王書新，欒 新，宋大雷，王永芳，蘇兆龍，閆啟志

（1.中國(guó)海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266003；2.中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266003）

海水剪切流速數(shù)據(jù)為研究海洋湍流混合過程及計(jì)算湍動(dòng)能耗散率重要原始數(shù)據(jù)資料［1］。海洋湍流觀測(cè)平臺(tái)由水平拖曳式［2］發(fā)展到垂直剖面式［3］，由短期觀測(cè)擴(kuò)展至長(zhǎng)期定點(diǎn)觀測(cè)。潛標(biāo)湍流儀為長(zhǎng)期測(cè)量、觀測(cè)深海湍流的有效平臺(tái)，對(duì)海洋科學(xué)研究具有重要意義。Osborn［4］研制出第一臺(tái)攜帶剪切型探頭的垂直剖面儀，Lueck等［5］研發(fā)出可長(zhǎng)期自動(dòng)測(cè)量深海湍流數(shù)據(jù)能力的TAMI（Tethered Autonomous Microstructure Instrument）。柴寶連等［6－7］研制出海洋微結(jié)構(gòu)湍流剖面儀樣機(jī)，Song等［8］研發(fā)出可同時(shí)用于水平、垂直兩種測(cè)量平臺(tái)的湍流觀測(cè)儀。

無論垂直或水平觀測(cè)平臺(tái)，湍流儀在工作過程中產(chǎn)生的振動(dòng)均會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。分析振動(dòng)源對(duì)湍流儀優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高測(cè)量精度、減少噪聲污染非常必要。為此，本文針對(duì)中國(guó)海洋大學(xué)研發(fā)的湍流觀測(cè)儀，介紹測(cè)量原理，分析工作過程中噪聲來源；綜合已有減振方法，對(duì)用低溫域水性阻尼材料噴涂在湍流儀電子艙體上的減振效果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1 湍流測(cè)量原理－剪切探頭工作原理

剪切型探頭作為觀測(cè)湍流的有效傳感器，決定湍流觀測(cè)儀的測(cè)量原理。剪切探頭基本結(jié)構(gòu)見圖1，其中壓電陶瓷為探頭核心部分可將受力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電荷信號(hào)。壓電陶瓷具有響應(yīng)快、能量密度高等特點(diǎn)，橡皮頭受力通過懸臂梁傳遞。壓電陶瓷受力時(shí)產(chǎn)生的電荷通過導(dǎo)線傳出。探頭外部的鈦外殼、聚四氟乙烯主要起保護(hù)作用，防止探頭觸傷、潮濕。后半部分為連接探頭與實(shí)驗(yàn)儀器內(nèi)部導(dǎo)線，由環(huán)氧樹脂填塞物與不銹鋼保護(hù)套組成。

圖1 剪切流探頭結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of shear sensor

Osborn等對(duì)探頭的受力過程詳細(xì)描述，即單位長(zhǎng)度受力可表示為

式中：ρ為液體密度；A為受力面積；x為由探頭頂點(diǎn)至受力點(diǎn)距離；ν為流速；α為探頭受力方向與中心軸線夾角（實(shí)際測(cè)量中需保證小于10°）。

由探頭頂部至探頭根部（距離L）受力積分即為整個(gè)探頭受力，表示為

探頭內(nèi)部壓電陶瓷在靈敏軸上受力最易彎曲，產(chǎn)生的電荷通過導(dǎo)線傳出，由剪切探頭輸出的電荷信號(hào)可表示為

式中：U為流速；W為沿探頭軸線流速；u為垂直于探頭軸線流速；S為探頭靈敏度，S的典型值為（0.05～0.10）×10－9C／m2s2，溫度變化對(duì) S有輕微影響；2為實(shí)驗(yàn)室修訂值。

剪切探頭測(cè)量海水剪切力信號(hào)轉(zhuǎn)換示意圖見圖2。

圖2 信號(hào)轉(zhuǎn)換過程示意圖Fig.2 Signal conversion process

由剪切探頭工作原理知，影響其測(cè)量精度因素有海水密度ρ、剪切流傳感器靈敏度 S及輸出電壓信號(hào)Qp。其中密度ρ的波動(dòng)主要由海水鹽度、溫度等引起，為不可控因素；傳感器靈敏度 S由傳感器自身特性決定；電荷信號(hào)Qp直接受儀器振動(dòng)影響。為提高湍流儀測(cè)量精度及有效識(shí)別測(cè)量信號(hào)中污染噪聲，據(jù)海試結(jié)果，分析總結(jié)湍流儀各種振動(dòng)噪聲來源及降低對(duì)測(cè)量精度影響方法。

2 潛標(biāo)湍流儀振動(dòng)源分析

海試在青島膠州灣（120°06′～120°21′E，36°00′～36°12′N）進(jìn)行，儀器放置深度 60～80 m，流速 0.30 m／s，水溫2.7℃。試驗(yàn)平臺(tái)搭建及分布結(jié)構(gòu)見圖3。主要分五部分，即浮球、CTD、湍流觀測(cè)儀、海流計(jì)、聲學(xué)釋放器及重力錨塊。

圖3 基于錨系潛標(biāo)系統(tǒng)的FMSOUCFig.3 FMSOUC based on mooring system

分析海試結(jié)果知，影響測(cè)量精度振動(dòng)元有三種：

（1）系纜傳遞給湍流儀的振動(dòng)。整個(gè)潛標(biāo)系統(tǒng)在海平面以下，當(dāng)湍流儀上層海水受風(fēng)力影響推動(dòng)浮球運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過浮球與湍流儀間連接系纜將運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)傳遞給湍流儀。對(duì)此，可增加湍流儀慣性減少振動(dòng)，亦可采取在殼體與電子儀器艙連接間增加阻尼或隔離元件。Lueck等在TAMI中用復(fù)合泡沫塑料減少振動(dòng)。本文用低溫域水性阻尼材料增加阻尼。

（2）渦致振動(dòng)［9］。海水流過湍流儀時(shí)其流動(dòng)方向垂直于湍流儀軸向（稱翼展方向）會(huì)發(fā)生圓柱繞流現(xiàn)象。圓柱繞流及伴隨其產(chǎn)生脫渦現(xiàn)象受雷諾系數(shù)影響，隨雷諾數(shù)增大，會(huì)在湍流儀表面形成Karman渦街，并湍流儀兩側(cè)交替發(fā)生脫渦過程，使湍流儀四周應(yīng)力產(chǎn)生周期性波動(dòng)，致湍流儀承受周期性作用力，導(dǎo)致湍流儀產(chǎn)生渦致振動(dòng)。對(duì)此可增大湍流儀殼體直徑，改變殼體尾翼設(shè)計(jì)。

（3）剪切傳感器自身振動(dòng)。該震動(dòng)分兩種，即電子艙體傳遞的振動(dòng)及受流體運(yùn)動(dòng)影響產(chǎn)生的渦致振動(dòng)。為此，可將探頭設(shè)計(jì)成流線型結(jié)構(gòu)，安裝時(shí)縮短懸臂長(zhǎng)度［10］，以增加固有頻率。

3 水性阻尼材料減振方案設(shè)計(jì)

為減小系纜傳遞振動(dòng)對(duì)湍流信號(hào)測(cè)量結(jié)果影響，在系纜與電子儀器間連接處增加阻尼材料。為測(cè)試材料減振效果，進(jìn)行減振效果試驗(yàn)。所用低溫域水性阻尼材料主要化學(xué)成分為丙烯酸IPN乳液、阻尼顏填料、助劑［11］等。該水性阻尼材料常用于鐵路機(jī)車、輪船、風(fēng)機(jī)等減振降噪，在低溫下（－40℃～50℃）具有優(yōu)良的阻尼及消音效果，且其物理特性如耐鹽腐蝕性、耐低溫性、耐深海壓力性均符合潛標(biāo)湍流儀海洋測(cè)量的應(yīng)用環(huán)境。主要指標(biāo)見表1。

表1 阻尼材料項(xiàng)目指標(biāo)Tab.1 Index of damping material

阻尼材料達(dá)到較好減振效果須滿足兩條件：① 阻尼材料厚度須為底材厚度的1.5～2倍，而湍流儀電子艙體壁厚6 mm，阻尼材料厚度應(yīng)10 mm；② 阻尼材料須噴涂于湍流儀電子艙體與測(cè)量平臺(tái)（潛標(biāo)浮體）連接位置，寬度須大于連接固定的抱箍寬度，即軸向尺寸100 mm，距電子艙體兩頂端50 mm。噴涂后電子艙體實(shí)物見圖4。

圖5 減振試驗(yàn)原理圖Fig.5 Test of damping vibration

對(duì)比試驗(yàn)分兩組進(jìn)行，一組為無阻尼材料的電子艙體振動(dòng)試驗(yàn)，一組為涂阻尼材料的電子艙體振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)中給系纜一定激力，儀器中姿態(tài)傳感器記錄電子艙體三軸加速度信號(hào)，用于評(píng)價(jià)減振效果。減振試驗(yàn)原理見圖5。其中深黑色表示系纜結(jié)構(gòu)與電子艙體連接位置，為系纜將振動(dòng)傳遞給電子艙體的主要區(qū)域。

4 減振試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)兩組試驗(yàn)所得三軸加速度信號(hào)進(jìn)行數(shù)值分析。由于湍流剪切信號(hào)為低頻信號(hào)，姿態(tài)傳感器主要測(cè)量亦為低頻信號(hào)。為研究振動(dòng)噪聲對(duì)湍流測(cè)量精度影響，分析時(shí)僅考慮低頻。兩組試驗(yàn)三軸加速度在1 min內(nèi)的時(shí)域信號(hào)見圖6，其中淺色為無阻尼材料（組1）的加速度信號(hào)，深色為涂阻尼材料（組2）的加速度信號(hào)?？梢钥闯觯钌€信號(hào)波動(dòng)范圍明顯小于淺色曲線。

加速度標(biāo)準(zhǔn)差代表信號(hào)的聚散程度。由表2看出，組2標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)小于組1，說明組2加速度信號(hào)聚合程度高，波動(dòng)范圍小，阻尼材料減振效果明顯。

表2 加速度幅值及標(biāo)準(zhǔn)差Tab.2 Amplitude and the standard deviation of acceleration

三軸加速度信號(hào)經(jīng)傅里葉變換所得見圖7。由圖7看出，在1～20 Hz內(nèi)，有阻尼材料信號(hào)（深色線）振動(dòng)幅值較無阻尼材料（淺色線）信號(hào)降低明顯，X、Z軸信號(hào)變化尤其明顯，說明阻尼材料在該頻率段內(nèi)減震效果顯著。三軸加速度功率譜信號(hào)見圖8。由圖8看出，在1～60 Hz內(nèi)，有阻尼材料信號(hào)（深色線）能量較無阻尼材料信號(hào)（淺色線）能量小，表示涂阻尼材料的電子艙體振動(dòng)能量小。

圖7 加速度傅里葉變換Fig.7 Fourier transform of triaxial acceleration signal

圖8 加速度功率譜Fig.8 PSD of triaxial acceleration signal

對(duì)三軸加速度功率譜在1～60 Hz頻率內(nèi)積分見表3。由表3看出，有阻尼材料信號(hào)（深色線）能量顯著減少，阻尼材料減振效果明顯。三軸方向阻尼材料減振效果不同：X軸＞Z軸＞Y軸，與施加的振源激力方向相關(guān)。激力分解在三軸方向的振動(dòng)能量不一致可能導(dǎo)致阻尼材料減振效果有強(qiáng)、弱。振動(dòng)源激力方向與三軸減振幅度間關(guān)系需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證及分析。

表3 三軸加速度功率譜積分Tab.3 Integral of triaxial acceleration power spectrum

5 結(jié) 論

（1）導(dǎo)致潛標(biāo)湍流儀觀測(cè)環(huán)境不穩(wěn)定因素較多，如系纜傳遞的波浪振動(dòng)、海流引起的渦致振動(dòng)、剪切探頭自身振動(dòng)等，本文據(jù)不同振動(dòng)源提出不同減振策略。

（2）對(duì)系纜傳遞的振動(dòng)，可在殼體與電子儀器艙連接之間噴涂低溫域水性阻尼材料，降低振動(dòng)。

（3）減振原理試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，本文采用阻尼材料減振方案可有效減少振動(dòng)大小及能量，為提高湍流測(cè)量精度行之有效方法。

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