潛艇振動控制技術研究進展

姜海龍，艾夏禹，劉麗濱，楊理華

（海軍潛艇學院，山東青島 266199）

0 引言

潛艇的隱蔽性和機動性使其具有巨大威懾力量和攻擊力量。但其在航行過程中，機械設備運行會產(chǎn)生振動，并通過殼體對外形成輻射噪聲，這將極大地影響潛艇聲隱身性能。因此，降低潛艇輻射噪聲、提高隱身能力是各軍事大國都極為重視和大力發(fā)展的關鍵技術。美國海軍還在《2000—2035年海軍技術——潛艇平臺技術》報告中將潛艇聲隱身技術列為重點發(fā)展技術之首。隨著我海軍戰(zhàn)略轉型和遠洋航行需求，也亟待快速加強潛艇隱身性能建設。

目前，潛艇對外輻射噪聲來源主要有：潛艇結構所致水動力噪聲；潛艇螺旋槳旋轉產(chǎn)生噪聲；潛艇內部機械設備運行所致艇體噪聲。前兩種噪聲與結構設計直接相關，一旦結構定型，對其不易實時控制。實際上，艇用設備一般為旋轉或往復式機械，由其所致的振動信號低頻線譜特征明顯，輻射噪聲傳遞較遠，具有較大危害，是影響潛艇隱身性能的主要因素之一。因此，當前研究主要聚焦于內部機械設備振動噪聲控制，是潛艇聲隱身技術研究的熱點問題之一。然而，該方式雖在一定程度上抑制了振動傳遞，但不能完全有效降低潛艇殼體結構振動，若激振信號與殼體模態(tài)頻率接近還有可能放大振動，進而通過潛艇殼體向外更嚴重地輻射噪聲。此外，現(xiàn)有研究評價指標主要以減小傳遞至基礎振動為目標，受海洋環(huán)境效應影響，潛艇輻射噪聲應以近場/遠場聲目標強度為指標，這是亟待需解決的問題之一。

隨著減振降噪工作深入開展，前期研究已為解決上述問題提供良好基礎和積累，也為從全局角度開展?jié)撏んw結構振動輻射噪聲控制提供了思路。為此，本文從被動隔振、主動控制、隔振執(zhí)行機構以及控制策略4個方面，涵蓋了振動傳遞路徑各過程環(huán)節(jié)，較為系統(tǒng)地闡述了潛艇振動噪聲控制方法、途徑及研究現(xiàn)狀，以期為潛艇設計和研究人員提供有益參考和借鑒，具有重要的理論研究和工程應用價值。

1 隔振技術研究現(xiàn)狀

隔振作為降低設備振動的有效措施，可分為被動隔振和主動控制。傳統(tǒng)被動隔振以容易設計、不需外置能源、方便安裝且價格經(jīng)濟等優(yōu)點，在艦船、車輛等領域有廣泛應用，但低頻隔振效果還不夠理想。主動控制是在被動隔振中引入次級能量，通過執(zhí)行裝置與隔振器串聯(lián)或并聯(lián)實現(xiàn)能量消減，主動控制往往具有較好的中低頻振動控制效果，由于其包含執(zhí)行機構、控制算法等環(huán)節(jié)，相對較為復雜，但其工程應用前景十分廣泛。

1.1 被動隔振現(xiàn)狀

目前，實艇上應用較多的被動隔振主要為單層隔振、雙層隔振及浮筏隔振。單層隔振通過在振源設備和基座間安裝具有彈性的隔振器實現(xiàn)能量耗散，減少傳遞至基礎的振動。單層被動隔振原理如圖1所示。

圖1 單層隔振原理Fig.1 The principle diagram of the single layer vibration isolation

與之相比，雙層隔振隔振效果更好，但是對實艇安裝空間要求較為苛刻。浮筏隔振是將多個振源設備通過單層隔振安裝在一個中間筏架上，然后中間筏架再通過隔振裝置固定于船體。浮筏隔振可有效節(jié)省船體空間且整體控制效果較好，但在振源設備較少且分散時不太實用。浮筏隔振本質上屬于雙層隔振，其低頻隔振效果仍有所不足[1]。20 世紀60 年代初，美國核潛艇在推進系統(tǒng)中使用浮筏隔振后，艇體結構噪聲降低15～20 dB。20世紀80年代中期，“洛杉磯”級攻擊型核潛艇輻射噪聲已降至118 dB，而“海狼”級攻擊型核潛艇噪聲達到90～100 dB，己低于三級海況海洋背景噪聲（110～120 dB）。20世紀90年代，俄羅斯在潛艇上使用工字梁框架式浮筏系統(tǒng)，也取得了較好隔振效果。此外，英國“機敏”號核潛艇和“特拉法爾加”級潛艇動力裝置上使用彈性筏架結構后，其聲隱身性能大幅提升。

被動隔振優(yōu)點較多但仍有不足，例如存在低動剛度和失穩(wěn)的矛盾。目前，被動隔振在理論及試驗方面已較為成熟，Snowdon[2]在理論上較為全面地描述被動隔振原理，即當激勵頻率與固有頻率之比大于1.4倍時才有隔振效果。Rivin EI[3]還針對隔振問題中動態(tài)特性、隔振器設計等方面進行了深入地研究。嚴濟寬[4]還系統(tǒng)探索了隔振基本理論與設計方法。廖道訓[5]建立了主輔機隔振系統(tǒng)動力學模型。實際上，被動隔振已在船舶、航空航天、車輛等領域有成熟應用[6]。

1.2 主動控制現(xiàn)狀

1936 年Lueg 在一項專利中首次展示了有源噪聲控制設計，這為振動主動控制技術研究提供了基本思想。該應用是在管道中對聲波進行調控，如圖2所示。使用1個執(zhí)行器（揚聲器）和2 個傳感器（該應用中為2 個麥克風）。傳感器A 為參考傳感器，用于測量在管道擾動聲波信息，傳感器B 為誤差傳感器，用于監(jiān)測有源聲控制系統(tǒng)性能，主要為控制算法提供反饋信息。假設傳感器A 不與執(zhí)行器耦合，傳感器A 僅測量擾動。圖2所示結構稱為“前饋”，因為控制器根據(jù)從傳感器A 處獲得前饋信息向執(zhí)行器提供信號。若控制器工作正常，執(zhí)行器將產(chǎn)生調制聲波，用于抵消傳感器B 處的擾動聲波。在較小管道中可考慮平面波傳遞，管道內任何截面上聲場均勻分布，且傳感器B 到管道末端之間聲音將會衰減。盡管該方案十分簡單，但提出后一段時間內沒有較大發(fā)展。

圖2 管路中的聲波主動控制Fig.2 Active control of sound waves in pipes

根據(jù)上述原理，隨著數(shù)字信號處理技術發(fā)展，振動主動控制技術也日趨成熟，其涵蓋了多個復雜的學科領域，如結構動力學、信號處理、材料科學、機械振動、執(zhí)行器和傳感器等知識。目前，該技術備受關注，特別是針對低頻振動噪聲控制需求。

實際上，振動主動控制是一種利用次級能量來抵消系統(tǒng)原始振動的控制方法[7]。該方法解決了被動隔振矛盾，如器件運行效率、低頻振動、動態(tài)穩(wěn)定性、剛度等問題。主動控制技術可有效改變系統(tǒng)參數(shù)，其常用控制方法包括自適應濾波控制、PID控制、模糊邏輯控制等等。主動控制是在被控系統(tǒng)中引入次級振源，并通過控制算法實現(xiàn)波形疊加抵消，可分為純主動控制及混合隔振，原理如圖3～4 所示。其中，純主動控制需消耗較大能量同步控制靜態(tài)力和動態(tài)力，而混合隔振僅需較少能量控制動態(tài)力即可。

圖3 單純的主動控制Fig.3 Pure active control

圖4 混合隔振Fig.4 Hybrid vibration isolation

在振動控制領域，國外研究起步相對較早，發(fā)展也比較成熟，已有諸多成果用于工程[8－11]。例如，在機身中使用輕型振動源控制飛機內部噪聲，對轉子和變速箱進行主動控制減少直升機艙內噪聲，利用電子消聲器、發(fā)動機支架衰減汽車發(fā)動機噪音。通過結構振動主動控制抑制大風或地震所致建筑物振動，或用于防止大型橋梁顫振受損。此外，主動控制還可用于對振動比較敏感的儀器設備上，如外科顯微鏡、電子設備、激光及磁盤驅動器等。在軍事上，美國新型海狼級核潛艇裝備有源隔振系統(tǒng)后，具有良好的聲隱身性能[12]，其還研發(fā)了浮筏智能彈簧和主動隔振緩沖裝置，前者能抑制浮筏柔性中高頻諧振效應，并提高低頻隔振效果，而后者能降低核潛艇50%～70%的沖擊載荷[13]。瑞典Karlskrona/Ronneby大學還設計了慣性主動隔振裝置，可有效降低護衛(wèi)艦殼體結構振動所致輻射噪聲[14]。Winberg[15]還開展了Collins 級潛艇主動控制咨詢項目研究。

與此同時，國內多個研究單位也在開展噪聲及振動主動控制研究工作。例如：哈爾濱工程大學楊鐵軍團隊[16]系統(tǒng)闡述了主動隔振研究與發(fā)展；華中科技大學李維嘉[17]對船舶振動主動控制進展進行了研究；海軍工程大學蘇攀[18]系統(tǒng)分析了國內外自適應振動主動控制策略和方法。目前，各國學者主動控制研究主要聚焦于兩個方面：一是主動控制執(zhí)行機構，其決定了振動控制可行性和效率；二是控制策略，這是主動控制核心所在，決定了控制系統(tǒng)穩(wěn)健性和控制效果。

1.3 執(zhí)行機構現(xiàn)狀

艦船振動控制中使用的執(zhí)行機構（或作動器）要求較高，一般需要輸出力大、頻帶寬、結構緊湊、非線性度低等特點。目前，國內外研究常用執(zhí)行機構主要有以下幾種。

（1）氣動/液壓作動器[19]利用氣體或液體壓力進行傳動，主要用于低頻振動且對需較大輸出力場合。其缺點是執(zhí)行機構體積質量大、時滯較大、控制精度較低，另外在氣動作動器中，空氣的壓縮將影響執(zhí)行精度。

（2）電磁作動器[20]利用磁和鐵相互作用產(chǎn)生電磁力，當將交流電引入激勵線圈時，會產(chǎn)生變化磁場，使動子做往復運動。電磁作動器應用較廣泛，具有時滯低、控制簡單等特點，一般用在輸出力不太大但對頻率要求較高場合，例如飛機、船舶及實驗室精密儀器設備振動控制等。

（3）壓電作動器[21]主要靠電壓產(chǎn)生壓力，主要分為薄膜型和堆積型，其中堆積型更適用于主動隔振，具有結構簡單、電壓與壓力轉換率高等特點，常用于振動頻率較高、輸出力不需要太大場合。但輸出存在時延、時滯和非線性等問題，對控制算法要求較高。

（4）磁致伸縮作動器[22]具有伸縮應變大、工作頻帶寬、輸出力大、驅動電壓低、速度快等優(yōu)點，可在高頻、需要大輸出力等場合進行隔振工作，但輸出也有時延和時滯等問題，故對控制器軟硬件要求較高。

近年來，用于振動主動控制的執(zhí)行機構正朝著材料新穎、性能更佳、集成度更高的方向發(fā)展。例如，在艦船隔振技術領域，海軍工程大學何琳等[23]研制出基于磁懸?。瓪饽业闹鞅粍踊旌细粽裱b置，該項隔振器控制力需求小，裝置穩(wěn)定性好，具有較好的寬頻隔振和低頻線譜振動控制效果。

1.4 振動控制策略現(xiàn)狀

目前，在振動控制領域，控制策略主要包括兩類[24]，一類需要較為精確的被控對象模型，如PID、魯棒等基于狀態(tài)空間的控制方法；另一類不需精確被控對象，直接利用算法尋優(yōu)，如自適應控制、神經(jīng)網(wǎng)絡等。針對主動控制算法，研究人員還提出諸多自適應算法[25]，其中經(jīng)典算法是基于LMS 最小均方的濾波自適應法，該算法具有結構簡單、效果明顯等優(yōu)點[26]，應用十分廣泛。

實際上，早在1987 年國外學者就將自適應算法引入主動控制領域。如Elliott S J[27]基于LMS 算法獲得較好的振動噪聲控制效果。Burdisso R A、Fuller C R等[28－29]提出基于LMS 算法自適應主動控制前饋型策略，可明顯抑制結構振動所致噪聲。隨著LMS 自適應算法研究與發(fā)展，其改進算法相繼被提出，例如歸一化算法、符號算法、塊LMS 算法、變步長算法等，應用也較為廣泛[30－31]。國內學者也深入研究變步長LMS算法，武漢大學張紅梅[32]提出變步長LMS 算法并用于水位監(jiān)測，取得很好的監(jiān)測效果。西安交通大學牛群[33]提出改進變步長LMS 算法，增強了算法抗噪抗干擾能力，在消噪系統(tǒng)中取得較好控制效果。Y He、R K Thenua[34－35]還分析了LMS及其改進型NLMS算法性能，結果表明新算法收斂速度更快。

此外，由于次級通道的存在[36]，LMS算法直接用于振動主動控制，會使參考信號和誤差信號在時間上不一致，將造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。Morgan[37]在參考傳感器到LMS 算法濾波器間加入次級通道估計模型，將參考信號延時操作，使參考信號和誤差信號時序保持一致，也稱為濾波自適應FxLMS 算法。目前，該算法受到極大關注，其經(jīng)典型及改進型工程應用前景廣泛。合肥工業(yè)大學蘇雨[38]將反饋型FxLMS 算法用于空調室內柜機主動降噪，并引入非線性濾波器，結果表明非線性反饋FxLMS 算法的低頻主動降噪效果優(yōu)于線性反饋FxLMS 算法。Lei Luo[39]還提出改進PmLMS 算法，應用于車輛內部降噪，結果表明該算法降噪效果優(yōu)于FxLMS 算法，工程應用潛在價值較大。

在提高算法收斂速度、穩(wěn)定性和次級通道辨識準確度研究同時，還有諸多針對實際工程特定問題提出的主動控制算法。例如，劉錦春[40]針對主動控制中因條件限制無法獲得精確參考信號、算法性能下降等問題，提出一種基于FXRLS算法的反饋式振動主動控策略，實驗表明該算法具有更強魯棒性，且可在精確參考信號無法獲得時，取得較好控制效果。朱曉錦[41]針對前饋控制系統(tǒng)中需要輸入?yún)⒖夹盘柕木窒?，提出一種摒棄參考信號的方法，從誤差信號中提取與初級振動相關的變量取代參考信號，從而解決前饋控制系統(tǒng)參考信號不易獲取等問題。樓京俊等[42]為補償控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構時滯，提出移相控制算法，仿真表明該方法也可取得較好的控制效果。

盡管LMS 算法及改進形式已被廣泛證明有效，但它主要針對線性控制系統(tǒng)，故應用還有局限性。實際上，當控制系統(tǒng)出現(xiàn)非線性時，基于LMS 算法的線性濾波控制器效果可能失效。振動控制系統(tǒng)中常見非線性環(huán)節(jié)就是作動器，在工作頻率范圍以外（或接近限制）時，通常存在非線性響應[43]。當控制系統(tǒng)包含是非線性環(huán)節(jié)時，也會產(chǎn)生非線性動力學特性。因此，在這些情況下需要設計非線性控制器，提高系統(tǒng)控制性能。

近年來，神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）等非線性方法以其泛化性能好等優(yōu)點，越來越受到關注。K S Narendra[44]首先提出利用ANN 進行非線性前饋控制思想，隨后其他學者對該問題進行了深入研究。Hassan Youserfi[45]提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡算法的補償器，并將其應用于同步電機振動主動控制，結果表明該方法抑制振動效果較好。邱志成[46]利用PD控制和自適應RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)絡算法，研究旋轉柔性鉸接梁振動主動控制，結果表明該方法能夠有效抑制鉸接梁振動。楊慶超[47]提出一種柔性神經(jīng)網(wǎng)絡滑膜控制算法，雙層隔振系統(tǒng)振動主動控制表明，該算法具有較強魯棒性和控制效果。崔明月[48]針對雙層隔振系統(tǒng)參數(shù)時變等問題，提出一種神經(jīng)網(wǎng)絡混合遺傳算法控制策略，結果表明遺傳算法提高了全局搜索速度、精度以及收斂速度。

2 結束語

目前，世界各海軍強國在潛艇減振降噪及聲隱身技術研究方面，已取得顯著成果。與之相比，我國在該方面研究還相對較慢，雖然部分研究團隊取得了一些成就，但與世界先進國家潛艇相比仍然存在差距。借力海軍轉型發(fā)展需求，大力開展?jié)撏p振降噪和聲隱身新裝備、新技術理論研究和應用探索工作，實現(xiàn)新型功能材料、高性能執(zhí)行器件、被動隔振、主動控制等技術有機組合。未來潛艇聲隱身技術，將從單臺機械設備振動噪聲控制向整艇全局控制發(fā)展，具體將是從剛性體結構向彈性體結構、從單點振動控制向多點振動控制、從單通道局部控制向多通道全局控制、從傳統(tǒng)控制方法向智能控制方法、從點振動評價向聲目標強度評價不斷轉變。因此，本研究工作具有重要的軍事意義和應用價值，可為研究人員提供系統(tǒng)的知識參考和借鑒，能間接提升潛艇聲隱身能力。