有源振动噪声控制技术在潜艇中的应用研究

文章编号:1006-1355(2005)02-0001-06
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430033)
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;潜艇中图分类号:T B535 文献标识码:A
Application Research of Active Noise and Vibration
Control Technology in Submarines
JIANG Rong j un ,HE Lin
(Institute of Noise &V ibration,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China) Abstract:T he latest research developments of the three key technologies of controller,actuator and sensor which are essential to the active noise and vibration control (ANVC)technologies are de scribed in this paper.For the active structure acoustic control is becoming an important direction in the active noise control technology development,more is put on the active vibration control technology.From active v ibration control and active noise control,the tw o aspects of ANVC technology ,the appli cation states of the ANVC technology in ship s noise and vibration reduction are also presented.Ac cording to the deficiencies of the passive noise and v ibration reduction measures and the rapid develop ments of the active controlling technologies,the outlooks of applying the ANVC technologies to the submarines noise and vibration controlling w hich w ith limited space and effective load are discussed.And the application occasions of ANVC technology in the future submarine acoustic stealth design are enumerated.So offer some references for improving the subm arine s acoustic stealth performances.T he end,the importance of the ANVC technology in improving the submarine s acoustic stealth level is put forw ard.
Key words:v ibration and w ave;noise;active control;stealth;submarine
收稿日期:2004 09 09;修改日期:2004 11 04
作者简介:姜荣俊(1973-),男,江苏丹阳人,讲师,博士,主要研究噪声与振动。

引 言
潜艇的声隐身技术是使敌方的声纳探测不到本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[1]。

针对这些噪声源,需要从源、传递、辐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
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[2-5]。

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19世纪60年代低频搜索与测距技术(LOFAR)的出现,使得潜艇的低频特征信号暴露无遗[6,7]。

而目前广泛采用的被动减振降噪技术恰恰在低频方面存在缺陷。

例
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20~30H z以上的振动可抑制10dB左右,但对此频率以下的振动却没有效果。

另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(Active Noise and V ibration Control ANVC)技术作了比较深入调研的基础上,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。

1 ANVC在舰船减振降噪中的应用
有源振动噪声控制的思想可以追溯到Leug早在1934年提出的在管道中加入次声源进行有源消声的专利[8]。

近年来随着科技的进步,以及人们对振动环境、产品与结构振动特性越来越高的要求,被动控制已难以满足要求,有源振动噪声控制技术得到了很大的发展。

ANVC技术日益完善,并逐渐从理论研究、实验室验证走向工程实际应用,在舰船上也开始得到了应用。

根据资料[9-10],美国最新型的海浪级核潜艇中装备了振动噪声主动控制系统与其全舰噪声监控系统配合使用,并取得了良好的声隐身性能。

美国麻省理工学院正在通过应用智能材料研制增强型的主动降噪潜艇壳体[11]。

加拿大大西洋防卫研究组织(Defence Research Establishment Atlantic)在舰艇上也进行了大量的有源振动噪声控制研究[12~15]。

目前美国一些研究单位已经将起初为美国国防部高级研究计划署研究的高级潜艇技术中的有源振动噪声控制技术研究转化为民用技术[16]。

下面就简单介绍一些ANVC技术在舰船上的主要应用情况。

1.1 振动主动控制技术的应用
(1)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,并能改进所有较高频率的减振效果[17]。

为了减少传递到艇壳的振动,澳大利亚海军对柯林斯(Collins)级潜艇的动力装置也进行了主动吸振技术的研究,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,他们认为控制双层隔振装置的中间质量的振动最有效[18]。

M assaki对船舶动力机械的隔振装置也作了相似的研究[19]。

(2)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动[20]。

文献[2]给出了基于电液式主动作动器与橡胶减振器组合的新型隔振装置,并在实船主动振动隔离应用中取得显著效果。

在100Hz以下的低频段主动隔振较被动隔振增加30dB的隔离量(加速度衰减率)。

有效主动隔振频率上限达400Hz。

中高频的隔振主要由橡胶隔振器承担。

瑞典Karlskrona/Ronneby大学研发的一种船用
主动隔振装置(Active Vibration Isolation in Ships AVIIS)主要由电力惯性质量作动器组成,是一种主、被动结合的混合隔振器。

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[22~23]。

ISM IS(Intelligent Shock M itigation and Isola tion System)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(reactive structural parameter modification RSPM)而来,能使作用到舰船上的冲击载荷降低50%-70%,美国海军计划把该技术应用于新一代的攻击型核潜艇上[24]。

1.2 噪声主动控制技术的应用
(1)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[25]。

目前采用的研究方法主要有源声控制(以声消声)和有源力控制(结构声有源控制)。

有源声控制方面的主要代表是英国南安普敦大学声与振动研究所(ISVR)P.A. Nelson、S.J.Elliott等人的研究;结构声有源控制方面的主要代表是美国弗吉尼亚大学振动声学实验室的C.R.Fuller等人的研究[26~27],并且该实验室已经将研究成果应用到了潜艇降噪方面[28]。

洛杉矾!圣胡安∀级核潜艇为了降低舱室内部噪声,除了在壳体内部和舱壁上大量地敷设吸声材料、在噪声强的设备上加装隔声罩、消声器和设立隔声室,还采用了新型的有源消声技术。

在空气噪声较大的战位和其它工作空间,针对该处的空气噪声特性设计出一种反音响声源系统。

该系统能发出与原空气噪声振幅相同但相位相反的音响,来抵消该处原来的空气噪声,达到安静的目的。

这种主动消声技术在新建的洛杉矾级潜艇的空调部位和噪声较大的舱室已经获得应用,在英国的特拉法尔加级核潜艇上也己采用[29]。

使用证明该技术对舱室空气噪声降噪效果明显。

以色列海军为3艘!盖尔∀级潜艇安装了有源消声系统后,信噪比同以前相比改进了15~20dB[30]。

法国海军在通风管路中也采用了有源消声技术[31]。

根据文献[32],俄罗斯战略核潜艇上应用了有源消声技术后,取得了明显的降噪效果。

比利时Katholieke U niversiteit Leuven研制了一种船用发动机排气主动消声器,它主要由带有电控阀的缓冲腔构成。

缓冲腔直接连到发动机的排气口,排气脉动在缓冲腔得到衰减,再控制电控阀使缓冲腔中的气体平稳流过控制阀,从而消除排气噪声。

该主动消声器的体积只有传统被动消声器的1/4。

它采用了非自适应的前馈控制方法。

在背压为0.03 ~0.1大气压力时,其消声量达到13dB(A)[33]。

(2)管路系统结构噪声和流体噪声的控制
舰艇管路系统中,如液压系统、燃油系统、冷却水系统,由于工作过程的不完善,伴有工作介质的振荡或脉动,介质脉动所产生的交变力,使管路及其连接的附件形成振动。

强烈振动会使管路附件(包括弹性接管)以及它们之间的连接部分松动或破裂,并引起船体的结构振动。

实践中发现在对动力机械等装置采取了有效的减振降噪措施后,舰船实际的振动噪声仍然较大,其主要根源就在于没有有效地控制管路系统的振动噪声。

另外如舰船动力装置的冷却水通常取自大海,通海管路系统在采取加装挠性接头及弹性支撑等措施后可以抑制振动沿管路的传递,但系统中的泵、阀门以及弯头等所产生的流体噪声将随海水的吸入和排出从海底门辐射出去,这将严重影响舰艇的隐身性能。

所以如何有效地降低液压管路系统的振动和噪声是目前舰船振动和噪声控制中一个非常重要的问题。

目前舰艇中广泛采用的挠性软管,虽然对衰减管道的脉动压力有一定的效果,但在高压下软管将趋硬而失去效果[3,34]。

英国国防调研局(Defence Evaluation and Re search Agency DERA)研发了一种替代传统的被动管道接头,采用有源振动控制技术的新型管道接头。

该接头能够有效抑制舰船上管路系统(如柴油机的冷却管路、各种泵系管路等)中振动噪声的产生。

目前该机构正在考虑如何将其从军用转化为民用技术[35]。

美国弗吉尼亚州立大学工学院[36]利用内部装有1/3压电复合材料作动器的主动Helm holtz共振腔大大降低了管道内的流体脉动。

M J Brennan等设计了一种非插入式的流体脉动作动器和传感器用来控制管道系统的流体振动噪声[37]。

瑞典Karl skrona/Ronneby大学Maillard[38]等也设计了一种非插入式结构作动器用来控制船舶管道系统的流体脉动。

圆环状厚型压电作动器作用在管壁上产生轴对称的平面波,在径向与流体脉动耦合,从而衰减流体脉动。

2 ANVC的研究进展
尽管主动控制技术在低频噪声振动控制方面具有一定的优势,但作为一项技术,从理论到实际应用却花费了较长的时间。

究其原因主要有:(1)有待开发高性能信号处理电子器件;(2)对涉及到的物理规律认识不够,特别是在ANC系统设计中缺乏对具体声源特性的深刻了解;(3)需要包括物理学、电工
学、材料学和机械工程等广泛领域的多学科知识[39]。

所以该技术往往是伴随新技术的出现而不断取得进展。

近年来随着控制理论、微电子技术的进步,特别是高效稳定的换能元器件的研发出现,使得ANVC进入了蓬勃发展的阶段。

目前在这方面的研究和应用国内外数不胜数,对此可以参考Nel son和Eliott的#噪声主动控制∃(1992年)、Fuller的#振动主动控制∃(1996年)、Hansen和Snyder的#噪声和振动的主动控制∃(2002年)及国内顾仲权、马扣根和陈卫东的#振动主动控制∃(1997年)与陈克安的#有源噪声控制∃(2003年),这些专著对ANVC 作了比较全面的介绍。

主动噪声控制的传统方法是引进次级声源,根据声波相消性干涉或声辐射抑制的原理进行主动降噪。

其主要继承了P.Lueg的思想,所不同之处是将现代控制技术融入自适应主动降噪系统设计中,工作主要集中在复杂的控制系统设计和研究实现上。

而近年来美国的Fuller和澳大利亚的Snyder 则侧重于采用次级振源进行结构噪声主动控制的有源结构声控制。

该方法较传统的ANVC系统简单,且耗能少,实施更容易[40]。

因为噪声控制通常依赖于结构振动控制,而声场的控制又能导致结构振动控制,所以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[41]。

基于这个原因,文章主要介绍振动主动控制方面的研究进展,有关传统噪声主动控制方面的情况可参考文献[40-44]。

主动控制系统主要由受控对象、作动器、控制器、测量系统、能源及附加子系统组成,其中控制器、作动器和传感器是ANVC技术的关键部件,决定了AN VC的发展水平。

控制器是主动控制系统中的核心环节,可分为前馈控制器和反馈控制器。

前馈控制器适用于对特定扰动采取补偿措施的情况,具有响应快速的特点。

而反馈控制器则适用于在扰动因素较多且不可检测的情况,它能自行减少或消除扰动对输出的影响,特别适合于对复杂系统和参数不确定系统的控制,如隔振平台、柔性结构等[45]。

控制器用以实现所需的控制律。

控制律的设计基本沿用现代控制理论中已有的成果,同时信号处理领域的一些新成果也得到广泛的应用。

目前其设计方法基本上可以分为两部分:一类基于被控系统数学模型的方法,即事先了解被控系统的物理参数和内部结构,构造其精确的数学模型,基于此模型运用现代控制理论的设计方法获得最优的主动控制律,如模态控制、极点配置法、最优控制和鲁棒控制等。

另一类无需知道被控系统的结构,仅以其状态或输出作为反馈,由算法自身的寻优特性得到最优控制律,如自适应控制、智能控制等;或者由其状态和输出辨识出与系统!等价∀的数学模型,基于此模型设计反馈律,如自学习控制等。

文献[39,45-47]针对不同的控制方法给出了比较丰富的参考内容。

传感器是振动主动控制中的一个重要元件。

如果传感器不能精确测得系统的振动量,则不可能获得很好的控制效果。

常用的传感器一般有加速度传感器、速度传感器和位移传感器,力传感器的使用不多。

加速度传感器主要有压电、压阻和伺服式。

位移传感器主要有探针、线变量差动(LVDT)和线变量电感(LV IT)式。

速度传感器有非接触式和激光多普勒速度仪两种。

近年来,随着微电子机械加工技术的飞速发展,出现了光纤与M EMS(微电子机械系统)技术相结合的振动微传感器。

传感器越来越趋向小型化和灵巧化。

在功能完善的前提下,传感器的体积和重量大为减小,同时对复杂结构和环境条件下的适应能力也有很大提高。

并且出现了将结构、材料和传感器集成到一起的新概念产品[48~49]。

作动器也称为执行器,是实施振动主动控制的关键部件。

实用的作动器应该具有以下特点:较短的时间延迟,及控制信号到输出的主动控制力之间的时间延迟不能太大;输出信号和输入信号之间呈线性关系,不能发生过大的畸变;足够宽的频响;结构紧凑、质量小而输出力较大;性能可靠等。

传统上主要采用液压、气动、电动和电磁作动器。

由于体积、质量大,该类作动器多用于地面及固定系统的振动控制。

近年来,各种智能作动器在振动主动控制中也得到了大量的研究应用。

美国正在开发使用压电致动器的主动控制系统,将它置于潜艇(或飞机)壳体复合板之间对结构振动模态进行控制,使得振动能量转化为辐射效率很低的模态振动,从而降低潜艇壳体的声辐射[28,50]。

在结构中埋入形状记忆合金也可以实现振动和噪声的主动控制。

主动结构声控制的研究取得了显著效益,早在1991年弗吉尼亚工学院就成功研制了压电陶瓷主动结构声控系统,在系统中压电陶瓷可根据应用目的做成各种类型的驱动器。

智能作动器主要包括由电致伸缩材料、磁致伸缩材料、形状记忆合金、电流变液体及磁流变液体等机敏材料制成,多用于精密加工、精密测量中以及军事、航空领域等。

目前该类作动器都或多或少存在一些问题,如时滞性、变形小、可用频率小等。

但与传统的作动器相比,在获得同样作用力的情况下,它们的尺寸、重量要小得多,相对成本更低,在作动器布置上也更加方便。

随着非线性控制
器及机敏材料性能及作动器制作工艺的进步提高,智能作动器的应用必将更加广泛。

3 潜艇隐身设计中ANVC的应用展望 ANVC技术及相关技术的高速发展,使得我们能够在空间和有效载荷有限的潜艇中采取更多的主动控制措施,有效解决被动措施难以胜任的减振降噪问题。

为此,本文对未来潜艇声隐身设计中AN VC技术可能的应用作了一简单展望。

(1)电流变、磁流变液与传统隔振器(如浮筏)的结合使用。

通过控制电流变或者磁流变的特性,主动改变被动隔振器的刚度及阻尼特性,从而改进整个隔振系统的减振降噪效果。

目前国外已有在这方面的研究[17,51]。

此外也可以考虑采用可控空气、液力弹簧等传统主动隔振元件来代替被动隔振元件。

(2)采用效验质量块作动器、电磁作动器或智能作动器等,根据传感器所测量的振动频率和力,使重物以与此振动异相的方式运动,利用吸振原理消除作用在浮筏系统、或者艇壳等部位的剩余振动。

(3)采用压电等智能作动器设计体积能被潜艇所接受的可控流体脉动衰减器,使得它能够实时跟踪管道系统的脉动特性自适应调整衰减器结构参数,消除管道系统的有害的流体脉动噪声。

(4)采用磁致、压电等智能作动器制作有源隔振元件,代替体积庞大的浮筏等被动减振器,根据实时测量的安装部位的机械振动噪声源信息,产生主动激励,以抑制原有振动噪声向艇体结构的传递及向水中的辐射。

目前该类减振器存在的问题主要在于有效作用位移及频率范围还比较有限。

(5)采用具有良好性能的压电等智能材料制作传感器和执行器,将它置于消声瓦或连续性声学涂层中。

根据潜艇的不同航行工况所具有的不同辐射声和不同的主动声纳探测信号,采用主动式手段,自动调节消声瓦的隔声、吸声性能,使消声瓦工作在最佳状态。

(6)采用形状记忆合金、压电陶瓷等智能材料制作智能结构的潜艇壳体,改变潜艇壳体表面的振动模态,使之辐射效率降低,从而有效降低潜艇的辐射噪声;或者使其形状能够随潜艇的航行工况及流场特性进行变化,从而大幅降低潜艇的流噪声。

(7)利用有源消声措施消除排气系统、空调等部位及噪声较大舱室的空气噪声。

在潜艇隐身设计中应用ANVC技术的最终目的就是实现智能潜艇的概念。

在潜艇中将现代传感器、换能器、计算机、与智能控制技术结合于一体,根据实时测量的潜艇各部位机械噪声源信息、艇外的流噪声信息等,实施主动控制,从而最大限度地保证潜艇的声隐身性能。

目前国外军事发达国家已经开展了振动噪声主动控制技术的研究与应用。

美海军在#2000-2035年海军技术:成为21世纪的军队∃报告[52]中例举了潜艇将来需要重点关注的辐射噪声降低技术主要有:%主动基座技术、&隔离结构技术、∋先进的艇壳被覆技术(如自适应消声瓦技术)、(双壳建造技术、)武器发射瞬间噪声降低技术等。

除了&、(两项外,其余基本上都与ANVC技术有关,由此可见ANVC技术对于改善潜艇的声隐身性能具有非常重要的意义。

但鉴于潜艇声隐身性在海军作战中的重要性,在各国公开发行的文献资料上鲜有ANVC 技术在潜艇隐身设计方面的详细介绍。

这就要求我们跟踪当前潜艇声隐身技术的先进潮流,消化吸收先进技术,分阶段有步骤地应用到我国潜艇的隐身设计当中,努力提高我国潜艇的声隐身技术水平。

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