[發明專利]一種湍流脈動壓力的修正方法

有效

• 申請號: 202111492952.6
• 申請日: 2021-12-08
• 公開（公告）號: CN114166416B
• 公開（公告）日: 2023-05-30
• 發明（設計）人: 高巖
• 申請（專利權）人: 中國船舶科學研究中心
• 主分類號: G01L27/00
• 分類號: G01L27/00;G01M10/00
• 代理公司: 無錫華源專利商標事務所(普通合伙) 32228
• 代理人: 過顧佳

本發明公開了一種湍流脈動壓力的修正方法，涉及水下技術領域，該方法利用壓力傳感器的接收面的規格對應的濾波響應函數以及相關譜函數，結合預先擬合得到的計算公式，可以對測量得到的原始傳感器信號的流激湍流脈動壓力自功率譜進行修正，得到準確度更高的壓力傳感器處的修正后的湍流脈動壓力的自功率譜，該方法可以修正因為壓力傳感器的特性而帶來的湍流脈動壓力測量誤差，可以修正壓力傳感器在中高頻對小尺度湍流渦旋不敏感的特性，從而保證中高頻測試的精度，解決中高頻測試的關鍵問題。

技術領域

本發明涉及水下技術領域，尤其是一種湍流脈動壓力的修正方法。

背景技術

水下航行器航行時，物面邊界層由層流發展為湍流，水下航行器的水動力噪聲主要是流體流動產生的湍流脈動壓力激勵水下航行器殼板振動產生的二次聲輻射，其強度隨航速增加而迅速增加，隨著機械噪聲和螺旋槳噪聲的有效有力控制，以及安靜型航速的增加，水下航行體的水動力噪聲已凸顯為影響其聲隱身性能不可忽略的因素。

由于湍流在時間和空間上的隨機性，在目前研究條件和技術水平下，難以通過理論方法建立流體流動產生的湍流脈動壓力模型，國外在大量試驗的基礎上采用統計的方法，對湍流脈動壓力開展了定量規律描述，通過回歸試驗結果歸納并建立了廣泛應用的經驗性模型。鑒于水下航行體表面是三維流動狀態，流體流動的湍流脈動壓力是水下航行器表面的主激勵力源，其分布特性決定其輸入給結構的能量。因此，為了真實了解流體流動產生的湍流脈動壓力對水下航行器表面及聲吶工作環境的影響并為流動激勵結構振動產生水動力噪聲預報提供真實環境的激勵力參數，需要掌握水介質環境下水下航行體表面的流動激勵產生的湍流脈動壓力特性。

針對空氣中湍流脈動壓力的測量，2019年《聲學技術》第38卷第2期P98～P100報道了劉進等人開展的《新型流激載荷測試柔性傳感器陣列設計》工作，該陣列采用底部入聲傳感器進行電路設計，保證了陣列表面的平整度，提高了與模型表面的貼合度，可在空氣介質環境下反復利用開展復雜表面湍流邊界層脈動壓力測試。但應用于水下環境時則會存在如下問題：2020年《隱身技術》第1期P50～P55發表的論文闡述了傳感器接收面尺寸和陣列單元間距對頻域響應與波數響應的影響，水中湍流脈動壓力傳感器普遍使用壓電材料作為傳感單元，這類材料的靈敏度與傳感器接收面尺寸正相關，在保證傳感器靈敏度情況下無法克服傳感器接收面尺寸偏大的缺點，但對于小尺度渦旋由于接收面上同時作用多個渦旋，且各點接收信號的相位不一致，整個接收面上疊加的總壓力起伏受平均效應影響將減小，因此理論只有接收面尺寸小于渦旋尺度時才會接收到真實的湍流脈動壓力，且傳感器接收面對于壓力起伏有過濾作用——對于不同尺度的渦旋有不同的響應，有限大小的接收器對高頻對應的小尺度的湍流渦旋是不敏感的。所以針對水介質環境測試結果，采用上述方法受傳感器接收面尺寸影響會有較大的誤差，精度難以保證。

發明內容

本發明人針對上述問題及技術需求，提出了一種湍流脈動壓力的修正方法，本發明的技術方案如下：

一種湍流脈動壓力的修正方法，該方法包括：

通過安裝在水下航行器表面不同位置處的壓力傳感器獲取時域范圍內的原始傳感器信號p(t)；

對每個壓力傳感器獲取到的原始傳感器信號p(t)分別進行時頻傅里葉變換得到壓力傳感器的流激湍流脈動壓力自功率譜為Φ_M(ω)＝∫p(t)e^-iωtdt，ω是頻率；

將壓力傳感器的流激湍流脈動壓力自功率譜Φ_M(ω)代入中，計算得到壓力傳感器處的修正后的湍流脈動壓力的自功率譜Φ(ω)，S(k,ω)是壓力傳感器的接收面的規格對應的濾波響應函數，k為波數域的波數參數，ω為頻率域的頻率參數，ψ(k,ω)是相關譜函數。

其進一步的技術方案為，該方法還包括：