水性阻尼材料在潛標湍流儀中減振效果研究

王書新，欒 新，宋大雷，王永芳，蘇兆龍，閆啟志

（1.中國海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266003；2.中國海洋大學(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算湍動能耗散率重要原始數(shù)據(jù)資料［1］。海洋湍流觀測平臺由水平拖曳式［2］發(fā)展到垂直剖面式［3］，由短期觀測擴展至長期定點觀測。潛標湍流儀為長期測量、觀測深海湍流的有效平臺，對海洋科學(xué)研究具有重要意義。Osborn［4］研制出第一臺攜帶剪切型探頭的垂直剖面儀，Lueck等［5］研發(fā)出可長期自動測量深海湍流數(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，Song等［8］研發(fā)出可同時用于水平、垂直兩種測量平臺的湍流觀測儀。

無論垂直或水平觀測平臺，湍流儀在工作過程中產(chǎn)生的振動均會嚴重影響測量數(shù)據(jù)的準確度。分析振動源對湍流儀優(yōu)化設(shè)計、提高測量精度、減少噪聲污染非常必要。為此，本文針對中國海洋大學(xué)研發(fā)的湍流觀測儀，介紹測量原理，分析工作過程中噪聲來源；綜合已有減振方法，對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行數(shù)據(jù)分析。

1 湍流測量原理－剪切探頭工作原理

剪切型探頭作為觀測湍流的有效傳感器，決定湍流觀測儀的測量原理。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轉(zhuǎn)化為電荷信號。壓電陶瓷具有響應(yīng)快、能量密度高等特點，橡皮頭受力通過懸臂梁傳遞。壓電陶瓷受力時產(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作用，防止探頭觸傷、潮濕。后半部分為連接探頭與實驗儀器內(nèi)部導(dǎo)線，由環(huán)氧樹脂填塞物與不銹鋼保護套組成。

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

Osborn等對探頭的受力過程詳細描述，即單位長度受力可表示為

式中：ρ為液體密度；A為受力面積；x為由探頭頂點至受力點距離；ν為流速；α為探頭受力方向與中心軸線夾角（實際測量中需保證小于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 S有輕微影響；2為實驗室修訂值。

剪切探頭測量海水剪切力信號轉(zhuǎn)換示意圖見圖2。

圖2 信號轉(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Qp。其中密度ρ的波動主要由海水鹽度、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Qp直接受儀器振動影響。為提高湍流儀測量精度及有效識別測量信號中污染噪聲，據(jù)海試結(jié)果，分析總結(jié)湍流儀各種振動噪聲來源及降低對測量精度影響方法。

2 潛標湍流儀振動源分析

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

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

分析海試結(jié)果知，影響測量精度振動元有三種：

（1）系纜傳遞給湍流儀的振動。整個潛標系統(tǒng)在海平面以下，當湍流儀上層海水受風力影響推動浮球運動時，通過浮球與湍流儀間連接系纜將運動產(chǎn)生的振動傳遞給湍流儀。對此，可增加湍流儀慣性減少振動，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。本文用低溫域水性阻尼材料增加阻尼。

（2）渦致振動［9］。海水流過湍流儀時其流動方向垂直于湍流儀軸向（稱翼展方向）會發(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，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。對此可增大湍流儀殼體直徑，改變殼體尾翼設(shè)計。

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

3 水性阻尼材料減振方案設(shè)計

為減小系纜傳遞振動對湍流信號測量結(jié)果影響，在系纜與電子儀器間連接處增加阻尼材料。為測試材料減振效果，進行減振效果試驗。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車、輪船、風機等減振降噪，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湍流儀海洋測量的應(yīng)用環(huán)境。主要指標見表1。

表1 阻尼材料項目指標Tab.1 Index of damping material

阻尼材料達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量平臺（潛標浮體）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。噴涂后電子艙體實物見圖4。

圖5 減振試驗原理圖Fig.5 Test of damping vibration

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

4 減振試驗數(shù)據(jù)分析

對兩組試驗所得三軸加速度信號進行數(shù)值分析。由于湍流剪切信號為低頻信號，姿態(tài)傳感器主要測量亦為低頻信號。為研究振動噪聲對湍流測量精度影響，分析時僅考慮低頻。兩組試驗三軸加速度在1 min內(nèi)的時域信號見圖6，其中淺色為無阻尼材料（組1）的加速度信號，深色為涂阻尼材料（組2）的加速度信號。可以看出，深色曲線信號波動范圍明顯小于淺色曲線。

加速度標準差代表信號的聚散程度。由表2看出，組2標準差遠小于組1，說明組2加速度信號聚合程度高，波動范圍小，阻尼材料減振效果明顯。

表2 加速度幅值及標準差Tab.2 Amplitude and the standard deviation of acceleration

三軸加速度信號經(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（深色線）振動幅值較無阻尼材料（淺色線）信號降低明顯，X、Z軸信號變化尤其明顯，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見圖8。由圖8看出，在1～60 Hz內(nèi)，有阻尼材料信號（深色線）能量較無阻尼材料信號（淺色線）能量小，表示涂阻尼材料的電子艙體振動能量小。

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（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能量不一致可能導(dǎo)致阻尼材料減振效果有強、弱。振動源激力方向與三軸減振幅度間關(guān)系需進一步試驗驗證及分析。

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

（2）對系纜傳遞的振動，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。

（3）減振原理試驗及數(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大小及能量，為提高湍流測量精度行之有效方法。

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