尹云龍 , 楊 明 , 楊紹瓊,3, 劉玉紅,3, 牛文棟,4*

基于水下滑翔機(jī)的海洋聲學(xué)背景場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)

尹云龍1,2, 楊 明1, 楊紹瓊1,2,3, 劉玉紅1,2,3, 牛文棟1,4*

(1. 天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 天津, 300350; 2. 天津大學(xué) 青島海洋技術(shù)研究院, 山東 青島, 266237; 3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋觀測(cè)與探測(cè)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島, 266237; 4. 清華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 北京, 100084)

水下滑翔機(jī)作為新型水下無人平臺(tái),具有對(duì)海洋環(huán)境噪聲進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)序,大范圍穩(wěn)定觀測(cè)能力。文中通過開展水聽器與水下滑翔機(jī)集成應(yīng)用研究,設(shè)計(jì)完成了具備海洋環(huán)境噪聲測(cè)量能力的聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)?；谒犉鞴ぷ髟砼c水下滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)約束, 并根據(jù)商用計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)流體水動(dòng)力參數(shù)的計(jì)算結(jié)果, 優(yōu)化了水聽器在水下滑翔機(jī)本體的安裝位置。通過建立聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)動(dòng)力學(xué)模型,進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真并確定最優(yōu)運(yùn)動(dòng)參數(shù), 并于2019年5月在我國(guó)南海某海域進(jìn)行了海上試驗(yàn)應(yīng)用,獲取了大量的水下滑翔機(jī)自噪聲與海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)。海上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果驗(yàn)證了聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性及其海洋聲學(xué)背景場(chǎng)的觀測(cè)能力。

水下滑翔機(jī); 聲學(xué)觀測(cè); 海洋環(huán)境噪聲; 自噪聲; 動(dòng)力學(xué)模型

0 引言

海洋聲學(xué)背景場(chǎng)既存在海洋環(huán)境噪聲, 又受到聲信號(hào)的干擾, 從而限制了相關(guān)設(shè)備的聲通信能力。通過海洋聲學(xué)背景場(chǎng)的觀測(cè)可反演相關(guān)海洋現(xiàn)象, 具有重要的科學(xué)意義。海洋環(huán)境噪聲隨著時(shí)間、位置和海況的變化而變化, 對(duì)海洋環(huán)境噪聲進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、大范圍的觀測(cè)是非常必要的[1]。常用的海洋聲學(xué)背景場(chǎng)的觀測(cè)方式主要有: 基于測(cè)量船的測(cè)量方法; 基于浮標(biāo)、潛標(biāo)的測(cè)量方法; 基于岸基聲吶的測(cè)量方法[2]。但是以上方法都無法滿足對(duì)海洋環(huán)境噪聲進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、大范圍的連續(xù)觀測(cè), 這就要求尋求新的觀測(cè)途徑。

水下滑翔機(jī)是一種新型水下無人平臺(tái), 可集成搭載新型傳感器, 它依靠調(diào)節(jié)自身浮力, 可完成上浮與下潛運(yùn)動(dòng), 具有長(zhǎng)時(shí)序、大范圍、低功耗和高隱蔽性等特點(diǎn)[3]。與傳統(tǒng)觀測(cè)方式相比, 在海洋聲學(xué)背景場(chǎng)的觀測(cè)應(yīng)用中, 集成搭載水聽器的水下滑翔機(jī)具有明顯的優(yōu)勢(shì)[4]。同時(shí), 通過路徑規(guī)劃, 可讓其按照預(yù)設(shè)路徑進(jìn)行觀測(cè)應(yīng)用。因此, 聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)已成為海洋聲學(xué)背景場(chǎng)觀測(cè)的研究熱點(diǎn)。

近年來, 國(guó)外已經(jīng)開展了將聲學(xué)載荷與水下滑翔機(jī)進(jìn)行集成的應(yīng)用研究。聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)搭載有水聽器和聲學(xué)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng), 具有獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)方式, 以及低功耗、低噪聲的優(yōu)點(diǎn), 在海洋聲場(chǎng)觀測(cè)方面優(yōu)勢(shì)明顯。例如, Ferguson 等[5]將單路水聽器與水下滑翔機(jī)進(jìn)行集成, 并于2009年5月對(duì)水下滑翔機(jī)本體噪聲和海洋環(huán)境噪聲進(jìn)行了海試測(cè)量, 通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn): 當(dāng)水下滑翔機(jī)滑翔速度低于0.5 m/s時(shí), 水動(dòng)力產(chǎn)生的噪聲可以忽略。2010年5月, 美國(guó)Slocum水下滑翔機(jī)通過搭載水聽器,在West Mata進(jìn)行海底火山檢測(cè), 數(shù)據(jù)分析結(jié)果驗(yàn)證了其觀測(cè)效果[6]。法國(guó)ACSA公司將水下聲學(xué)定位系統(tǒng)與Sea Explorer水下滑翔機(jī)進(jìn)行集成[7], 實(shí)現(xiàn)了水下滑翔機(jī)的水下定位。2017年, 英國(guó)國(guó)家海洋學(xué)中心(national oc- eanography centre, NOC)利用集成搭載有水聽器的多臺(tái)水下滑翔機(jī)在蘇格蘭北部深海組成聲學(xué)觀測(cè)網(wǎng), 成功觀測(cè)到海洋哺乳動(dòng)物的聲音信號(hào)。

我國(guó)在水下滑翔機(jī)理論研究與技術(shù)開發(fā)方面雖然起步較晚, 但發(fā)展迅速。目前, 天津大學(xué)、中船重工第710研究所、中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所、浙江大學(xué)及上海交通大學(xué)等單位已陸續(xù)開展相關(guān)研究[3], 但是對(duì)面向海洋背景噪聲測(cè)量的聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)的研究還較少。2016年, Liu等[1]將自噪聲采集系統(tǒng)與天津大學(xué)“海燕”水下滑翔機(jī)進(jìn)行集成并進(jìn)行了相關(guān)海試。文中以天津大學(xué)自主研發(fā)的Petrel-II水下滑翔機(jī)為主體, 開發(fā)設(shè)計(jì)出了面向海洋聲學(xué)背景場(chǎng)噪聲測(cè)量的聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī), 并在我國(guó)南海進(jìn)行了相關(guān)海上試驗(yàn)研究, 獲得了水下滑翔機(jī)本體噪聲數(shù)據(jù)和重要的海洋環(huán)境背景噪聲數(shù)據(jù)。

1 水聽器與水下滑翔機(jī)集成布局優(yōu)化設(shè)計(jì)

聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)是由雙路水聽器與水下滑翔機(jī)集成而成。由于水聽器具有指向性, 同時(shí)考慮水下滑翔機(jī)的整體水動(dòng)力, 水聽器布局在水下滑翔機(jī)軸向前端與后端。當(dāng)水聽器距離水下滑翔機(jī)本體越遠(yuǎn)時(shí), 水下滑翔機(jī)本體產(chǎn)生的流噪聲與本體機(jī)械噪聲對(duì)其的影響越小。但同時(shí)也對(duì)水下滑翔機(jī)的穩(wěn)定性影響越大, 所以需要采用商用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)軟件計(jì)算出水聽器在水下滑翔機(jī)上不同安裝距離時(shí)的流場(chǎng)信息, 得出水聽器距離水下滑翔機(jī)本體的最優(yōu)距離。

為了方便計(jì)算, 將聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)化, 整體分為水下滑翔機(jī)主體、前水聽器、后水聽器、機(jī)翼和天線等5個(gè)部分, 其三維模型如圖1所示。

聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)簡(jiǎn)化模型所用的流體計(jì)算區(qū)域選擇為圓柱體, 水域入口距離水下滑翔機(jī)頭部為滑翔機(jī)總長(zhǎng)的3倍; 流體區(qū)域出口距離水下滑翔機(jī)尾部為滑翔機(jī)總長(zhǎng)的5倍; 水域直徑為水下滑翔機(jī)翼展展長(zhǎng)的10倍。流體區(qū)域的入口設(shè)定為速度入口(inlet), 出口設(shè)定為自由流(out- flow), 邊界設(shè)定為對(duì)稱(symmetry), 聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)主體表面設(shè)定為靜止的壁面(wall), 如圖2所示。

圖2 聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)網(wǎng)格劃分示意圖

假設(shè)水聽器長(zhǎng)度為, 前水聽器安裝位置由水下滑翔機(jī)本體前端與水聽器后端距離決定, 后水聽器安裝位置由水下滑翔機(jī)本體后端與水聽器前端距離決定。在設(shè)定滑翔速度=1 kn, 攻角= 5°時(shí), 采用商用CFD軟件分析不同安裝位置下, 聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)速度流場(chǎng)云圖, 結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同安裝位置下聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)局部速度場(chǎng)分布

圖3結(jié)果表明, 在水下滑翔機(jī)本體前端、后端與前水聽器和后水聽器的位置都出現(xiàn)了流速變化, 流動(dòng)出現(xiàn)分離。當(dāng)后水聽器與水下滑翔機(jī)后端距離變小(圖3(a)~(c)), 和前水聽器與水下滑翔機(jī)前端距離變大時(shí)(圖3(d)~(g)), 水聽器與水下滑翔機(jī)的流速變化區(qū)都呈現(xiàn)出分離加快的趨勢(shì), 水下滑翔機(jī)對(duì)水聽器的影響降低。水聽器通過感知壓力的變化進(jìn)行聲學(xué)信號(hào)采集, 因此, 為了降低水下滑翔機(jī)本體對(duì)水聽器信號(hào)采集的影響, 應(yīng)將水聽器的流速變化區(qū)盡量與水下滑翔機(jī)分離, 所以, 水聽器的最佳集成位置是前水聽器距離水下滑翔機(jī)本體前端距離為3的位置, 后水聽器以在距離水下滑翔機(jī)本體后端距離為0.5的位置為宜(圖3(h))。

2 聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)動(dòng)力學(xué)建模

由于聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)對(duì)其滑翔速度有一定的要求, 當(dāng)其速度低于0.5 m/s時(shí), 水動(dòng)力產(chǎn)生的噪聲可以忽略。所以需通過建立動(dòng)力學(xué)模型, 優(yōu)化控制參數(shù), 使其滑翔速度小于0.5 m/s。

根據(jù)動(dòng)量定理和動(dòng)量矩定理, 對(duì)聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)進(jìn)行六自由度動(dòng)力學(xué)建模, 利用動(dòng)力學(xué)模型分析其在縱平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)行為。聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)縱平面運(yùn)動(dòng)是指以其浮心為坐標(biāo)原點(diǎn)的體坐標(biāo)系-內(nèi)圍繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)和平移運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)[8]。忽略海流的干擾作用, 水下滑翔機(jī)的橫滾角為0, 潛航模式下的剖面運(yùn)動(dòng)即為縱平面運(yùn)動(dòng)。

建模時(shí)作如下假設(shè): 1) 忽略地球的自轉(zhuǎn)及曲率, 視其為靜止的平面; 2) 假設(shè)海水是靜止的, 忽略海流等的作用。根據(jù)以上假設(shè), 建立聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)坐標(biāo)系如圖4所示。

圖4 聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)坐標(biāo)系

圖4中共有2個(gè)坐標(biāo)系: 與大地連在一起的地坐標(biāo)系和與水下滑翔機(jī)本體連接在一起的體坐標(biāo)系。水下滑翔機(jī)位置由體坐標(biāo)原點(diǎn)在地坐標(biāo)系中位置(,,)和體坐標(biāo)系坐標(biāo)軸相對(duì)地坐標(biāo)系坐標(biāo)軸的空間角(,,)共同決定。為了簡(jiǎn)化分析, 可以將聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)簡(jiǎn)化成由可移動(dòng)質(zhì)量塊、浮力模塊內(nèi)油囊、浮力模塊外油囊與其余質(zhì)量4個(gè)部分組成[9], 簡(jiǎn)化模型如圖5所示, 各參數(shù)含義見表1。

圖5 聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型

表1 聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)各參數(shù)含義

因此, 根據(jù)動(dòng)量矩定理與動(dòng)量定理, 推導(dǎo)出聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)動(dòng)力學(xué)方程[10](縱平面內(nèi))如下

聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程如下

通過CFD計(jì)算和相關(guān)測(cè)量, 可得出聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)的相關(guān)參數(shù)值, 如表2所示。

表2 聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)物理與水動(dòng)力學(xué)參數(shù)值

圖6 在不同凈浮力下聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)滑翔速度與滑翔角的關(guān)系圖

3 海試試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能及其對(duì)海洋聲學(xué)背景場(chǎng)的觀測(cè)能力, 2019年5月, 天津大學(xué)在我國(guó)南海某海域進(jìn)行了海上試驗(yàn), 如圖7所示。在海試過程中, 聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)按預(yù)設(shè)軌跡進(jìn)行鋸齒狀滑翔運(yùn)動(dòng), 利用集成搭載在滑翔機(jī)本體上的水聽器, 可以采集到滑翔機(jī)下潛與上浮各個(gè)動(dòng)作時(shí)的自噪聲和海洋環(huán)境背景噪聲。聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)共無故障連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行13天, 采集到93個(gè)剖面的聲學(xué)數(shù)據(jù)。文中選取其中第46~50共5個(gè)剖面, 對(duì)滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行分析, 結(jié)果如圖8與圖9所示。

圖7 聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)海試現(xiàn)場(chǎng)

圖8 選取第46~50剖面深度與時(shí)間關(guān)系的海上試驗(yàn)與運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果對(duì)比曲線

圖8給出了聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)深度與工作時(shí)間關(guān)系的海上試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比圖。通過對(duì)比可知, 文中建立的動(dòng)力學(xué)模型可以很好反應(yīng)水下滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。從圖8中試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果可知, 水下滑翔機(jī)滑翔過程平穩(wěn), 未出現(xiàn)深度方向上的震蕩現(xiàn)象, 下潛深度都在900 m以下, 最大下潛深度為955 m(第50剖面)。聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)俯仰角與時(shí)間的關(guān)系圖(圖9(a))表明, 當(dāng)把俯仰角設(shè)置為20°時(shí), 水下滑翔機(jī)在穩(wěn)定滑翔過程中可以很好地將其俯仰角控制在20°左右。航向與時(shí)間的關(guān)系圖(圖9(b))表明, 聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)可以很好地將航向保持在目標(biāo)航向附近。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn), 聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)在下潛階段航向調(diào)節(jié)比較頻繁, 航向總是朝大于目標(biāo)航向的方向偏移, 該偏移可能是因?yàn)樵诤叫羞^程中橫滾方向沒有平衡, 存在偏向力導(dǎo)致。因此, 可以通過內(nèi)部的可移動(dòng)質(zhì)量塊在橫滾方向給一定的偏轉(zhuǎn)量補(bǔ)償, 使其在橫滾方向到達(dá)動(dòng)平衡。圖9(c)是指垂直方向的速度與時(shí)間的關(guān)系圖, 可以發(fā)現(xiàn): 聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)在穩(wěn)定滑翔階段, 垂直速度可以很好地保持在0.2 m/s左右, 滑翔速度較穩(wěn)定, 可以很好地進(jìn)行海洋聲學(xué)背景場(chǎng)觀測(cè)。

圖9 聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)第46~50剖面穩(wěn)定性分析結(jié)果

該次海上試驗(yàn)通過機(jī)載的水聽器采集到了聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)的自噪聲和海洋背景噪聲。水下滑翔機(jī)自噪聲的采集是通過水下滑翔機(jī)在滑翔過程中某一模塊單獨(dú)開啟時(shí), 提取對(duì)應(yīng)時(shí)段的聲學(xué)數(shù)據(jù)作為該模塊產(chǎn)生的自噪聲。聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)的自噪聲來源主要包括: 用于航向調(diào)節(jié)的航向電機(jī)動(dòng)作、用于俯仰調(diào)節(jié)的俯仰電機(jī)動(dòng)作、用于排油的初級(jí)泵和高級(jí)泵動(dòng)作4個(gè)部分。通過選取第50個(gè)剖面中各個(gè)動(dòng)作對(duì)應(yīng)的聲學(xué)數(shù)據(jù)分析各動(dòng)作的頻譜圖, 同時(shí)選取該剖面對(duì)應(yīng)深度無以上4部分動(dòng)作時(shí)海洋背景場(chǎng)噪聲作對(duì)比, 水聽器采樣頻率為81 kHz, 如圖10所示。

圖10 聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)自噪聲分析結(jié)果

圖10表明, 排油動(dòng)作對(duì)聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)的自噪聲貢獻(xiàn)最大, 尤其是高級(jí)泵開啟時(shí); 同時(shí)也可看出, 高級(jí)泵噪聲是1個(gè)寬頻信號(hào)與線譜的組合, 該部分噪聲較大, 對(duì)背景聲場(chǎng)的采集具有較大影響, 所以在水下滑翔機(jī)開啟排油時(shí), 建議關(guān)閉水聽器采集海洋環(huán)境噪聲。而當(dāng)航向電機(jī)動(dòng)作產(chǎn)生的噪聲大于100 Hz頻率時(shí), 自噪聲大于背景噪聲, 但相對(duì)排油動(dòng)作較小, 可以通過減少航向電機(jī)的動(dòng)作頻率來降低該自噪聲的影響。此外, 當(dāng)俯仰電機(jī)動(dòng)作產(chǎn)生的噪聲在400~500 Hz時(shí), 水下滑翔機(jī)自噪聲高于背景噪聲, 其他頻段與背景噪聲相當(dāng), 所以俯仰電機(jī)調(diào)節(jié)動(dòng)作對(duì)自噪聲貢獻(xiàn)最小。

圖11為水下滑翔機(jī)第50個(gè)剖面下潛階段不同深度的海洋環(huán)境噪聲。在對(duì)應(yīng)的深度, 水下滑翔機(jī)沒有任何動(dòng)作時(shí)提取對(duì)應(yīng)時(shí)間的聲學(xué)信號(hào)作為對(duì)應(yīng)深度的海洋環(huán)境噪聲, 從圖中可知: 在500 Hz左右和1 050 Hz存在異常, 該異常值有可能是流噪聲或者是水下滑翔機(jī)上搭載的水下滑翔機(jī)專用溫鹽深測(cè)量?jī)x(glider payload con- ductivity temperature-deph, GPCTD)傳感器在采集過程中產(chǎn)生。其他頻段都和海洋背景聲場(chǎng)能量級(jí)相同。通過不同深度的海洋環(huán)境噪聲對(duì)比可以發(fā)現(xiàn): 隨著深度的增加, 噪聲能量總體降低, 符合海洋環(huán)境噪聲規(guī)律, 因此, 該聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)具備海洋背景聲場(chǎng)的觀測(cè)能力。

圖11 不同深度海洋環(huán)境噪聲

4 結(jié)束語

文中面向?qū)Ｑ舐晫W(xué)背景場(chǎng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)序、大范圍連續(xù)觀測(cè)的需求, 設(shè)計(jì)了一款聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)?；谒犉髀晫W(xué)測(cè)量與水下滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)性能相互約束的關(guān)系, 利用商用CFD計(jì)算水動(dòng)力的方法, 給出了水聽器集成于水下滑翔機(jī)的最優(yōu)布局。同時(shí), 通過建立聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型, 并基于該模型進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析, 得到了水下滑翔機(jī)最優(yōu)的滑翔控制參數(shù)。海試結(jié)果驗(yàn)證了該水下滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)性能的穩(wěn)定性, 及其海洋背景聲場(chǎng)測(cè)量的有效性, 并獲取了大量的水下滑翔機(jī)平臺(tái)自噪聲和海洋背景聲場(chǎng)聲學(xué)數(shù)據(jù), 為未來對(duì)聲學(xué)觀測(cè)型水下滑翔機(jī)進(jìn)一步的減振降噪提供了原始數(shù)據(jù)。

[1] Liu L, Xiao L, Lan S Q, et al. Using Petrel II Glider to Analyze Underwater Noise Spectrogram in the South China Sea[J]. Acoustics Australia, 2018, 46(1): 151-158.

[2] 魏永星, 于金花, 常哲, 等.海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)處理及時(shí)空特性研究[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2014, 22(14): 28-30.

Wei Yong-xing, Yu Jin-hua, Chang Zhe, et al. Signal Processing and Temporal-spatial Characteristic Analysis of Ocean Ambient Noise Data[J]. Electronic Design Engineering, 2014, 22(14): 28-30.

[3] 沈新蕊, 王延輝, 楊紹瓊, 等. 水下滑翔機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018, 26(2): 89-106. Shen Xin-rui, Wang Yan-hui, Yang Shao-qiong, et al. Development of Underwater Gliders: An Overview and Prospect[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2018, 26 (2): 89-106.

[4] Alvarez A, Caffaz A, Caiti A, et al. Fòl(fā)aga: A Low-cost Autonomous Underwater Vehicle Combining Glider and AUV Capabilities[J]. Ocean Engineering, 2009, 36(1): 24- 38.

[5] Ferguson B G , Lo K W , Rodgers J D. Sensing the Unde- rwater Acoustic Environment with a Single Hydrophone Onboard an Undersea Glider[C]//IEEE Oceans 2010.Syd- neyAustralian:IEEE, 2010.

[6] Matsumoto H, Haxel J H, Dziak R P, et al. Mapping the Sound Field of an Erupting Submarine Volcano Using an Acoustic Glider[J]. Journal of the Acoustical Society of America, 2011, 129(3): 94-99.

[7] Pla P, Tricarico R. Towards a Low Cost Observing System Based on Low Logistic Sea Explorer Glider[C]//2015 IEEE Underwater Technology(UT). Chennai, India: IEEE, 2015: 1-3.

[8] 李天森. 魚雷操縱性[M]. 第2版. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2007.

[9] 劉方. 混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)行為研究 [D]. 天津: 天津大學(xué), 2014.

[10] Graver J G, Leonard N E.Underwater Glider Dynamics and Control[C]//12th International Symposium on Unmanned Untethered Submersible Technology. Durham, NH: Autonomous Undersea Systems Institute, 2001: 1742-1710.

[11] 馬偉, 王延輝, 徐田雨. 微結(jié)構(gòu)湍流測(cè)量水下滑翔機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2017, 53(9): 22-29. Ma Wei, Wang Yan-hui, Xu Tian-yu. Design and Sea Trials of the Underwater Glider for Micro-structure Turbulence Measurement[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2017, 53(9): 22-29.

Research on Observation Technology of Oceanic Acoustic Background Field Based on Underwater Glider

YIN Yun-long,YANG Ming,YANG Shao-qiong,LIU Yu-hong, NIU Wen-dong

(1. School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300350, China; 2. Qingdao Institute for Ocean Engineering, Tianjin University, Qingdao 266237, China; 3. The Joint Laboratory of Ocean Observing and Detection, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology(Qingdao), Qingdao 266237, China; 4. School of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Underwater glider can realize long-time and large-scale stable observation of oceanic ambient noise. This paper developed an acoustic observation underwater glider with the ability of oceanic ambient noise measurement through researching integrated application of hydrophone and underwater glider. Based on the working principle of hydrophone and the motion constraint of underwater glider, the computational fluid dynamics(CFD) software was used to calculate the hydrodynamic force for optimizing the installation position of hydrophone in underwater glider body. A dynamic model was further established for motion simulation and determination of the optimal motion parameters of the developed underwater glider. A large number of underwater glider self-noise and oceanic ambient noise data were obtained in the sea trial in the South China Sea in May 2019, and the motion stability of this underwater glider and its observation ability of oceanic acoustic background field were verified.

underwater glider; acoustic observation; oceanic ambient noise; self-noise; dynamic model

TJ630; U674.941; O427.5

A

2096-3920(2019)05-0555-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.011

尹云龍, 楊明, 楊紹瓊, 等. 基于水下滑翔機(jī)的海洋聲學(xué)背景場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2019, 27(5): 555-561.

2019-08-01;

2019-08-21.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0301100, 2017YFC0305902)和深圳市投資控股有限公司資金; 國(guó)家自然科學(xué)基金(51722508, 11902219); 天津市自然科學(xué)基金(18JCQNJC05100, 18JCJQJC46400); 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任基金(QNLM201705)和“鰲山人才”培養(yǎng)計(jì)劃(2017ASTCP-OS05, 2017ASTCP-OE01); 山東省支持青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室重大科技專項(xiàng)(2018SDKJ0205).

*牛文棟(1988-), 男, 博士, 助理教授, 主要研究方向?yàn)樗潞叫衅餮兄萍捌浜Ｉ显囼?yàn)應(yīng)用.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)