引言

在水下環境中進行振動測試，對于理解水下結構物的動態行為至關重要。例如，超聲醫療換能器、海洋勘探設備以及潛艇結構等，都需要在水下進行精確的振動測試。本文將以一個簡單的金屬梁為測試樣品，利用三維激光測振儀PSV-500-3D，詳細闡述如何在水下進行振動測試，并通過數據分析揭示物體在水中的振動特性變化。

實驗搭建

測試儀器與配置

泓川科技提供了兩種掃描式激光測振儀，分別適用于不同測量場合：

1. 紅外式掃描頭：

• 激光波長：1550nm

• 輸出功率：10mW

• 特點：高靈敏度、高信噪比、長測試距離，但不適用于水下測試，因為該波長的激光在水中迅速被吸收。

2. 紅色激光掃描頭：

• 激光波長：633nm

• 輸出功率：1mW

• 特點：低功率、人眼安全，激光在水中衰減較弱，適用于水下測試。

本次實驗采用紅色激光掃描頭進行水下測試。為了實現三維測量，三個掃描頭以不同角度照射被測物體表面，PSV軟件確保三束激光重合于同一測量點，從而提取X、Y、Z三個方向的振動數據。

被測物體與激勵方式

• 被測物體：150mm長的鋁梁，截面尺寸為12x12mm。

• 激勵方式：使用直徑10mm的壓電片粘貼于鋁梁表面，通過絕緣膠固定。激勵電壓設置為40V，確保在水下能正常工作。

實驗裝置與步驟

1. 實驗裝置：包括玻璃容器、橡膠阻尼墊、三維激光測振儀及附屬設備。

2. 實驗步驟：

• 將被測物體放置于空玻璃容器中，容器置于橡膠阻尼墊上。

• 透過玻璃容器側壁，首先進行空氣中的三維掃描測試。

• 向玻璃容器中加入純凈水，保持其他測試條件不變，進行水下測試。

實驗結果與數據分析

振型對比

圖4展示了物體在空氣和水中的幾個峰值振型。可以看出，盡管振型相似，但頻率存在顯著差異。

• 空氣中振型（左圖）：顯示物體在自由振動狀態下的自然形態。

• 水中振型（右圖）：由于水的阻尼作用，振型略有變形，且頻率降低。

頻譜分析

圖5為兩次測試的平均頻譜圖，進一步揭示了物體在空氣和水中的振動特性差異。

• 空氣中頻譜（上圖）：顯示出較高的共振頻率峰值。

• 水中頻譜（下圖）：共振頻率峰值顯著降低，且阻尼明顯增加。

數據公式與算法

多普勒頻移公式

激光測振儀基于多普勒效應測量物體振動速度，多普勒頻移公式為：

其中，$f_d$?為多普勒頻移，$v$?為物體振動速度，$c$?為光速，$f_0$?為激光頻率，$\theta$?為激光與物體振動方向的夾角。

阻尼比計算

阻尼比?$\zeta$?可通過以下公式計算：

其中，$c$?為阻尼系數，$k$?為剛度系數，$m$?為物體質量。通過對比空氣和水中的阻尼比，可以量化水對物體振動特性的影響。

數據分析細節

• 頻率變化：物體在水中的共振頻率較空氣中顯著降低，這是由于水的附加質量效應和阻尼作用所致。

• 阻尼增加：水中的阻尼比顯著高于空氣中，表明水對物體振動的抑制作用明顯。

• 振型修正：面外振動的幅值需考慮水的折射率（約1.3）進行修正，而面內振動分量則無需調整。

結論

通過本次實驗，我們詳細闡述了如何使用三維激光測振儀在水下進行振動測試，并通過數據分析揭示了物體在水中的振動特性變化。實驗結果表明，物體在水中的共振頻率顯著降低，阻尼明顯增加。這些發現對于理解水下結構物的動態行為具有重要意義，同時也驗證了掃描式激光測振儀在水下測試中的有效性和高效性。未來研究可進一步探索不同材質、形狀和結構物體在水下的振動特性，以及水溫和鹽度等因素對測試結果的影響。