2. 船舶振动基础与监测参数选择
船舶是一个在波浪、机械与流体激励下持续运动的复杂结构体。要对它做有效的振动监测，第一步不是选传感器，而是把“振动”这件事拆解成可测量的量，并弄清船上不同来源的振动各自长什么样。本节围绕三个基本描述量——幅值、频率、相位，以及三类常用监测参数——加速度、速度、位移，说明它们分别适合什么场景、依据什么原则选择。
一、振动的三个基本描述量
任何一点的振动都可以用随时间变化的信号 x(t) 描述，而工程上真正用于判断的是它的三个侧面。
幅值回答“振得多厉害”。同一段信号，幅值有峰值、峰峰值、有效值（RMS）三种常用表达。峰值对冲击和瞬态敏感，适合看齿轮啮合、轴承缺陷产生的尖峰；RMS 反映能量平均水平，适合评价持续运转下的整体振动烈度，也是 ISO 10816 一类评价标准的常用量；峰峰值则多用于位移类测量，如轴系回旋。选择幅值类型时必须与判据一致，否则数值无法比较。
频率回答“振动的成分在哪里”。船上振动几乎都是多频叠加：主机点火的基频、螺旋桨叶频、齿轮啮合频率、泵与风机的转频，以及它们的高次谐波和轴承故障特征频率。把时域信号做频谱分析，就能把不同激励源分离到不同频带上。频率是识别振源最有力的线索——看到 1 倍转频突出，多半是不平衡或对中问题；看到叶频及其谐波，则要怀疑螺旋桨激励与船体尾部结构响应。
相位回答“各点之间、各分量之间的相对关系”。相位在单点监测中不显眼，但在平衡校正、模态识别、传递路径分析中不可替代：两点间同频分量的相位差可以判断它们是同向运动还是相对运动，多测点相位分布可以勾勒出结构振型。做动平衡时，正是靠试重前后相位的变化来确定不平衡量的方位。
二、船舶振动的主要类型与来源
按激励性质，船上振动大致可分为四类，它们的频率范围和传递路径差别很大，直接决定了测点与参数的选择。
- 机械振动：主机、发电柴油机、泵组、风机、空压机等旋转与往复机械产生。往复机的惯性力与点火激励表现为低频强线谱，旋转机械的不平衡、不对中、轴承缺陷则分布在转频及其谐波、故障特征频率上。这类振动频率较高、频带较宽，是加速度测量的主战场。
- 螺旋桨与轴系振动：螺旋桨在不均匀伴流场中工作，产生叶频激励，通过轴系和轴承座传到船体尾部；轴系还可能存在回旋（whirling）与扭转振动。叶频通常落在几赫兹到几十赫兹的低频段，位移和速度更能反映其危害。
- 船体总振动与局部结构振动：船体梁的垂向、水平、扭转总振动频率很低（常在 1 Hz 量级及以下），而甲板、舱壁、基座等局部结构则可能在几十赫兹出现共振。前者关注位移与舒适性，后者关注共振放大与结构疲劳。
- 波浪与流体激励：波浪引起的刚体运动与砰击、涡激等瞬态载荷，频率极低但幅值大，属于运动与载荷监测范畴，通常用位移或加速度低频段记录。
实际信号是这些来源的叠加。监测的价值就在于通过测点位置与频段划分，把关心的那一部分“择出来”。例如把加速度计布置在主机机脚与基座，可以同时看到机械激励和基座的结构响应；把测点放在尾部舱壁，则更容易捕捉叶频激励引起的结构振动。
三、加速度、速度、位移的适用场景
三者本质上是同一振动信号的不同数学表达：位移对时间求导得速度，速度求导得加速度。对单一频率 f 的正弦分量，三者幅值满足 Aa = 2πf·Av = (2πf)²·Ad。这意味着频率越高，加速度越“放大”，位移越“衰减”。选参数，本质上是在选一个对该频段信噪比最好的量。
加速度适合中高频与冲击类测量。压电式加速度计体积小、频响宽（常见 0.5 Hz～10 kHz 以上）、动态范围大，是齿轮箱、轴承、泵组状态监测的首选。它的短板在低频：受传感器低频截止和积分漂移影响，几赫兹以下的加速度信号很难直接用于位移换算。
速度适合中频段振动烈度的整体评价。在 10～1000 Hz 区间，人对振动的感受和结构疲劳损伤与速度的相关性较好，因此船级社与 ISO 标准多采用速度 RMS 作为衡量指标。工程上常用加速度计信号经积分得到速度，但积分会引入低频漂移，需配合高通滤波。
位移适合低频与大行程测量。船体梁总振动、轴系回旋、设备与基座间的相对位移、轴承间隙，这些量在低频段幅值大，用位移描述最直观。电涡流位移传感器非接触、低频响应好，是轴系监测的常用手段；但它的高频段信噪比差，不适合做故障频率分析。
四、参数选择原则与一个示例
选择参数时可遵循三条原则。第一，按频段选：先估算关心的激励频率，落在哪个区间就优先用对该区间敏感的量。第二，按判据选：监测结果最终要与标准或阈值比较，判据用速度 RMS，就不要只存加速度峰值。第三，按对象选：旋转机械看加速度，轴系与总振动看位移，整体舒适性看速度，三者可以并存于同一套系统中，但测点与通道要分开配置。
以一个教学示例说明。假设某船主机额定转速 600 r/min，即转频 10 Hz；螺旋桨四叶，叶频约 40 Hz；齿轮箱减速比使啮合频率落在约 800 Hz。若关心主机不平衡，应选加速度计、采样率不低于 2 kHz，重点看 10 Hz 及其谐波；若关心尾部结构在叶频处的响应，可同时布置速度通道，关注 40 Hz 附近的窄带 RMS；若关心轴系回旋，则用电涡流位移传感器测轴颈相对轴承座的位移，关注 1 倍转频分量。三组数据各司其职，不能互相替代。
把幅值、频率、相位三个描述量与加速度、速度、位移三类参数对应起来，再对照船上四类振动来源的频段分布，监测方案的基本框架就建立起来了。后续的传感器安装、采样设置与数据分析，都建立在这一选择之上。