嵌入到数据采集设备中，实现管路系统关键部位振动响应的实时监测。
权利要求
1.管道激励源识别及其振动响应预测方法，其特征是 (1)确定管路等效激励源位置，并建立管路系统的频域传递矩阵TMM模型Dtot 根据管路系统中阀门、分支管及弯管等激励源的布置情况，确定激励源识别的位置及数目n，并假设第i个激励源的大小等于Xi (i=l, 2，... η)，建立管路系统的TMM模型，任意管路系统方程均可写为下面的形式 其中Dtot表示由管道边界条件Db、管路系统点传递矩阵Dp和场传递矩阵D。组成的整体传递系数矩阵，表示各参考点状态参量组成的总体状态向量，即由管道各参考点的流体压力、振动加速度和力矩组成的向量，Fttrt表示由激励源向量Ff与管路系统点传递矩阵Dp和场传递矩阵D。共同作用而形成的激励向量； (2)管壁振动加速度信号采集及预处理 在管道任意位置选取用于激励源识别的振动参考点，采集振动参考点处的管壁振动加速度信号，并通过傅里叶变换FFT将采集的时域振动加速度信号转换为频域振动加速度信号; (3)激励源识别及等效 在激励源等效位置施加单位激励，利用建立的TMM模型，分别计算出振动参考点的振动加速度；利用线性系统的叠加原理，将振动参考点振动加速度乘以Xi (i=l, 2，... η)并叠力口，叠加后的参考点振动加速度与步骤(2)得到的振动参考点频域振动加速度信号的值相等，得出激励源向量Ff ; (4)管道其他位置振动加速度的预测 将等效激励源向量Ff带入公式TMM模型，可得到参考点的振动加速度Φ (Λ，再利用管路系统其他点振动加速响应中!￡与参考点加速度Ottrt之间的传递关系Φχ = DpD,t()t，进一步预测出管道其他任意位置的振动加速度Φχ。
2.根据权利要求1所述的管道激励源识别及其振动响应预测方法，其特征是所述的TMM模型可以用有限元模型和特征线模型代替。
3.根据权利要求1或2所述的管道激励源识别及其振动响应预测方法，其特征是所述的用于激励源识别的振动参考点，布置在待预测振动加速度的管段与激励源之间。
4.根据权利要求1或2所述的管道激励源识别及其振动响应预测方法，其特征是对于单激励源系统即i=l时，测得的振动参考点的振动加速度的频域响应与TMM求解的该参考点的振动加速度响应之间的比值即为识别的激励大小。
5.根据权利要求3所述的管道激励源识别及其振动响应预测方法，其特征是对于单激励源系统即i=l时，测得的振动参考点的振动加速度的频域响应与TMM求解的该参考点的振动加速度响应之间的比值即为识别的激励大小。
全文摘要
本发明的目的在于提供管道激励源识别及其振动响应预测方法，包括以下步骤采集管壁振动加速度信号，并通过傅里叶变换将采集的时域信号转换为频域信号；激励源识别及等效，利用线性系统叠加法，通过比较实验数据及管路系统动力学计算结果，确定管路系统等效激励源的大小；根据等效激励，利用传递矩阵方法预报管道其他任意位置振动的动态响应。本发明可以根据管道的具体布置形式，选择便于测量的合适测点，识别激励源大小及预测管道振动，解决管路系统激励源特性和部分管段振动较难测量等问题，并能减少实验测点布置，增加管道振动测量的灵活性。
文档编号G01H17/00GK103049670SQ20131001278
公开日2013年4月17日 申请日期2013年1月14日 优先权日2013年1月14日
发明者李帅军, 柳贡民, 吴晓笛, 张文平, 李艳华, 曹贻鹏, 明平剑, 张新玉 申请人:哈尔滨工程大学