地声检测系统涡激振动研究及实验分析

　　在海底边界对水声传播有严重影响的情况下(浅海传播、负梯度水文和斜坡海底的上坡传播)，由于舰船辐射噪声与海底的频繁接触，很大一部分声能耦合进海底成为地震波。在这种情况下，可以通过检测海底传播的舰船地震波信号达到被动探测舰船目标的能力[1,2]。为了获得舰船地震波场数据，研制了地声检测系统并进行了试验，发现舰船地震波信号中含有异常的频率成分。进一步的试验及数据分析表明：检测系统上悬挂水听器的圆柱杆件因受水流扰动而产生涡激振动，并被传感器接收，导致舰船地震波场数据中含有异常的振动信号，影响了舰船地震波信号的判别。

　　1 涡激振动

　　当流体通过非流线型的圆柱体时，将在圆柱体的后方发生分离，并产生交替的漩涡释放现象，从而对圆柱体施加脉动的流体升力以及拖曳力。脉动的流体作用力会使得弹性支撑的或柔性圆柱产生横向振动以及沿水流方向的纵向振动。结构的振动反过来又对流场产生影响，使漩涡增强、阻力增加。

　　涡流对圆柱体的作用力包括：升力FL、拖曳力FD、流体惯性力FM。漩涡泄放产生的周期性拖曳力，水流的加速度引发的惯性力，都可能引起圆柱体的纵向振动，而漩涡泄放产生的周期性的升力，则可能引发圆柱体的横向振动。纵向振动比横向振动幅值约小一个数量级，频率约是其两倍。当两种振动形式同时发生时，圆柱体的振动可视为同向振动和横向振动在二维平面内的合成[3，4]。

　　2 圆柱杆件动力响应分析

　　当约化速度Ur增加到一定范围时，涡激频率接近于结构的某一特征模态，涡激频率将与物体振动频率fn锁定而与其保持一致。在锁定区流速范围内，漩涡强度增大，结构振幅突然提高。

　　2.1 圆柱杆件受力分析

　　假设圆柱杆件的振动频率为f，作用于单位长度上的总流体力由升力FL和流体反力FR(拖曳力和流体惯性力)组成。FL激起结构振动并使振动加强，FR使振动减弱，它们均是结构位移的函数[5, 6]

　　式中，ρ为流体密度;U为流速;ω=2πf为振动角频率;D 为圆柱杆件外径;Cmv和Cdv是无量纲系数，Cdv与圆柱体速度反相，Cmv与位移同相。

　　2.2 圆柱杆件的振动微分方程求解

　　圆柱杆件在流体中受到的涡激力并不是一个随时间作简谐变化的力，而是具有一定带宽的窄带随机扰力，当涡激频率fs与某一固有频率接近时，涡激频率会和结构频率锁定在一起，从而把能量输入到结构中去，造成大振幅的振动，此时涡激力才表现出简谐变化的特性[7- 9]。

　　地声检测系统上安装水听器的圆柱杆件，其结构力学振动模型可简化为单自由度，忽略高阶模态影响的单端固支的细长圆柱体，如图1所示。位移、速度和加速度分别为