CN113432832B - 一种测量海洋管道流激噪声和涡激噪声的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量海洋管道流激噪声和涡激噪声的试验装置，包括管套、连接机构、减振机构、导流栅和自容式水听器，管套安装在海洋管道的外表面，连接机构的一端放置在管套内、另一端连接减振机构，减振机构连接导流栅，自容式水听器放置在导流栅内；该测量海洋管道流激噪声和涡激噪声的试验装置，避免了常规测试方法中因水听器离海底管道距离不足所带来的声学近场效应，利用导流栅消除了水听器所受到的大涡团脉动压力影响，降低了在测试过程中因外部洋流所带来的低频干扰，采用减振机构设计，使得海洋管道流激噪声和涡激噪声的归一化更为精确，测量结果更加可靠，为海洋管道流激噪声和涡激噪声的试验测量提供了技术支撑。

Description

一种测量海洋管道流激噪声和涡激噪声的试验装置

技术领域

本发明涉及一种测量海洋管道流激噪声和涡激噪声的试验装置，属于声学测量领域。

背景技术

目前，海洋管道受内部油流、气流及其多相介质激励条件下产生的流激噪声和海洋管道受外部洋流激励产生的涡激噪声受到关注，因为流激噪声和涡激噪声会影响其附近工作的水下航行器、UUV等的导航及探测能力，但如何准确测量海洋管道的流激噪声和涡激噪声是非常困难的。具体表现在：

第一、海洋管道的流激噪声和涡激噪声的量级往往比较小，因为海洋管道内部流动的流速一般不大于2m/s，海洋管道外部洋流的流速一般也不超过2m/s，在这种流速条件下的流激噪声和涡激噪声的量级相对背景噪声差别不大，即信噪比很低；

第二、海洋管道的流激噪声和涡激噪声在测量过程时水听器极易受到湍流脉动压力的作用，即输出“伪声”，因为水听器的体积有限，对波数-频率谱的高频分量有较好的平均和过滤作用，即有较好的降低“伪声”高频部分的能力，而低频分量因为涡旋大和波数小，在水听器表面的平均效果非常有限，因此，会在测量信号中带来了极强的低频干扰；

第三，海洋管道附近的部洋流会时刻发生变化，受海洋管道的阻挡，使得洋流发放的状态时刻变化，如果测量使用的水听器不能随着海洋管道在洋流中的状态发生变化，会造成测量的结果不准确，例如测量水听器直接受洋流冲击时，会输出较高的电信号；

最后，如果在采集过程中水听器相对海洋管道的位置发生偏移，会使得海洋管道流激噪声和涡激噪声的声压级归算产生问题，不能准确估算海洋管道的流激噪声和涡激噪声。

以往针对海洋管道的研究多集中在石油结蜡过程、管线抗腐蚀等方面，极少或没有关注到海洋管道流激噪声和涡激噪声的测量问题，使得这方面的研究极少。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种测量海洋管道流激噪声和涡激噪声的试验装置。

本发明的目的是这样实现的：包括管套、连接机构、减振机构、导流栅、自容式水听器，管套安装在海洋管道的外表面，连接机构的一端放置在管套内，连接机构的另一端连接减振机构，减振机构连接导流栅，自容式水听器放置在导流栅内。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.管套为圆环形结构，管套内部中空，放置有滚珠，管套的外表面开槽。

2.连接机构的头部一端为球形且嵌入至管套内，连接机构的中间部位为光滑过渡的薄翼型，且连接机构中间部位的内部中空，连接机构的尾部一端为圆柱形。

3.减振机构的外形为圆柱形，在减振机构的外面一端设置有塑料轴承，连接机构的另一端连接减振机构是指连接机构的尾端通过塑料轴承与减振机构连接；减振机构的另一端开通孔，在减振机构的内部有弹簧，弹簧的中部有卡环，卡环上的连接杆通过减振机构另一端的通孔与导流栅连接，减振机构的外表面为中空结构。

4.导流栅包括固定杆、均匀设置在固定杆上的栅格，导流栅整体为两端为圆锥形、中部为圆柱形的网笼构型；每个栅格的前部为薄片结构、栅格的中部为光滑过渡的薄翼型、栅格的尾部为薄片结构，栅格的中部的外侧为薄翼型的尾缘，栅格的中部的内侧为薄翼型的头部；在栅格的内部成型空腔。

5.自容式水听器安装在导流栅内的固定杆上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：首先，管套安装在海洋管道的表面，连接机构一端嵌入至管套内部，并可在其内部滑动，连接机构自身的薄翼型构造可在外部洋流的作用下进行运动，同时带动减振机构、导流栅和自容式水听器进行运动，使得连接机构、减振机构、导流栅和自容式水听器始终处于海洋管道在洋流冲击作用下的流向下游，减缓了来流对连接机构、减振机构、导流栅和自容式水听器的冲击，降低了水动力噪声的产生；其次，减振机构前端的塑料轴承，可使得减振机构、导流栅和自容式水听器在来流的作用下进行旋转，较好地减少了洋流中的乱流对导流栅的扭矩作用；再次，减振机构中的弹簧作为一种“质量-弹簧”结构，可衰减海洋管道受洋流激励而产生卡门涡街现象时的周期性振荡，减少自容式水听器在接收声信号过程中因振荡作用而产生的低频干扰；最后，大涡团在流过水听器表面时，因水听器的体积小，对频率-波数谱中的低波数分量平均效果有限，使得水听器测量输出的信号中存在较强的低频分量，导致了较高的低频干扰，导流栅表面的薄翼型结构能够将来流破坏，使之成为极小的涡团，从而可使得这些大涡团导致的低频分量消失，使得自容式水听器输出的信号不受低频分量的干扰。

本发明中的连接机构、减振机构、导流栅和自容式水听器在水中基本上处于悬浮状态，不受其自身重力的影响，使得在归算海洋管道流激噪声和涡激噪声时的距离参数较为简单，即按照柱面波扩展规律就可准确归算海洋管道产生的流激噪声和涡激噪声；其次，该发明中连接机构、减振机构、导流栅和自容式水听器的连接虽然进行了弹性处理，但是依旧可以按照刚性连接结构进行距离归算，便于对所测量的流激噪声和涡激噪声进行精确标定；再次，该发明中采用连接机构、减振机构、导流栅和自容式水听器进行海洋管道流激噪声和涡激噪声的采集，使水听器处于噪声测量的远场区，避免了海洋管道流激噪声和涡激噪声的近场效应，使得测量结果和估算较为准确；最后，该发明中的连接机构、减振机构、导流栅的尺寸可以根据海洋管道流激噪声和涡激噪声的强度进行调整，当流激噪声和涡激噪声较强时，可以采用较大的尺寸，使自容式水听器远离海洋管道，当流激噪声和涡激噪声较弱时，可以采用较小的尺寸，使自容式水听器接近海洋管道，从而满足测量过程中的信噪比要求，又避免了声学绝对远场条件处信噪比不足的问题，具有较好的信噪比调节能力。

附图说明

图1为一种测量海洋管道流激噪声和涡激噪声的试验装置的纵剖面示意图；

图2为连接机构的俯视图；

图3为导流栅中栅格的纵剖面示意图；

图4为导流栅中栅格的俯视图；

其中，10为海洋管道、1为管套、11为滚珠、2为连接机构、21为头部、22为中部、23尾端、24为空腔、3为减振机构、31为塑料轴承、32为弹簧、33为卡环、34为连接杆、35为外壳、36为空腔、4为导流栅、41为栅格、42为空腔、43为固定杆、5为自容式水听器。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图4，本发明的一种测量海洋管道流激噪声和涡激噪声的试验装置，包括管套1、连接机构2、减振机构3、导流栅4和自容式水听器5，管套1位于海洋管道10的外部，连接机构2的头部21放置在管套1内，连接机构2的尾端23与减振机构3的塑料轴承31连接，减振机构3的连接杆34连接导流栅4的一端，自容式水听器5放置在导流栅4内。

管套为圆环形构造，管套内部中空，放置有滚珠，管套的外表面开槽；管套1由不锈钢制成，管套1的内径略微小于海洋管道10的外径，以使管套1可靠地紧固在海洋管道10的外面，在管套1的内部有滚珠11构成的多条滑道，管套1的外侧开槽，连接机构2的头部21可放置在管套1内部，可在滚珠11构成的多条滑道内自由滑动。

连接机构的一端为球形，嵌入至管套内，连接机构中间部位的内部中空，连接机构的中间部位为光滑过渡的薄翼型，连接机构的另一端为圆柱形，连接机构在水中处于悬浮状态；连接机构2由高密度聚氨酯制成，连接机构2由头部21、中部22、尾端23和空腔24构成，头部21为均质球形，中部22为光滑过渡的薄翼型，中部22与头部21连接处为薄翼型的前缘，中部22与尾端23连接处为薄翼型的尾缘，薄翼型的构型为NACA0021，在中部22的内部形成空腔24，尾端23为均质圆柱形，在冲压成型过程中，根据头部21、中部22和尾端23的体积计算总重力和浮力，设计空腔24的体积，使之在水中成为悬浮状态。

减振机构的外形为圆柱形，在减振机构的外面一端有塑料轴承，减振机构的另一端开通孔，在减振机构的内部有弹簧，弹簧的中部有卡环，卡环上的连接杆通过减振机构另一端的通孔与导流栅连接，减振机构的外表面为中空结构，减振机构在水中处于悬浮状态；减振机构3由塑料轴承31、弹簧32、卡环33、连接杆34、外壳35、空腔36组成，减振机构3的构型为双层圆柱壳，由碳纤维材料制成，塑料轴承31安装在减振机构3的前部，弹簧32安装在减振机构3的内部，弹簧32由不锈钢制成，卡环33放置弹簧32的中部，卡环33由不锈钢制成，连接杆34的一端连接卡环33，连接杆34的另一端穿过双层圆柱壳一端的通孔与导流栅4的一端连接，外壳35为双层密封结构，在内部形成了空腔36，空腔36在水中产生的浮力可较好地平衡掉减振机构3的重力，使减振机构3在水中处于悬浮状态。

导流栅的两端为圆锥形构造，导流栅的中部为圆柱形构造，在轴线上有固定杆，导流栅的栅条为光滑过渡的薄翼型，内部中空，导流栅的一端与减振机构的连接杆连接；导流栅4由栅格41、空腔42和固定杆43组成，导流栅4的前部为圆锥构型、中部为圆柱构型、尾部为圆锥构型，栅格41是聚氨酯制成的，栅格41的前部为薄片结构、栅格41的中部为光滑过渡的薄翼型，栅格41的中部的外侧为薄翼型的尾缘，栅格41的中部的内侧为薄翼型的头部，薄翼型线型为NACA0021，栅格41的尾部为薄片结构，在栅格41的内部成型空腔42，固定杆43为木质结构，以固定杆43为轴，将栅格41安装在固定杆43上，形成网笼构型。

自容式水听器安装在导流栅内的固定杆上；自容式水听器安装在导流栅里面后，导流栅与自容式水听器在水中处于悬浮状态；自容式水听器5是U-6自容式水听器，是自容式、单节点、小型化的信号综合监测设备，可有效克服传统潜标浮标布放时间长、回收方式复杂、易受天气影响的缺点。主要特点：连续采样率达128kHz，128GB大容量高密度存储介质，功耗低，工作时间可达1年，快速装配，采用水听器减振设计，系统工作水深达6000米。

根据自容式水听器5在水中的重力，计算导流栅4需要提供的浮力，调整格栅41的数量，保证导流栅4和自容式水听器5在水中处于悬浮状态。

利用本实施例制成的测量海洋管道流激噪声和涡激噪声的试验装置，在混浊水海域中对海洋管道的流激噪声和涡激噪声进行了测量，海洋管道的内径为50mm，海洋管道的外径为86mm，由多层橡胶层复合制成，在试验中的海洋管道内部最大流动速度为2.0m/s，洋流的流速约为0.1m/s，经测试发现：海洋管道的流激噪声和涡激噪声的总声级随着来流的增加而增大，近似为线性变化关系，约为1.22dB/0.1(m/s)。

综上，本发明包括管套、连接机构、减振机构、导流栅和自容式水听器，管套安装在海洋管道的外表面，连接机构的一端放置在管套内、另一端连接减振机构，减振机构连接导流栅，自容式水听器放置在导流栅内；该测量海洋管道流激噪声和涡激噪声的试验装置，避免了常规测试方法中因水听器离海底管道距离不足所带来的声学近场效应，利用导流栅消除了水听器所受到的大涡团脉动压力影响，降低了在测试过程中因外部洋流所带来的低频干扰，采用减振机构设计，使得海洋管道流激噪声和涡激噪声的归一化更为精确，测量结果更加可靠，为海洋管道流激噪声和涡激噪声的试验测量提供了技术支撑。

Claims (7)

1.一种测量海洋管道流激噪声和涡激噪声的试验装置，其特征在于：包括管套、连接机构、减振机构、导流栅、自容式水听器，管套安装在海洋管道的外表面，连接机构的一端放置在管套内，连接机构的另一端连接减振机构，减振机构连接导流栅，自容式水听器放置在导流栅内；减振机构的外形为圆柱形，在减振机构的外面一端设置有塑料轴承，连接机构的另一端连接减振机构是指连接机构的尾端通过塑料轴承与减振机构连接；减振机构的另一端开通孔，在减振机构的内部有弹簧，弹簧的中部有卡环，卡环上的连接杆通过减振机构另一端的通孔与导流栅连接，减振机构的外表面为中空结构。

2.根据权利要求1所述的一种测量海洋管道流激噪声和涡激噪声的试验装置，其特征在于：管套为圆环形结构，管套内部中空，放置有滚珠，管套的外表面开槽。

3.根据权利要求1或2所述的一种测量海洋管道流激噪声和涡激噪声的试验装置，其特征在于：连接机构的头部一端为球形且嵌入至管套内，连接机构的中间部位为光滑过渡的薄翼型，且连接机构中间部位的内部中空，连接机构的尾部一端为圆柱形。

4.根据权利要求1或2所述的一种测量海洋管道流激噪声和涡激噪声的试验装置，其特征在于：导流栅包括固定杆、均匀设置在固定杆上的栅格，导流栅整体为两端为圆锥形、中部为圆柱形的网笼构型；每个栅格的前部为薄片结构、栅格的中部为光滑过渡的薄翼型、栅格的尾部为薄片结构，栅格的中部的外侧为薄翼型的尾缘，栅格的中部的内侧为薄翼型的头部；在栅格的内部成型空腔。

5.根据权利要求3所述的一种测量海洋管道流激噪声和涡激噪声的试验装置，其特征在于：导流栅包括固定杆、均匀设置在固定杆上的栅格，导流栅整体为两端为圆锥形、中部为圆柱形的网笼构型；每个栅格的前部为薄片结构、栅格的中部为光滑过渡的薄翼型、栅格的尾部为薄片结构，栅格的中部的外侧为薄翼型的尾缘，栅格的中部的内侧为薄翼型的头部；在栅格的内部成型空腔。

6.根据权利要求4所述的一种测量海洋管道流激噪声和涡激噪声的试验装置，其特征在于：自容式水听器安装在导流栅内的固定杆上。

7.根据权利要求5所述的一种测量海洋管道流激噪声和涡激噪声的试验装置，其特征在于：自容式水听器安装在导流栅内的固定杆上。

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