一种船底气泡的检测方法及气泡层监测仪与流程

1.本技术涉及船舶技术领域，具体而言，涉及一种船底气泡的检测方法及气泡层监测仪。


背景技术：

2.声学设备中的声学计程仪测速原理是采用换能器向海底发射一定频率的声脉冲信号，通过检测回波信号和发射信号之间的时间延迟和频率差异(即所谓多普勒频移现象)计量船舶运动参数信息。
3.大型船舶在高速行驶过程中，船底的某些部位会有气泡产生或经过。当换能器辐射面下方存在大量的气泡时，就会阻挡声波的发射和接收，此时声学计程仪接收到的信号就不是从指定水层或海底散射过来的信号，而是从气泡层反射而来，从而影响声学计程仪的正常工作。
4.因此，了解船体底部流场的情况，可以保障大型船舶水下声学设备的正常使用，对航行安全具有重要的意义。对船体底部气泡的声场测量，找到船体底部气泡的分布规律，从而找到合适声学设备最优的安装位置，对船舶的航行安全具有重要的意义。
5.综上所述，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。


技术实现要素：

6.本技术实施例的目的在于提供一种船底气泡的检测方法，其能够获取船底气泡厚度及气泡分布情况，根据船底气泡厚度及气泡分布情况可以获取船底气泡的分布规律，得到的气泡的分布规律作为船体底部安装声学设备的设计依据。
7.本技术实施例的第二目的还在于提供一种气泡层监测仪，利用气泡层监测仪获取船底气泡厚度及气泡分布情况。
8.第一方面，提供了一种船底气泡的检测方法，包括以下步骤：
9.s1、根据船底的结构构造确定预定数量的安装点，在每个所述安装点处安装声学设备。
10.s2、基于所述声学设备测得的信号，获得每个所述声学设备处的信号回波图。
11.s3、选取信号回波图符合要求的多个所述声学设备作为检测点，将所述检测点处的声学设备替换为图像采集设备；所述图像采集设备与所述船底共形设置。
12.s4、基于每个所述图像采集设备，获取船体在低速、中速以及高速状态下船底的气泡厚度及气泡分布情况。
13.s5、将所述图像采集设备推出船底，继续获取船体在高速行驶状态下船底的气泡厚度及气泡分布情况。
14.在一种实施方式中，在步骤s3中，所述信号回波图符合要求包括：所述信号回波图具有连续稳定回波。
15.在一种实施方式中，声学设备包括换能器，在步骤s3中，所述声学设备替换为图像
采集设备包括：将所述声学设备的换能器取出并替换为图像采集设备。
16.在一种实施方式中，在步骤s3及步骤s4中，所述气泡处分布情况至少包括：气泡的大小、位置及气泡层的垂直分布情况。
17.在一种实施方式中，在步骤s4中，所述将所述图像采集设备推出船底包括：将所述图像采集设备推出船底100-140mm。
18.在一种实施方式中，所述图像采集设备包括多个景深模式。
19.在一种实施方式中，在步骤s1中，所述在每个所述安装点处安装声学设备包括：将所述声学设备通过粘接的方式固定于所述安装点处。在一种实施方式中，所述声学设备为测噪传感器。
20.根据本技术的第二方面，还提供了一种气泡层监测仪，包括：
21.多个声学设备，每个所述声学设备安装在船底的安装点上，用于获取信号回波图；每个所述声学设备包括换能器。
22.图像采集设备，设于符合要求的声学设备处，用于替换声学设备中的换能器，以采集船底的气泡厚度及气泡分布情况。
23.所述图像采集设备包括第一状态和第二状态：所述图像采集设备的第一状态为所述图像采集设备与船底共形设置；所述图像采集设备的第二状态为所述图像采集设备推出船底设置。
24.在一种实施方式中，图像采集设备包括滑动机构，所述滑动机构在第一状态时与船底共形，所述滑动机构在第二状态中与船底的距离为100-140mm。
25.与现有技术相比，本技术的有益效果为：
26.在本技术的技术方案中，通过步骤s1至s4，获取船底相关位置关于噪声阻抗情况的信号回波图，根据信号回波图进行分析后，利用气泡层监测仪获取船底气泡厚度及气泡分布情况。根据船底气泡厚度及气泡分布情况可以获取船底气泡的分布规律。得到的气泡的分布规律作为船体底部安装声学设备的设计依据，以找到合适声学设备最优的安装位置，保证船舶水下的声学设备正常使用，对船舶的航行安全具有重要的意义。
附图说明
27.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
28.图1为根据本技术实施例示出的一种船底气泡的检测方法的流程图；
29.图2为图1中船底气泡的检测方法的声学设备在船底的安装示意图；
30.图3为图1中船底气泡的检测方法的声学设备的结构示意图；
31.图4为根据本技术实施例示出的船底气泡的检测方法中辅助安装板的一种结构示意图；
32.图5为根据本技术实施例示出的船底气泡的检测方法中辅助安装板的另一种结构示意图；
33.图6为根据本技术实施例示出的船底气泡的检测方法中安装声学设备的主视图；
34.图7为根据本技术实施例示出的船底气泡的检测方法中安装声学设备的左视图；
35.图8为根据本技术实施例示出的船底气泡的检测方法中安装声学设备的俯视图；
36.图9为根据本技术实施例示出的气泡层监测仪的第一状态的结构示意图；
37.图10为根据本技术实施例示出的气泡层监测仪的第二状态的结构示意图。
38.图中：1、第一声学设备；2、第二声学设备；3、第三声学设备；4、第四声学设备；5、第五声学设备；6、第六声学设备；7、第七声学设备；8、第八声学设备；9、换能器；10、固定座；11、紧固螺栓；12、辅助安装板；13、测噪传感器；14、连接电缆；15、电缆保护板；16、保护套；17、紧固件；18、增长颈；19、镜头；20、光源；21、顶板；22、底板。
具体实施方式
39.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
40.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
41.根据本技术的第一方面，参见图1，首先提供了一种船底气泡的检测方法，包括以下步骤：
42.s1、根据船底的结构构造确定预定数量的安装点，在每个安装点处安装声学设备。
43.s2、基于所述声学设备测得的信号，获得每个声学设备处的信号回波图。
44.s3、选取信号回波图符合要求的多个声学设备作为检测点，将检测点处的声学设备替换为图像采集设备。图像采集设备与所述船底共形设置。
45.s4、基于每个图像采集设备，获取船体在低速、中速以及高速状态下船底的气泡厚度及气泡分布情况。
46.在步骤s4中，每个图像采集设备采集所在安装点处的气泡厚度及气泡分布情况的图像，基于每个图像获取整个船底的气泡厚度及气泡分布情况。
47.需要说明的是，船速小于13节时，为低速状态；船速在13-21节时，为中速状态；船速大于21节时，为高速状态。
48.s5、将图像采集设备推出船底，继续获取船体在高速行驶状态下船底的气泡厚度及气泡分布情况。
49.具体的，在步骤s5中，对低速、中速、高速情况下，与步骤s4中共形安装时所检测的气泡分布情况的进行对比。用型号为avtmanta201b，每秒最快拍摄14张照片，两张照片时间间隔71.4ms。
50.若低于2节以下航行时，通过连续的照片组合成视频，可能还能够观测到水中物体移动的方向，若超过该速度，物体移动范围已超出视窗范围，则只能观测到瞬态的景象。在71.4ms时间间隔时，当船速为1节时候，物体移动距离为3.67cm，2节时候，物体移动距离约为7.34cm，视窗圆直径为8cm，可判断速度高于2节以上，是不能分析物体的运动轨迹。若在
高速20节以上状态下，需要了解物体运动轨迹，则至少需要拍摄10000张以上的高速相机进行检测。因此，步骤s5只做在高速情况下对气泡的瞬态图像进行检测和描述。
51.本技术提供的船底气泡的检测方法，通过步骤s1至s4，获取船底相关位置关于噪声阻抗情况的信号回波图，根据信号回波图进行分析后，利用气泡层监测仪获取船底气泡厚度及气泡分布情况。根据船底气泡厚度及气泡分布情况可以获取船底气泡的分布规律。得到的气泡的分布规律作为船体底部安装声学设备的设计依据，以找到合适声学设备最优的安装位置，保证船舶水下的声学设备正常使用，对船舶的航行安全具有重要的意义。
52.参见图2，在步骤s1中，根据船底的结构规模确定安装点的预定数量，具体的，包括第一声学设备1、第二声学设备2、第三声学设备3、第四声学设备4、第五声学设备5、第六声学设备6、第七声学设备7、第八声学设备8。如图3所示，每个声学设备包括换能器9和固定座10。在确定安装点的预定数量后，对安装点编号，编号顺序按照从前至后、从左至右。
53.具体的，其中第一声学设备1位于某机舱外板左侧，第六声学设备6与第一声学设备1对称设置。第二声学设备2、第三声学设备3、第四声学设备4位于某船底舱室某水声设备开孔左前方，从外往内依次为2号、3号、4号，如图1所示。第七声学设备7与第四声学设备4对称。第八声学设备8在某水声设备开孔正后方约0.4米处。
54.而通过换能器实现四个与水平面成一定夹角的“笔状”波束，分别指向前下方、后下方、左下方和右下方。通过“笔状”波束向水中发射一定频率的小开角声脉冲信号，对接收到来自各的波束方向上的回波信号和发射信号之间的差异进行处理。
55.大型船舶在高速行驶过程中，船底某些部位会有气泡产生或经过，气泡主要包括“空化气泡”和“前方来泡”。“空化气泡”主要指由高速流动的流体所引起的空化现象。“前方来泡”一部分由船舶在航行过程中，船艏斩浪产生的湍流或船艏附近的风浪流产生的气泡，这部分气泡是在船只高速航行时即时产生的气泡，另一部分是预先已经产生存在的气泡，由船体附近的流或船体高速前行产生的牵扯力夹带过来的气泡。
56.当换能器辐射面下方存在大量的气泡时，就会阻挡声波的发射和接收。
57.在一种实施方式中，在步骤s3中，信号回波图符合要求包括：信号回波图中具有连续稳定回波，表明该信号回波图所在安装点处的波束方向上无气泡遮挡，可以选取作为检测点。若信号回波图中的海底回波出现连续毛刺，表明有连续气泡流过该该信号回波图所在安装点的辐射面，在该信号回波图所在安装点的波束方向上存在气泡，则该安装点不能作为检测点。
58.具体的，当船速为16节直行时，8个声学设备测得的信号回波络图中，每个声学设备测得的波纹基本一致，海底回波清晰可见。表明此时各声学设备波束方向无大量气泡。
59.当船速提高至24节左右，某几个声学设备测得的海底回波清晰可见，与低速时一致，表明在其波束方向无气泡遮挡。而其余声学设备测得的信号包络均有明显变化，散射强度增大，表明在其波束方向无气泡层遮挡。
60.对称安装的声学设备不同航速下直航，接收的信号包络曲线基本一致。
61.第一声学设备1、第四声学设备4、第八声学设备8在中高速航速下看不到连续稳定的海底回波，表明第一声学设备1、第四声学设备4、第八声学设备8在波束方向上均存在气泡影响，不适合安装声学设备。
62.在一种实施方式中，参考图3，声学设备包括换能器9，在步骤s3中，声学设备替换
为图像采集设备包括：将声学设备的换能器9取出并替换为图像采集设备。
63.在一种实施方式中，在步骤s3及步骤s4中，气泡处分布情况至少包括：气泡的大小、位置及气泡层的垂直分布情况。
64.在一种实施方式中，在步骤s4中，将图像采集设备推出船底包括：将图像采集设备推出船底100-140mm。
65.在一种实施方式中，图像采集设备包括多个景深模式。
66.需要说明的是，图像采集设备包括三个景深模式：01模式、05模式及09模式。01模式的景深范围为0-2cm，05模式的景深范围为4-6cm，09模式的景深范围为8-10cm。图像采集设备的其他参数设定至少包括：曝光时间和增益使用默认值。
67.在一种实施方式中，在步骤s3及步骤s4中，获取气泡厚度及气泡分布情况时，同时需要记录每个图像采集设备在不同景深模式下的航行参数。航行参数至少包括：航速、船体的航行姿态、时间。
68.需要说明的是，船体的航行姿态至少包括：直行、左转、右转。
69.在一种实施方式中，在步骤s3及步骤s4中，获取气泡厚度及气泡分布情况后，需要对图像采集设备采集的图片或者视频进行命名并储存。
70.在一种实施方式中，在每个所述安装点处安装声学设备包括：将声学设备通过粘接的方式固定于安装点处。同时声学设备的连接电缆与舱室内的电源或者电柜连接。
71.在一种实施方式中，参见图4和图5，在声学设备的底部通过某高分子环氧材料粘接剂粘接辅助安装板12，再将辅助安装板12通过点焊的方式固定于船体底部。在辅助安装板12上焊接两个紧固螺栓11，两个紧固螺栓11设于声学设备的端部。声学设备的连接电缆14从两个紧固螺栓11之间穿过。考虑试验船航行时船底水流冲击力非常大，而声学设备的连接电缆较细，抗冲击能力较差，需要保证将传感器及电缆牢固地固定于船体，并保证对船体的影响降到最低。
72.具体的，在辅助安装板12上分别焊装两只m6
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20规格的不锈钢螺栓作为紧固螺栓11，紧固螺栓11的头部与辅助安装板12焊接，焊脚高度为3mm。
73.需要说明的是，辅助安装板12设为圆形板，如图4所示。或者将辅助安装板12设为椭圆形板，如图5所示。由于辅助安装板12较小，可以在室内满足温度要求的情况下使用高分子粘接剂。而后通过点焊的方式，将辅助安装板12固定于船体底部。
74.在一种实施方式中，如图6至图8所示，在两个紧固螺栓11上安装电缆保护板15，电缆保护板15为凹形板，连接电缆14设于凹形板的凹面里面。电缆保护板15的两端与紧固螺栓11固定安装，以使连接电缆14压设在电缆保护板15与辅助安装板12之间。考虑声学设备的连接电缆最容易发生断裂，采取特殊固定的保护方式。由于温度原因可能无法使用高分子粘接剂，通过电缆保护板15的设置，防止因水流冲击力过大而损坏连接电缆14的情况，在船航行过程中水下的不同流场中，声学设备能牢固的固定在船底。
75.在一种实施方式中，电缆保护板15通过紧固件17与紧固螺栓11可拆卸固定连接，以便于声学设备的拆装。
76.在某些特殊海域和季节，也可采用点焊电缆保护板15的安装方法。
77.在一种实施方式中，在连接电缆14的外部套设塑料的保护套16。
78.在一种实施方式中，声学设备为测噪传感器13。
79.根据本技术的第二方面，参见图9和图10，还提供了一种气泡层监测仪，包括：
80.多个声学设备，每个声学设备安装在船底的安装点上，用于获取信号回波图。如图3所示，每个声学设备包括换能器9和固定座10。
81.图像采集设备，设于符合要求的声学设备处，用于替换声学设备中的换能器9，并可沿固定座10滑动，以采集船底的气泡厚度及气泡分布情况。
82.图像采集设备包括第一状态和第二状态：参见图9，图像采集设备的第一状态为图像采集设备与船底共形设置；参见图10，图像采集设备的第二状态为图像采集设备推出船底设置。
83.在一种实施方式中，参见图9和图10，图像采集设备包括镜头和滑动机构，滑动机构滑动连接于声学设备的固定座10内，镜头19设于滑动机构的顶部，镜头19连同固定座10共同滑动。滑动机构在第一状态时与船底共形，滑动机构在第二状态中与船底的距离为100-140mm。
84.在一种实施方式中，滑动机构包括顶板21、底板22及侧板围成的壳体。
85.顶板21和底板22均为透光板，均采用pc玻璃材质，以便于镜头对气泡状态采集图片。底板22与船底共形安装，并用硅胶抹平缝隙处和螺丝孔位处。
86.侧板为不透光板，侧板的高度为100-140mm。
87.在固定座10的底部设置通孔，滑动机构沿通孔伸出船底。顶板的直径大于固定座10底部的通孔的直径，防止滑动机构完全滑出固定座10。
88.在一种实施方式中，在镜头19的外侧罩设增长颈18，增长颈18起到保护镜头19的作用。镜头19设于增长颈18的底部，镜头19的数据线从增长颈18的顶部伸出。在使用时，可将镜头19取出调节不同的景深模式。
89.在一种实施方式中，在镜头19的外壁和增长颈18的内壁之间设第一海绵条，镜头19与顶板21接触面上设第二海绵条。考虑船只航行过程中，难免会有晃动，左右倾斜或轻微抖动，为解决安装体震动问题，防止镜头19与增长颈18或者顶板21之间发生碰撞从而损坏镜头19；同时使镜头19能在1/19608秒时间拍摄照片时，也不会产生影响。
90.在一种实施方式中，在滑动机构内设置环形的光源20，光源20环绕设于侧板的内壁，光源20的底面为斜面，考虑优化图像采集设备的拍照环境。
91.在一种实施方式中，在滑动机构内设置干燥机，防止内部的水汽对镜头19造成影响。
92.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。