低频、超低频振动计量技术的研究与展望

0 引言

振动是外力作用在弹性体后产生周期运动的一种自然现象，0． 01 ～20Hz 的振动被称为低频超低频振动。当前，低频、超低频振动的研究在工程应用和科学测量中占有非常重要的地位。大型发电设备、航空航天设备、重型机械、船舶、高层建筑物、铁路公路桥梁、水坝以及地震波等无一不与该研究有关。这类振动由于具有振动频率低，超低频成份丰富、振幅大( 可高达 10mm 以上) 以及破坏力大的特点，因此倍受重视。

1 低频超低频振动计量的主要应用领域

目前，低频、超低频振动计量是科学技术研究的热点问题之一，其应用范围非常广泛，涵盖各个工程技术和科学领域。

1． 1 在土木、水利和石油勘探工程方面的应用

随着国民经济的快速发展，高层建筑、特大桥梁、水利枢纽、石油钻井平台等大型建筑设备对低频、超低频的研究提出了新的要求。土木工程结构由于自振频率低，极易受到环境等不可预见因素的影响。例如，高度 400m 以上的某高层建筑大厦固有频率为 0． 16Hz，在强台风作用下的顶层挠度可达1m; 悬索桥、斜拉桥等大跨度桥梁的自振频率甚至超过了 0． 1Hz，载荷作用下的动静挠度超过了几百毫米; 大型的水利工程堤坝由于受外界环境的影响，在高压作用下的挠度可达几十毫米; 气轮发电机组、海洋平台等大型设备通常工作在高转速大负荷及高温高压等恶劣条件下，据统计 30% 以上故障源于振动( 主要低频段) 引起。

通常对高层建筑物采用低频、超低频振动传感器采集各部位对环境的振动响应，在分析结构自振频率、振型以及相应的阻尼比等的基础上，采取相应措施降低干扰，预防灾害发生。具有代表性的是低频振动传感器测量建筑桥梁的动挠度; 对水利工程堤坝采用基于振动测试的结构损伤检测法检测大坝结构的动力特性和响应等，分析识别和判断结构状态，确定是否存在损伤、损伤的位置和程度; 利用磁电式或电压式传感器对大型发电机组或石油钻井平台进行连续在线无损检测和故障诊断成为保障这些设备安全运行的重要手段。

随着科技的发展，各科之间的信息融合，将控制理论和控制系统引入结构工程成为新的发展方向。结构工程在控制系统的作用下，可及时感受并抵御外界载荷的作用，并在结构上减轻动力影响。典型的控制系统由低频、超低频振动传感器、过程信息采集与处理装置和响应机构组成。

1． 2 在航空航天技术和国防工业方面的应用

现代航空航天器的发动机监控成为故障预测与健康管理( PHM) 的重要组成部分，而发动机的外置机匣、附件机匣和机体本身振动值是监控的重要指标。使用低频、超低频测振技术可以实时准确地监控发动机工作状况，优化航空航天器的飞行模态，确保安全。太空环境下的微振动的频率范围介于0. 01 ～ 1Hz 之间，由于振动源的多样性及某些振动的低频特性，传统的被动隔振不能取得预期的效果，研究人员采用了主动的微振动隔离方法。另外，采用连续跟踪扫描的方式监测发动机叶片的振动情况已成为下一代航空航天器的检测新手段。核爆炸的监测也属超低频振动测量的范围，对超低频振动信号的测量下限可达 0． 003Hz，这对低频、超低频测振技术提出了更高的要求。