引言

在水下环境中进行振动测试，对于理解水下结构物的动态行为至关重要。例如，超声医疗换能器、海洋勘探设备以及潜艇结构等，都需要在水下进行精确的振动测试。本文将以一个简单的金属梁为测试样品，利用三维激光测振仪PSV-500-3D，详细阐述如何在水下进行振动测试，并通过数据分析揭示物体在水中的振动特性变化。

实验搭建

测试仪器与配置

泓川科技提供了两种扫描式激光测振仪，分别适用于不同测量场合：

1. 红外式扫描头：

• 激光波长：1550nm

• 输出功率：10mW

• 特点：高灵敏度、高信噪比、长测试距离，但不适用于水下测试，因为该波长的激光在水中迅速被吸收。

2. 红色激光扫描头：

• 激光波长：633nm

• 输出功率：1mW

• 特点：低功率、人眼安全，激光在水中衰减较弱，适用于水下测试。

本次实验采用红色激光扫描头进行水下测试。为了实现三维测量，三个扫描头以不同角度照射被测物体表面，PSV软件确保三束激光重合于同一测量点，从而提取X、Y、Z三个方向的振动数据。

被测物体与激励方式

• 被测物体：150mm长的铝梁，截面尺寸为12x12mm。

• 激励方式：使用直径10mm的压电片粘贴于铝梁表面，通过绝缘胶固定。激励电压设置为40V，确保在水下能正常工作。

实验装置与步骤

1. 实验装置：包括玻璃容器、橡胶阻尼垫、三维激光测振仪及附属设备。

2. 实验步骤：

• 将被测物体放置于空玻璃容器中，容器置于橡胶阻尼垫上。

• 透过玻璃容器侧壁，首先进行空气中的三维扫描测试。

• 向玻璃容器中加入纯净水，保持其他测试条件不变，进行水下测试。

实验结果与数据分析

振型对比

图4展示了物体在空气和水中的几个峰值振型。可以看出，尽管振型相似，但频率存在显著差异。

• 空气中振型（左图）：显示物体在自由振动状态下的自然形态。

• 水中振型（右图）：由于水的阻尼作用，振型略有变形，且频率降低。

频谱分析

图5为两次测试的平均频谱图，进一步揭示了物体在空气和水中的振动特性差异。

• 空气中频谱（上图）：显示出较高的共振频率峰值。

• 水中频谱（下图）：共振频率峰值显著降低，且阻尼明显增加。

数据公式与算法

多普勒频移公式

激光测振仪基于多普勒效应测量物体振动速度，多普勒频移公式为：

其中，$f_d$ 为多普勒频移，$v$ 为物体振动速度，$c$ 为光速，$f_0$ 为激光频率，$\theta$ 为激光与物体振动方向的夹角。

阻尼比计算

阻尼比 $\zeta$ 可通过以下公式计算：

其中，$c$ 为阻尼系数，$k$ 为刚度系数，$m$ 为物体质量。通过对比空气和水中的阻尼比，可以量化水对物体振动特性的影响。

数据分析细节

• 频率变化：物体在水中的共振频率较空气中显著降低，这是由于水的附加质量效应和阻尼作用所致。

• 阻尼增加：水中的阻尼比显著高于空气中，表明水对物体振动的抑制作用明显。

• 振型修正：面外振动的幅值需考虑水的折射率（约1.3）进行修正，而面内振动分量则无需调整。

结论

通过本次实验，我们详细阐述了如何使用三维激光测振仪在水下进行振动测试，并通过数据分析揭示了物体在水中的振动特性变化。实验结果表明，物体在水中的共振频率显著降低，阻尼明显增加。这些发现对于理解水下结构物的动态行为具有重要意义，同时也验证了扫描式激光测振仪在水下测试中的有效性和高效性。未来研究可进一步探索不同材质、形状和结构物体在水下的振动特性，以及水温和盐度等因素对测试结果的影响。