劉佳俊, 李子焱, 任海剛, 劉應(yīng)征, 溫 新

(1. 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 葉輪機(jī)械研究所, 上海 200240; 2. 中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院, 北京 100094)

0 引 言

海洋裝備工作于復(fù)雜的海洋環(huán)境之中，需要隨時(shí)對(duì)所處的環(huán)境進(jìn)行探測(cè)以保證安全，實(shí)現(xiàn)工作任務(wù)。對(duì)水下環(huán)境的感知由各類水下探測(cè)器實(shí)現(xiàn)[1]。目前采用的探測(cè)器通常探測(cè)距離有限，功耗高而效率低，無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用的要求[2-4]。因此，新型水下探測(cè)器的研究對(duì)于海洋裝備事業(yè)意義重大。

海洋生物的各色特性為研究者提供了諸多靈感，啟發(fā)了一系列生物技術(shù)與海洋工程交叉學(xué)科的仿生學(xué)研究的應(yīng)用。例如，鯊魚皮膚的獨(dú)特結(jié)構(gòu)應(yīng)用在船舶表面噴涂技術(shù)中，大大減少了船體在水中航行的阻力[5]；仿鯊魚皮泳衣幫助游泳運(yùn)動(dòng)員大幅提高成績(jī)[6]；海豚族群間的交流方式啟發(fā)了聲納系統(tǒng)的開發(fā)[7]。海豹在水中經(jīng)過(guò)千萬(wàn)年的進(jìn)化，發(fā)展出了能夠感知環(huán)境物體產(chǎn)生的尾跡的胡須結(jié)構(gòu)[8-10]。生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，海豹的胡須在其進(jìn)行捕食活動(dòng)時(shí)起到至關(guān)重要的作用。當(dāng)有獵物出現(xiàn)在上游時(shí)，海豹胡須會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，海豹可以據(jù)此判別獵物的存在并進(jìn)行跟蹤。

在現(xiàn)有的研究中[11-13]，對(duì)海豹胡須的振動(dòng)響應(yīng)特性的試驗(yàn)分析較少。本文通過(guò)對(duì)海豹胡須的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿制，設(shè)計(jì)了新型水下探測(cè)器，并在水槽中進(jìn)行試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了其探測(cè)水下環(huán)境的可行性，同時(shí)通過(guò)不同工況的試驗(yàn)對(duì)探測(cè)器的工作規(guī)律進(jìn)行了探究。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本試驗(yàn)的目的包括：研究海豹胡須型探測(cè)器探測(cè)上游擾動(dòng)信號(hào)的可行性；研究探測(cè)器在噪聲干擾下的工作能力以及影響探測(cè)器工作性能的因素。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

海豹胡須具有復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，其截面形狀是系列大小交錯(cuò)的斜橢圓。其他研究者通過(guò)對(duì)大量海豹胡須的結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析設(shè)計(jì)了理想的海豹胡須模型[14]。如圖1所示，海豹胡須模型的橫截面由大小連續(xù)變化并呈周期性出現(xiàn)的橢圓構(gòu)成，大、小橢圓的長(zhǎng)軸分別與主軸成一定角度[15]。海豹胡須型探測(cè)器由樹脂材料經(jīng)3D打印制成，其關(guān)鍵幾何參數(shù)如圖2所示，各參數(shù)的數(shù)值見表1。作為對(duì)海豹胡須型探測(cè)器的初步探索，目前使用剛性模型，主要研究表面形狀結(jié)構(gòu)的作用，對(duì)具有海豹胡須柔性特征的材質(zhì)模型的研究計(jì)劃在后續(xù)工作中展開。

圖1 海豹胡須結(jié)構(gòu)

圖2 探測(cè)器外形尺寸

表1 探測(cè)器外形尺寸參數(shù)Tabel 1 Parameters of detector geometries

海豹胡須型探測(cè)器通過(guò)連接底座固定在ATI公司的Mini40型六軸力/力矩傳感器上，傳感器線纜通過(guò)NI采集器與計(jì)算機(jī)通信，將采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)。

扁圓柱形狀的傳感器上下兩面分別為與試驗(yàn)物體相連的工具側(cè)(Tool side)和固定用的裝配側(cè)(Mounter side)。試驗(yàn)中，工具側(cè)與海豹胡須型探測(cè)器以及一體打印的連接底座通過(guò)螺絲剛性連接，裝配側(cè)則固定在剛性臺(tái)上。在本試驗(yàn)中，探測(cè)器在空間3個(gè)方向上產(chǎn)生力信號(hào)，通過(guò)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析評(píng)估探測(cè)器的性能。在95%置信度下，傳感器在X，Y和Z這3個(gè)方向的測(cè)量誤差分別為1.25%，1.25% 和0.75%。

試驗(yàn)裝置整體示意圖如圖3所示。海豹胡須型探測(cè)器豎直安裝于循環(huán)水槽中，水泵驅(qū)動(dòng)水槽中的水以恒定的速度流動(dòng)，探測(cè)器的上游放置擾流物體(探測(cè)目標(biāo))。水槽的實(shí)驗(yàn)段為長(zhǎng)1000 mm的矩形開口段，寬度為150 mm，液位高度為200 mm。對(duì)水槽的品質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，在核心區(qū)域內(nèi)，流向速度分布均勻，不均勻度小于3%，湍流度小于2%。

圖3 試驗(yàn)裝置示意圖

1.3 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)通過(guò)控制變量的方法考察上游擾動(dòng)，波浪，探測(cè)器放置角度、位置、距離,來(lái)流速度、探測(cè)器形狀等因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。以下是各種工況的影響因素：

(1) 上游擾動(dòng)：在探測(cè)器上游放置圓柱障礙物制造卡門渦街，圓柱放置與否分為2種工況；

(2) 波浪：對(duì)海洋的波浪環(huán)境進(jìn)行模擬，從水面處施加波浪，分為造波和靜水2種工況；

(3) 角度：海豹胡須型探測(cè)器的橫截面橢圓長(zhǎng)軸與來(lái)流方向的角度，分為平行和垂直2種工況；

(4) 距離：海豹胡須型探測(cè)器與上游圓柱間的距離，分為5d，10d和15d，其中d為上游擾流圓柱的直徑；

(5) 流速：來(lái)流速度分別為0.083和0.048 m/s的高、低流速對(duì)比；

(6) 位置：俯視視角下，海豹胡須型探測(cè)器與圓柱中心軸線的偏置，分別安排了左側(cè)、中間、右側(cè)3個(gè)位置；

(7) 探測(cè)器形狀：不同大小斜橢圓交錯(cuò)的海豹胡須型、橢圓柱型、圓柱型。

2 結(jié)果分析

試驗(yàn)過(guò)程中，采集了各工況下傳感器在空間3個(gè)方向上的力信號(hào)，通過(guò)對(duì)時(shí)域信號(hào)作快速傅里葉變換(FFT)，得到X,Y,Z共3個(gè)方向上受力的頻譜信號(hào)。以此為依據(jù)，以下對(duì)各種工況的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論。

2.1 上游擾動(dòng)

2.2 波浪干擾

在水下探測(cè)器的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，噪聲的影響不可避免。本試驗(yàn)通過(guò)制造波浪，模擬實(shí)際工況的環(huán)境噪聲，觀察試驗(yàn)結(jié)果是否受到干擾。如圖5所示，在高流速、圓柱與探測(cè)器距離為5d的工況下，海豹胡須型探測(cè)器仍然能夠識(shí)別出渦街頻率0.375 Hz，同時(shí)也識(shí)別出了波浪頻率，但其幅值小于渦街頻率，不影響探測(cè)器的識(shí)別功能。

圖4 上游不放置和放置圓柱工況下的頻譜圖

圖5 造波工況下的頻譜圖

2.3 探測(cè)器放置角度

如前文所述，海豹胡須的截面形狀是大小交替變化的斜橢圓，為了研究其擺放角度的影響，定義長(zhǎng)軸與來(lái)流方向的夾角為θ。實(shí)驗(yàn)中研究了θ= 0°和θ= 90°這2種工況，頻譜結(jié)果如圖6所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在θ= 0°，即長(zhǎng)軸與來(lái)流平行時(shí)，探測(cè)器能夠明顯檢測(cè)到卡門渦街的頻率0.438 Hz；在θ= 90°，即長(zhǎng)軸與來(lái)流方向垂直時(shí)，雖然能夠檢測(cè)到渦街頻率，但是其幅值較低，更易受到噪聲影響。由此可以得出結(jié)論，在海豹胡須型探測(cè)器以長(zhǎng)軸平行來(lái)流方向放置時(shí)探測(cè)效果更好。因此，之后的試驗(yàn)中，探測(cè)器均以此方式放置。

圖6 不同角度工況下的頻譜圖

2.4 擾流圓柱距離

在實(shí)際應(yīng)用中，探測(cè)器的性能與探測(cè)距離相關(guān)，基于此，試驗(yàn)工況設(shè)置了上游圓柱與探測(cè)器的4種不同距離：5d，10d，15d和無(wú)窮遠(yuǎn)(不放置擾流圓柱)。頻譜圖結(jié)果對(duì)比如圖7所示?？梢钥吹?，在5d，10d和15d這3個(gè)距離下，均能夠檢測(cè)到卡門渦街的主頻。圖8對(duì)比了探測(cè)到主頻的幅值與距離的關(guān)系，可以看到隨著距離的增加，主頻的幅值在減弱。

2.5 水槽流速

在環(huán)境水流設(shè)定為高、低2種流速的工況下探究了海豹胡須型探測(cè)器的效果，如圖9所示。圖10對(duì)比了不同流速和距離下海豹胡須型探測(cè)器受力的主頻強(qiáng)度。在控制其他變量時(shí)，海豹胡須型探測(cè)器在高流速下的譜峰更明顯，識(shí)別能力更強(qiáng)。這是因?yàn)楦吡魉偾闆r下，卡門渦街的強(qiáng)度更高，經(jīng)過(guò)相同的距離后衰減較少。

圖7 不同距離工況下的頻譜圖

圖8 不同距離工況下的主頻幅值

2.6 探測(cè)器位置

以探測(cè)器在垂直來(lái)流方向上與上游擾流圓柱中心的相對(duì)位置為控制因素，分別將探測(cè)器置于正對(duì)圓柱的中間位置和位于渦街行進(jìn)路徑上的左、右偏置處來(lái)研究識(shí)別頻譜的幅值特性，結(jié)果如圖11所示。不同位置下海豹胡須型探測(cè)器受力主頻強(qiáng)度的對(duì)比見圖12。從3種工況的對(duì)比中可以看出，探測(cè)器正對(duì)上游物體、即位于兩列渦街之間時(shí)，頻譜的幅值較小且峰值位置不明顯，易受到噪聲干擾。探測(cè)器位于渦街行進(jìn)路線的偏置位置時(shí)，對(duì)主頻信號(hào)的識(shí)別能力更強(qiáng)。

圖9 不同流速工況下的頻譜圖

圖10 不同流速和距離工況下的主頻譜幅值

圖11 海豹胡須偏置工況下的頻譜圖

2.7 探測(cè)器形狀

為證明海豹胡須型探測(cè)器的識(shí)別能力來(lái)自于其外形結(jié)構(gòu)，制作了橢圓柱型和正圓柱型的探測(cè)器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。3種探測(cè)器的頻譜圖如圖13所示。在同一工況下，對(duì)比3種探測(cè)器的頻譜信號(hào)可以發(fā)現(xiàn)，海豹胡須型探測(cè)能力最強(qiáng)，橢圓柱和圓柱的頻譜幅值依次減弱，并且圓柱只能在2個(gè)受力方向上測(cè)得較弱的頻譜信號(hào)。

海豹胡須型探測(cè)器的原理在于其特殊結(jié)構(gòu)對(duì)卡門渦街的影響。圓柱體繞流時(shí)，會(huì)受到渦街施加周期性的作用力而產(chǎn)生振動(dòng)。王少飛[15]通過(guò) PIV 實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，海豹胡須復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)引起了流場(chǎng)中的三維流動(dòng)，抑制了卡門渦街的脫落，從而削弱了渦街對(duì)模型的作用力。因此，相對(duì)于圓柱模型，海豹胡須模型探測(cè)信號(hào)時(shí)，受到水流的作用力小，模型自身的渦街脫落引起的噪聲干擾小，在探測(cè)時(shí)具有更高的信噪比，能更好地進(jìn)行環(huán)境感知。

圖12 海豹胡須偏置工況下的主頻幅值

圖13 不同形狀探測(cè)器的頻譜圖

3 結(jié) 論

本文通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了海豹胡須型水下探測(cè)器在海洋環(huán)境中探測(cè)物體的可行性。在試驗(yàn)中，通過(guò)改變探測(cè)器放置的角度、與上游擾流圓柱的距離、環(huán)境流速、探測(cè)器相對(duì)擾流圓柱的橫向位置等多種工況，對(duì)探測(cè)器采集的信號(hào)頻譜進(jìn)行了研究，分析了海豹胡須型探測(cè)器探測(cè)能力的影響因素。主要結(jié)論如下：

(1)探測(cè)器頻譜峰值位置的頻率對(duì)應(yīng)于上游物體在水流中產(chǎn)生的卡門渦街頻率的理論值，表明海豹胡須型探測(cè)器能用于探測(cè)水下物體。

(2)在人工造波工況下的試驗(yàn)過(guò)程中，海豹胡須型探測(cè)器仍能以較高的信噪比探測(cè)出卡門渦街的頻率，表明其抗干擾能力能夠適用于實(shí)際工況。

(3)海豹胡須型探測(cè)器截面的橢圓長(zhǎng)軸與水流方向平行放置時(shí)，探測(cè)效果優(yōu)于垂直放置；探測(cè)器距離上游物體越近，探測(cè)能力越強(qiáng)；高流速工況下的探測(cè)能力強(qiáng)于低流速工況；在橫向位置上，探測(cè)器偏置擺放的探測(cè)效果優(yōu)于對(duì)中放置。

(4)相對(duì)于橢圓和圓柱型探測(cè)器，海豹胡須型探測(cè)器具有大小斜橢圓交錯(cuò)的特殊結(jié)構(gòu)，對(duì)水下物體的探測(cè)能力最強(qiáng)，在探測(cè)時(shí)具有更高的信噪比，能更好地進(jìn)行環(huán)境感知。