(35)有源振动噪声控制技术在潜艇中的应用研究
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Байду номын сангаас
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噪
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动
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第!期
如， 双层隔振与浮筏技术， 由于加了浮筏， 整个系统 自由度增加， 自振频率也随之增大， 所以尽管对高频 振动隔离比较有效， 但低频性能并不好， 而且低频隔 振还存在静变形和稳定性要求的限制。关于阻尼材 料， 它的基本原理是利用变形吸收振动能量来减振， 但它在低频时成为橡胶态， 阻尼很小。在潜艇外部 的消声瓦， 根据其特性， 在隔声以及抑制振动方面有 其局 限 性， 一般对! "!# " $ %以 上 的 振 动 可 抑 制 但对此频率以下的振动却没有效果。另 & " ’ ( 左右， 外如一些推进电机的转速也越来越低。这些都要求 低频减振降噪技术的提高。此外就是被动的减振降 噪技术基本是基于线性理论进行设计， 所以对周期 激励的隔离效果较差， 而目前被动声纳对水声中线 谱成分的探测能力越来越强， 因此现代舰艇急需一 种能够有效抑制低频线谱噪声的控制技术。而振动 噪声主动控制技术的优势恰恰在于低频线谱噪声的 控制， 且对一些偶发噪声也具有很好的控制效果。 成功地应用有源振动噪声控制技术就可以减少对特 制安静型机械设备及浮筏等被动振动噪声控制措施 的依赖， 从而降低潜艇造价， 减少其排水量等。 本文针对潜艇声隐身设计中被动减振降噪措施 的不足， 在对有源振动噪声控制 （) * + , ./ 0 , 1 .2 3 ’ — — —) ） 技术作了比较深入调 4 , 5 6 2 + , 0 37 0 3 + 6 0 8 / 4 7 研的基础上， 综述了有源振动噪声控制方面的一些 进展， 重点对其在潜艇声隐身设计中的应用前景作 了阐述， 以期为提高潜艇的隐身性能提供一定的借 鉴作用。
［ ］ & G 术 。
下面就简单介绍一些 ) / 4 7 技术在舰船上的 主要应用情况。 ! & ! 振动主动控制技术的应用 （ ） 主动吸振技术的原理是将吸振器作为子系 & 统附连于主系统中 （控制对象） ， 使其主动跟踪、 产生 与主系统振动反相的振动， 从而消减主系统振动。 英国已在扫雷艇上对此项技术进行了实艇实 验， 降噪效果较好。美国也对此项技术进行研究， 由 最初的针对单一频率振动进行消减， 发展为可同时 消减多个单频振源的振动， 所采用的电控系统可以 确保作动器所产生的消减力与原振动精确同步并且 力的大小和相位可自动地进行调整， 从而获得最佳 减振效果。研究表明， 这种宽频主动控制技术可以 很好地消除常规的浮筏体共振， 并进一步降低与低 频、 大波长共振有关的辐射噪声， 并能改进所有较高
艇位置或使敌方声纳的探测距离缩短的各种技术措 施。这些措施包括降低水下辐射噪声和水声对抗两 方面， 其中降低潜艇水下辐射噪声是主要措施。潜 艇辐射噪声的控制水平不仅关系到对敌舰艇的探测 和攻击， 也关系到本艇的安全问题。潜艇辐射噪声 的来源主要有三个方面： 机械噪声、 螺旋桨噪声和水
［ ］ ! 动力噪声 。针对这些噪声源， 需要从源、 传递、 辐
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［ ］ & H 频率的减振效果 。
为了减少传递到艇壳的振动， 澳大利亚海军对 柯林斯 （7 ） 级潜艇的动力装置也进行了主动吸 0 8 8 , 3 1 振技术的研究， 以减少传递到基座的机械振动。研 究采用前馈控制方法对振动体六个自由度的振动都 进行了控制， 主要对控制策略的有效性、 作动器和控 制器的优化配置进行了研究。通过研究， 他们认为
它能够有效隔离与舰艇壳体声辐射耦合的结构振动从而降低结构噪声目前该装置已应用于该国的护卫舰智能缓冲和隔振系统它由地震防护技术反作用结构参数修改而来能使作用到舰船上的冲击载荷降低abcdab美国海军计划把该技术应用于新一代的攻击型核潜艇上空气噪声的控制舱室的有源降噪是利用振动主动控制技术减振或直接利用次级声源在封闭的舱室内降低噪声目前广泛应用于汽车驾驶室飞机座舱坦克装甲车辆驾驶室舰船舱室内部噪声控制
引
言
潜艇的声隐身技术是使敌方的声纳探测不到本
施、 管路降噪、 材料使用及敷设消声瓦等各个环节实 施一系列的减振降噪措施。目前在声隐身方面处于 领先地位的美国、 俄罗斯等国在它们的新型潜艇上 广泛采用了各种减振降噪措施， 综合分析这些技术 主要有： 浮筏、 挠性软管、 消声器、 泵喷推进、 电力推 ［ ］ ’ $ & 进、 气幕降噪、 消声瓦等 。但这些技术基本上 还是被动的措施。不可否认， 诸如浮筏、 消声器此类 的被动技术在一定程度上的确可以有效控制潜艇的 自身噪声， 但这是以增加必要的附加舱室和重量为 代价的。 另一方面在潜艇降噪技术不断提高的同时， 水 声探测技术也有了长足的发展。特别是 ! N 世纪 # " 年代低频搜索与测距技术 （P 的出现， 使得潜 Q L + R） ［ ， ］ # O 。而目前广泛采用 艇的低频特征信号暴露无遗 的被动减振降噪技术恰恰在低频方面存在缺陷。例
射这三个辐射噪声的基本环节对潜艇噪声进行综合 治理。即从艇的外形、 总体布局、 设备选择、 隔振措
收稿日期： ； 修改日期： ’ " " ( J " N J " N ’ " " ( J ! ! J " ( 作者简介： 姜荣俊 （ ， 男， 江苏丹阳人， 讲师， 博士， 主要研究噪 ! N O % $） 声与振动。 万方数据
有源振动噪声控制技术在潜艇中的应用研究
文章编号： （ ） ! " " # $ ! % & & ’ " " & " ’ $ " " " ! $ " #
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有源振动噪声控制技术在潜艇中的应用研究
姜荣俊， 何 琳
（海军工程大学 振动与噪声研究所， 武汉 ( ） % " " % %
摘 要： 阐述了有源振动噪声控制技术中控制器、 作动器和传感器三大关键技术的研究进展， 基于有源结构声 控制已逐步成为未来主动噪声控制的一个重要的发展方向， 主要介绍了振动主动控制方面的研究进展。从振动主 动控制和噪声主动控制两个方面， 介绍了振动噪声主动控制技术在舰船减振降噪中的应用现状， 针对潜艇声隐身 设计中被动振动噪声控制措施存在的不足及主动控制技术的发展现状， 探讨了振动噪声主动控制技术在空间和有 效载荷有限的潜艇中的应用前景， 列举了未来潜艇声隐身设计中振动噪声主动控制技术可能的应用场合， 以期为 提高我国潜艇的隐身性能提供一定的借鉴作用。指出其对于提高潜艇的声隐身性能的重要意义。 关键词： 振动与波； 噪声； 主动控制；隐身； 潜艇 文献标识码： 中图分类号： ) * & % & +
［ ］ & > 控制双层隔振装置的中间质量的振动最有效 。
I 2 1 1 2 J ,对船舶动力机械的隔振装置也作了相似的 ［ & < 研究 ］ 。 （ ） 主动隔振技术的原理是在振源与受控对象 ! 之间串入一个能够进行主动控制的子系统， 用它减 小受控对象对振源激励的响应。 日本学者在船用主机的振动隔离中， 对内燃机 振动的双层隔振采用了主动控制技术， 并取得了显 著效果。在主动隔振系统中， 利用液压装置（电液 式执行机构 ） 和橡胶元件（橡胶减振器 ） 组成主动 隔振器。当柴油机受到激励产生振动位移时， 柴油 机的静载荷由橡胶元件承担， 控制系统应用自动适 应控制方法， 控制液压缸产生抵消柴油机和基础之 间的支撑元件残余振动作用力， 从而实现隔振的主 动控制。实践证明， 采用主动隔振不仅使系统具有 良好的 隔 振 效 果， 并同时降低了柴油机本身的振
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如， 双层隔振与浮筏技术， 由于加了浮筏， 整个系统 自由度增加， 自振频率也随之增大， 所以尽管对高频 振动隔离比较有效， 但低频性能并不好， 而且低频隔 振还存在静变形和稳定性要求的限制。关于阻尼材 料， 它的基本原理是利用变形吸收振动能量来减振， 但它在低频时成为橡胶态， 阻尼很小。在潜艇外部 的消声瓦， 根据其特性， 在隔声以及抑制振动方面有 其局 限 性， 一般对! "!# " $ %以 上 的 振 动 可 抑 制 但对此频率以下的振动却没有效果。另 & " ’ ( 左右， 外如一些推进电机的转速也越来越低。这些都要求 低频减振降噪技术的提高。此外就是被动的减振降 噪技术基本是基于线性理论进行设计， 所以对周期 激励的隔离效果较差， 而目前被动声纳对水声中线 谱成分的探测能力越来越强， 因此现代舰艇急需一 种能够有效抑制低频线谱噪声的控制技术。而振动 噪声主动控制技术的优势恰恰在于低频线谱噪声的 控制， 且对一些偶发噪声也具有很好的控制效果。 成功地应用有源振动噪声控制技术就可以减少对特 制安静型机械设备及浮筏等被动振动噪声控制措施 的依赖， 从而降低潜艇造价， 减少其排水量等。 本文针对潜艇声隐身设计中被动减振降噪措施 的不足， 在对有源振动噪声控制 （) * + , ./ 0 , 1 .2 3 ’ — — —) ） 技术作了比较深入调 4 , 5 6 2 + , 0 37 0 3 + 6 0 8 / 4 7 研的基础上， 综述了有源振动噪声控制方面的一些 进展， 重点对其在潜艇声隐身设计中的应用前景作 了阐述， 以期为提高潜艇的隐身性能提供一定的借 鉴作用。
［ ］ & G 术 。
下面就简单介绍一些 ) / 4 7 技术在舰船上的 主要应用情况。 ! & ! 振动主动控制技术的应用 （ ） 主动吸振技术的原理是将吸振器作为子系 & 统附连于主系统中 （控制对象） ， 使其主动跟踪、 产生 与主系统振动反相的振动， 从而消减主系统振动。 英国已在扫雷艇上对此项技术进行了实艇实 验， 降噪效果较好。美国也对此项技术进行研究， 由 最初的针对单一频率振动进行消减， 发展为可同时 消减多个单频振源的振动， 所采用的电控系统可以 确保作动器所产生的消减力与原振动精确同步并且 力的大小和相位可自动地进行调整， 从而获得最佳 减振效果。研究表明， 这种宽频主动控制技术可以 很好地消除常规的浮筏体共振， 并进一步降低与低 频、 大波长共振有关的辐射噪声， 并能改进所有较高
艇位置或使敌方声纳的探测距离缩短的各种技术措 施。这些措施包括降低水下辐射噪声和水声对抗两 方面， 其中降低潜艇水下辐射噪声是主要措施。潜 艇辐射噪声的控制水平不仅关系到对敌舰艇的探测 和攻击， 也关系到本艇的安全问题。潜艇辐射噪声 的来源主要有三个方面： 机械噪声、 螺旋桨噪声和水
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［ ］ & H 频率的减振效果 。
为了减少传递到艇壳的振动， 澳大利亚海军对 柯林斯 （7 ） 级潜艇的动力装置也进行了主动吸 0 8 8 , 3 1 振技术的研究， 以减少传递到基座的机械振动。研 究采用前馈控制方法对振动体六个自由度的振动都 进行了控制， 主要对控制策略的有效性、 作动器和控 制器的优化配置进行了研究。通过研究， 他们认为
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潜艇的声隐身技术是使敌方的声纳探测不到本
施、 管路降噪、 材料使用及敷设消声瓦等各个环节实 施一系列的减振降噪措施。目前在声隐身方面处于 领先地位的美国、 俄罗斯等国在它们的新型潜艇上 广泛采用了各种减振降噪措施， 综合分析这些技术 主要有： 浮筏、 挠性软管、 消声器、 泵喷推进、 电力推 ［ ］ ’ $ & 进、 气幕降噪、 消声瓦等 。但这些技术基本上 还是被动的措施。不可否认， 诸如浮筏、 消声器此类 的被动技术在一定程度上的确可以有效控制潜艇的 自身噪声， 但这是以增加必要的附加舱室和重量为 代价的。 另一方面在潜艇降噪技术不断提高的同时， 水 声探测技术也有了长足的发展。特别是 ! N 世纪 # " 年代低频搜索与测距技术 （P 的出现， 使得潜 Q L + R） ［ ， ］ # O 。而目前广泛采用 艇的低频特征信号暴露无遗 的被动减振降噪技术恰恰在低频方面存在缺陷。例
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有源振动噪声控制技术在潜艇中的应用研究
姜荣俊， 何 琳
（海军工程大学 振动与噪声研究所， 武汉 ( ） % " " % %
摘 要： 阐述了有源振动噪声控制技术中控制器、 作动器和传感器三大关键技术的研究进展， 基于有源结构声 控制已逐步成为未来主动噪声控制的一个重要的发展方向， 主要介绍了振动主动控制方面的研究进展。从振动主 动控制和噪声主动控制两个方面， 介绍了振动噪声主动控制技术在舰船减振降噪中的应用现状， 针对潜艇声隐身 设计中被动振动噪声控制措施存在的不足及主动控制技术的发展现状， 探讨了振动噪声主动控制技术在空间和有 效载荷有限的潜艇中的应用前景， 列举了未来潜艇声隐身设计中振动噪声主动控制技术可能的应用场合， 以期为 提高我国潜艇的隐身性能提供一定的借鉴作用。指出其对于提高潜艇的声隐身性能的重要意义。 关键词： 振动与波； 噪声； 主动控制；隐身； 潜艇 文献标识码： 中图分类号： ) * & % & +
［ ］ & > 控制双层隔振装置的中间质量的振动最有效 。
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