航空無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)降噪分析

于濤 閻雷雨

摘要：為有效解決航空無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)噪聲過大問題，設(shè)計(jì)了低噪聲無人機(jī)系統(tǒng)與動(dòng)力系統(tǒng)降噪裝置。由于噪聲是基于震動(dòng)生成的，因此低噪聲無人機(jī)系統(tǒng)利用震動(dòng)采集裝置采集電機(jī)震動(dòng)頻率，以逆壓電效應(yīng)，控制器以震動(dòng)頻率控制裝置生成與其相反的反向震動(dòng)，以此與電機(jī)震動(dòng)相互抵消，實(shí)現(xiàn)噪聲控制。而降噪裝置與無人機(jī)主體側(cè)端四個(gè)角度均衡等距銜接的連接桿頂端相互對(duì)接，風(fēng)扇固定安裝于其上端，固定板固定于其內(nèi)部，彈簧安設(shè)于固定板上端，減震板配置于彈簧上層，橡膠皮墊安置于減震板上端?；陲L(fēng)扇裝置可實(shí)現(xiàn)降噪整體性能優(yōu)化，基于降噪裝置可實(shí)現(xiàn)減振綜合性能提升，以此使得航空無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效降噪。

關(guān)鍵詞：航空;無人機(jī);動(dòng)力系統(tǒng);降噪

中圖分類號(hào)：V279

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）06-0176-03

既有航空無人機(jī)由于結(jié)構(gòu)與材料等各種客觀因素，在飛行時(shí)極易生產(chǎn)過大噪聲，然而在現(xiàn)代化無人機(jī)實(shí)際應(yīng)用中，其中部分對(duì)于無人機(jī)噪聲的要求十分明確嚴(yán)格，即需基于低噪聲環(huán)境采集圖像，無人機(jī)飛行位置過高，圖像采集清晰度將會(huì)降低，飛行位置過低，則會(huì)生成較大噪聲。航空無人機(jī)噪聲的主要來源是動(dòng)力系統(tǒng)的電機(jī)，電機(jī)高速運(yùn)行導(dǎo)致其艙內(nèi)出現(xiàn)震動(dòng)現(xiàn)象，以此引發(fā)過大噪聲[1]。據(jù)此，面向電機(jī)噪聲，設(shè)計(jì)了低噪聲無人機(jī)系統(tǒng)與降噪裝置，以期能在不影響無人機(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，有效實(shí)現(xiàn)降噪目標(biāo)。

1 航空無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)分析

1.1 動(dòng)力系統(tǒng)特性

電動(dòng)固旋翼無人機(jī)任務(wù)剖面主要分為垂直起降、過渡轉(zhuǎn)換和水平飛行3個(gè)階段。垂直起降階段只有四旋翼動(dòng)力系統(tǒng)起動(dòng)，過渡轉(zhuǎn)換階段固定翼推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)起動(dòng)并逐漸增大電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速用以無人機(jī)的水平加速，四旋翼動(dòng)力系統(tǒng)維持無人機(jī)的姿態(tài)穩(wěn)定且電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸降低，當(dāng)無人機(jī)水平速度達(dá)到巡航速度時(shí)，四旋翼電動(dòng)機(jī)徹底關(guān)閉，進(jìn)入水平飛行階段。

航空無人機(jī)的飛行剖面，即垂直起降、過渡轉(zhuǎn)換、水平飛行。其中，垂直起降階段只涉獵四旋翼動(dòng)力系統(tǒng)起動(dòng)，過度轉(zhuǎn)換階段可促使動(dòng)力系統(tǒng)起動(dòng)，且逐步加大電機(jī)轉(zhuǎn)速，以無人機(jī)水平加速度，動(dòng)力系統(tǒng)維持無人機(jī)姿勢(shì)穩(wěn)定性，動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐步下降，在無人機(jī)水平速度逐漸上升到巡航速度，電機(jī)則完全關(guān)閉，開始水平飛行。由此可知，垂直起降與水平飛行環(huán)節(jié)，航空無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行處于彼此獨(dú)立形態(tài)，而過渡階段時(shí)動(dòng)力系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，但此階段耗時(shí)非常短。為避免推進(jìn)槳轉(zhuǎn)動(dòng)受干擾，電機(jī)系統(tǒng)一般分散分布，其中槳盤范圍不會(huì)重合，且為防止機(jī)體結(jié)構(gòu)影響螺旋槳升力，槳盤圓柱面所處范圍一般會(huì)與機(jī)體結(jié)構(gòu)相分離[2]。

1.2 動(dòng)力系統(tǒng)噪聲組成

無人機(jī)即通過無線電遙控設(shè)施與程序控制裝置操控不載人的人機(jī)。在無人機(jī)行業(yè)快速發(fā)展趨勢(shì)下，其需求順勢(shì)增大，無人機(jī)使用環(huán)境復(fù)雜，覆蓋范圍與人群較廣，安全穩(wěn)定防范要求較高。航空無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)噪聲主要是由旋翼氣動(dòng)噪聲與電機(jī)噪聲所構(gòu)成，就電機(jī)噪聲而言，主要是螺旋槳與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)造成震動(dòng)頻率，以此嚴(yán)重影響飛機(jī)控制系統(tǒng)，極易導(dǎo)致接收錯(cuò)誤信號(hào)，造成無人機(jī)失控，從而損壞或者墜毀。其降噪處理集中于電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與機(jī)械震動(dòng)噪聲降低層面[3]。

2 低噪聲航空無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

低噪聲航空無人機(jī)主要是機(jī)架與機(jī)臂構(gòu)成，基于機(jī)臂安設(shè)電機(jī)艙，艙內(nèi)電機(jī)以驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，且內(nèi)壁與底部設(shè)置震動(dòng)采集裝置，其以傳輸線為載體銜接控制器，控制器的作用即驅(qū)動(dòng)采集裝置發(fā)生自振，與電機(jī)震動(dòng)相互抵消。震動(dòng)采集裝置通過采集電機(jī)震動(dòng)頻率，并將其傳輸于控制器，控制器基于震動(dòng)頻率控制裝置生成與震動(dòng)頻率相反頻率的震動(dòng)，以此抵消電機(jī)震動(dòng)。通過低噪聲航空無人機(jī)，可有效降低航空無人機(jī)電機(jī)噪聲，且不會(huì)影響其質(zhì)量輕重。低噪聲航空無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[4]具體如圖1所示。

2.2 震動(dòng)采集裝置

震動(dòng)采集裝置基于壓電效應(yīng)感應(yīng)轉(zhuǎn)換電機(jī)機(jī)械震動(dòng)為電壓信號(hào)，不會(huì)受環(huán)境噪聲等的影響?？刂破魍ㄟ^電壓信號(hào)頻譜分析，獲得電機(jī)震動(dòng)頻率，據(jù)此生成反向頻率?？刂破饕苑聪蝾l率為載體生成對(duì)應(yīng)電壓信號(hào)，裝置通過逆壓電效應(yīng)生成反向震動(dòng)，以與電機(jī)震動(dòng)相互抵消，實(shí)現(xiàn)噪聲控制。

震動(dòng)采集裝置主要?jiǎng)澐譃榈谝徽饎?dòng)采集裝置與第二震動(dòng)采集裝置，前者安裝于電機(jī)與電機(jī)艙底部間;后者安裝于電機(jī)與電機(jī)艙側(cè)壁間，二者輸出端分別銜接于控制器。

2.3 壓電薄膜

由于單塊壓電薄膜生成的電壓、電荷信號(hào)過小，多塊壓電薄膜（聚偏氟乙烯制成）實(shí)現(xiàn)并聯(lián)可獲取較大電荷信號(hào)，且放大器可充分發(fā)揮作用放大壓電薄膜生成的微小信號(hào)。因此，選用多塊壓電薄膜，以并聯(lián)與放大器為載體，放大電壓、電荷信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)控制器有效控制噪聲。

聚偏氟乙烯制成壓電薄膜，溫度穩(wěn)定，使得電機(jī)高溫不會(huì)造成嚴(yán)重影響，且其機(jī)械性能強(qiáng)度高度，難以損壞，質(zhì)量輕，可避免影響航空無人機(jī)整體重量。

2.4 電機(jī)艙

電機(jī)艙側(cè)壁開設(shè)過線孔，震動(dòng)采集裝置傳輸線基于此與控制器相互對(duì)接，且便于艙內(nèi)電機(jī)與震動(dòng)采集裝置之間的合理布線。在艙底與側(cè)壁開設(shè)兩個(gè)過線孔，兩個(gè)震動(dòng)采集裝置傳輸線分別穿過過線孔，以銜接于控制器。同時(shí)，在頂部開設(shè)多個(gè)散熱孔，其可排除電機(jī)熱量，降低艙內(nèi)溫度。而且頂部設(shè)有軸承，傳動(dòng)軸基于其銜接于螺旋槳，以此可有效降低傳動(dòng)軸與電機(jī)艙之間的摩擦損耗，控制噪聲[5-6]。

2.5 噪聲控制流程

低噪聲航空無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)電機(jī)生成噪聲的有效控制流程[7]具體如圖2所示。

3 降噪裝置設(shè)計(jì)

3.1 降噪裝置結(jié)構(gòu)

航空無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)降噪裝置包含航空無人機(jī)主體，側(cè)端4個(gè)角度均衡等距配置連接桿;頂端安設(shè)降噪裝置;上端設(shè)置風(fēng)扇裝置;底端安裝支撐桿，支撐桿的底端配備滑輪。

降噪裝置內(nèi)部主要包含彈簧、底座、固定板、減震板、固定螺絲、電機(jī)、橡膠皮墊等，其中，固定板基于裝置內(nèi)部固定;固定螺絲則銜接于板上端4個(gè)角度;彈簧固定于板上端面;減震板固定于彈簧上端面;橡膠皮墊固定于減震板上端面;底座貫穿皮墊始終，固定于減震板上端面。