涡激振动对船舷安装的相干声纳条带测深系统测量精度影响分析.pdf

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1、第41卷第12期2011年12H中国海洋大学学报P／='RRJI】1CAI』()F(rEANUNlVEICSITY()FCHINA41(12)：086～090Dec．．201l涡激振动对船舷安装的相干声纳条带测深系统测量精度影响分析‘蒲进菁1，曹立华1“，杨荣民1’2，徐继尚“2国海洋大学1．海洋地球科学学院；2．海底科学与探侧技术教育部吐点实验室．『IJ东青岛266]00摘要：相干声纳条带测深系统采用船舷安装时，连接系统水下单元的钢管在水流作用下可能发*kit振和频率锁定『fii剧烈振动，其下端的以换能器为主的系统水下单元也会随之摆动，使数据质茸和测最精度受到影响。笔卉

2、通过分析在实际工作中遇到的问题发现：连接系统水下单元的钢管越长，钢管越容易在低流速条件F发生共振现象；换能器剧烈摆动会造成大量噪音信号；换能器摆动幅度较大时系统的安装校准会失效。本文通过解析计算得出了住现场操作中不同悬挂长度的钢管发生频率锁定时的控制流速以及换能器最大摆动幅度，认为实际工作中换能器距固定点在L0m以内是H，靠的，并对现场操作中如何减弱和避免涡激振动对系统精度的影响提出建议。关键词：相干声纳条带测深系统；涡激振动；固有频率；频率锁定；避振中圈法分类号：P229．1文献标志码：A文章编号：16725174(2011)12—086—05相干声纳(Interfer

3、ometricSeabedInspectionSo—nar，ISIS)是一种利用多阵列接收回波的振幅、时问和相位差来对海底各点准确定位，并快速采集和处理大量数据形成测深条带的系统。相干声纳条带测深系统集水深探测技术和成像技术于一体，町以获得高密度水深数据⋯。目前有数种基于相干卢纳原理的条带测深系统，其最大的特点在于体积小便于携带，尤其是以换能器为主的水下部分集成在一起形成1个水下单元，从测量艇到大型测量船都可以装备使用，可长期或暂时地同定在船体j：，这对浅水测量极为方便。李珍，Liu等对GeoSwath条带测深系统的特点和应用进行了讨论”“，刘树东对该系统的精度和产生误差

4、的原因做了较为深入的研究11，刘忠臣等对目前国际上投入使用的多种相干声纳条带测深系统的性能，工作方式等进行r比较i“。在多种现场作业方式中，接近船体重心位置采用立杆悬吊式船舷安装无疑是最为简单和灵活的，尤其在渔网较多、废弃水上构筑物较多或水域环境复杂的浅水区域，遇到突发状况时也可迅速将水下部分收起，多数厂商把这种方式作为标准安装推荐采用。笔者发现，采用侧挂式在船舷安装相干声纳条带测深系统时，常用厂商提供的标准配件(套管支架)将钢管固定在船体上，末端连接水下单元，并用插销、拉带等辅助设备使其保持稳定(见图1)。虽然这些方式t基金项目：国家自然科学基金项目(41006024)

5、资助收稿R期：20110225；修订13期：201110—19作者简介{蒲进菁(1981一)．男．博士。E-mailipujinjing@gmaiLcorn对系统水下单元有一定的固定作用，但由于钢管并非刚性体，系统水下单元仍然可以发生一定幅度的横向摆动。陶1(aJ使用f{ii后拉带协助固定换能器(b)用J+商提供的标准配件在船舷安装换能器Fig．1(a)Usingdrawstringstoassisttransducerfixation(b)Transducerinstallationusingstandardaccessoriesprovidedbymanufactur

6、er图2(a1步b流通过柱体时的流态(b)柱体在外流作用下发生涡激振动Fig．2(a)Fluidstatewhencurrentpassing8pipe(b)Vortex-inducedvibrationundertheactionofoutflow流体流近竖直放置的钢管时压力升高，促使水质12期蒲进菁．等：涡激振动对船舷安装的相干声纳条带测深系统测量精度影响分析点在钢管前缘逐渐形成附面层并向两侧发展，在流体粘性较低(高雷诺数)的情况下，附面层在管壁截面最宽处附近脱离．在钢管背流面形成一个规则的漩涡形尾流，出现周期性发放的涡街(Vortexstreet)(见图2a)。这种

7、漩涡流动与钢管的运动相互作用，就产生了涡激振动现象”J。涡激振动轨迹为⋯8’字形(见图2b)，由于前后拉带的限制作用，钢管的顺流向振动幅值极小，但横向却仍可能发生较大幅度振动。当激振力的频率(即涡旋脱落的频率)接近连接条带测深系统水下单元的钢管的固有频率时，钢管发生共振，此时即使很小的外力，也能引发钢管的剧烈振动。钢管发生的振动对流场中涡旋和尾流有极强的整理作用。由于钢管主要振动方向垂直于流向，附面层与管道外表面分离处水质点的相对速度提高，且密度增大，因此涡旋增强，其尾流也同时被增强，涡旋脱落频率锁定在管跨固有频率附近，即旋涡