仿生水下探測器試驗研究

劉佳俊, 李子焱, 任海剛, 劉應征, 溫 新

(1. 上海交通大學機械與動力工程學院 葉輪機械研究所, 上海 200240; 2. 中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院, 北京 100094)

0 引 言

海洋裝備工作于復雜的海洋環(huán)境之中，需要隨時對所處的環(huán)境進行探測以保證安全，實現(xiàn)工作任務。對水下環(huán)境的感知由各類水下探測器實現(xiàn)[1]。目前采用的探測器通常探測距離有限，功耗高而效率低，無法滿足實際應用的要求[2-4]。因此，新型水下探測器的研究對于海洋裝備事業(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)了一系列生物技術與海洋工程交叉學科的仿生學研究的應用。例如，鯊魚皮膚的獨特結構應用在船舶表面噴涂技術中，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動員大幅提高成績[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)過千萬年的進化，發(fā)展出了能夠感知環(huán)境物體產(chǎn)生的尾跡的胡須結構[8-10]。生物學家發(fā)現(xiàn)，海豹的胡須在其進行捕食活動時起到至關重要的作用。當有獵物出現(xiàn)在上游時，海豹胡須會產(chǎn)生振動，海豹可以據(jù)此判別獵物的存在并進行跟蹤。

在現(xiàn)有的研究中[11-13]，對海豹胡須的振動響應特性的試驗分析較少。本文通過對海豹胡須的三維結構進行仿制，設計了新型水下探測器，并在水槽中進行試驗研究，驗證了其探測水下環(huán)境的可行性，同時通過不同工況的試驗對探測器的工作規(guī)律進行了探究。

1 試驗方法

1.1 試驗目的

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

1.2 實驗裝置

海豹胡須具有復雜的三維結構，其截面形狀是系列大小交錯的斜橢圓。其他研究者通過對大量海豹胡須的結構進行統(tǒng)計分析設計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)的橢圓構成，大、小橢圓的長軸分別與主軸成一定角度[15]。海豹胡須型探測器由樹脂材料經(jīng)3D打印制成，其關鍵幾何參數(shù)如圖2所示，各參數(shù)的數(shù)值見表1。作為對海豹胡須型探測器的初步探索，目前使用剛性模型，主要研究表面形狀結構的作用，對具有海豹胡須柔性特征的材質模型的研究計劃在后續(xù)工作中展開。

圖1 海豹胡須結構

圖2 探測器外形尺寸

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

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

扁圓柱形狀的傳感器上下兩面分別為與試驗物體相連的工具側(Tool side)和固定用的裝配側(Mounter side)。試驗中，工具側與海豹胡須型探測器以及一體打印的連接底座通過螺絲剛性連接，裝配側則固定在剛性臺上。在本試驗中，探測器在空間3個方向上產(chǎn)生力信號，通過對采集到的信號進行頻譜分析評估探測器的性能。在95%置信度下，傳感器在X，Y和Z這3個方向的測量誤差分別為1.25%，1.25% 和0.75%。

試驗裝置整體示意圖如圖3所示。海豹胡須型探測器豎直安裝于循環(huán)水槽中，水泵驅動水槽中的水以恒定的速度流動，探測器的上游放置擾流物體(探測目標)。水槽的實驗段為長1000 mm的矩形開口段，寬度為150 mm，液位高度為200 mm。對水槽的品質參數(shù)進行了測試，在核心區(qū)域內，流向速度分布均勻，不均勻度小于3%，湍流度小于2%。

圖3 試驗裝置示意圖

1.3 試驗工況

試驗通過控制變量的方法考察上游擾動，波浪，探測器放置角度、位置、距離,來流速度、探測器形狀等因素對試驗結果的影響。以下是各種工況的影響因素：

(1) 上游擾動：在探測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：對海洋的波浪環(huán)境進行模擬，從水面處施加波浪，分為造波和靜水2種工況；

(3) 角度：海豹胡須型探測器的橫截面橢圓長軸與來流方向的角度，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：來流速度分別為0.083和0.048 m/s的高、低流速對比；

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

(7) 探測器形狀：不同大小斜橢圓交錯的海豹胡須型、橢圓柱型、圓柱型。

2 結果分析

試驗過程中，采集了各工況下傳感器在空間3個方向上的力信號，通過對時域信號作快速傅里葉變換(FFT)，得到X,Y,Z共3個方向上受力的頻譜信號。以此為依據(jù)，以下對各種工況的試驗結果進行分析討論。

2.1 上游擾動

2.2 波浪干擾

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

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，定義長軸與來流方向的夾角為θ。實驗中研究了θ= 0°和θ= 90°這2種工況，頻譜結果如圖6所示。對比發(fā)現(xiàn)，在θ= 0°，即長軸與來流平行時，探測器能夠明顯檢測到卡門渦街的頻率0.438 Hz；在θ= 90°，即長軸與來流方向垂直時，雖然能夠檢測到渦街頻率，但是其幅值較低，更易受到噪聲影響。由此可以得出結論，在海豹胡須型探測器以長軸平行來流方向放置時探測效果更好。因此，之后的試驗中，探測器均以此方式放置。

圖6 不同角度工況下的頻譜圖

2.4 擾流圓柱距離

在實際應用中，探測器的性能與探測距離相關，基于此，試驗工況設置了上游圓柱與探測器的4種不同距離：5d，10d，15d和無窮遠(不放置擾流圓柱)。頻譜圖結果對比如圖7所示?？梢钥吹剑?d，10d和15d這3個距離下，均能夠檢測到卡門渦街的主頻。圖8對比了探測到主頻的幅值與距離的關系，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)境水流設定為高、低2種流速的工況下探究了海豹胡須型探測器的效果，如圖9所示。圖10對比了不同流速和距離下海豹胡須型探測器受力的主頻強度。在控制其他變量時，海豹胡須型探測器在高流速下的譜峰更明顯，識別能力更強。這是因為高流速情況下，卡門渦街的強度更高，經(jīng)過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 探測器位置

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

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 探測器形狀

為證明海豹胡須型探測器的識別能力來自于其外形結構，制作了橢圓柱型和正圓柱型的探測器進行對比試驗。3種探測器的頻譜圖如圖13所示。在同一工況下，對比3種探測器的頻譜信號可以發(fā)現(xiàn)，海豹胡須型探測能力最強，橢圓柱和圓柱的頻譜幅值依次減弱，并且圓柱只能在2個受力方向上測得較弱的頻譜信號。

海豹胡須型探測器的原理在于其特殊結構對卡門渦街的影響。圓柱體繞流時，會受到渦街施加周期性的作用力而產(chǎn)生振動。王少飛[15]通過 PIV 實驗研究發(fā)現(xiàn)，海豹胡須復雜的表面結構引起了流場中的三維流動，抑制了卡門渦街的脫落，從而削弱了渦街對模型的作用力。因此，相對于圓柱模型，海豹胡須模型探測信號時，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，在探測時具有更高的信噪比，能更好地進行環(huán)境感知。

圖12 海豹胡須偏置工況下的主頻幅值

圖13 不同形狀探測器的頻譜圖

3 結 論

本文通過試驗驗證了海豹胡須型水下探測器在海洋環(huán)境中探測物體的可行性。在試驗中，通過改變探測器放置的角度、與上游擾流圓柱的距離、環(huán)境流速、探測器相對擾流圓柱的橫向位置等多種工況，對探測器采集的信號頻譜進行了研究，分析了海豹胡須型探測器探測能力的影響因素。主要結論如下：

(1)探測器頻譜峰值位置的頻率對應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器能用于探測水下物體。

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

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

(4)相對于橢圓和圓柱型探測器，海豹胡須型探測器具有大小斜橢圓交錯的特殊結構，對水下物體的探測能力最強，在探測時具有更高的信噪比，能更好地進行環(huán)境感知。