國(guó)外振動(dòng)噪聲有源控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

劉小玲，王旭，郭瑩，劉亞鳳

（中國(guó)船舶信息中心信息資源部，北京 100192）

0 引言

有源控制技術(shù)最早起源于20世紀(jì)30年代，并在20世紀(jì)80年代中期至90年代中期達(dá)到高潮。這項(xiàng)技術(shù)主要擅長(zhǎng)于控制低頻振動(dòng)噪聲，與傳統(tǒng)的無(wú)源噪聲控制方式互補(bǔ)性極強(qiáng)，具有低頻范圍效果好、體積小、對(duì)被控系統(tǒng)物理特性影響小、安裝設(shè)計(jì)方便，能適應(yīng)未知擾動(dòng)，以及系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)參數(shù)不確定性等優(yōu)點(diǎn)，為控制低頻噪聲開(kāi)辟了一個(gè)新的發(fā)展方向，成為振動(dòng)噪聲控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

目前，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)展了振動(dòng)噪聲有源控制技術(shù)的研究與應(yīng)用。美海軍在《2000～2035年海軍技術(shù):成為21世紀(jì)的軍隊(duì)》中列出了潛艇將來(lái)需要重點(diǎn)關(guān)注的輻射噪聲降低技術(shù)，主要有:①主動(dòng)基座技術(shù);②隔離結(jié)構(gòu)技術(shù);③先進(jìn)的艇殼被覆技術(shù)（如自適應(yīng)消聲瓦技術(shù)）;④雙殼建造技術(shù);⑤武器發(fā)射瞬間噪聲降低技術(shù)等。除了②、④兩項(xiàng)外，其余基本上都與有源控制技術(shù)有關(guān)。

1 有源控制技術(shù)的分類與發(fā)展

根據(jù)具體控制方式的不同，有源噪聲控制技術(shù)可分為有源聲控制和有源力控制2種。

1．1 有源聲控制

在20世紀(jì)90年代以前，有源控制系統(tǒng)中一般采用聲源（如揚(yáng)聲器）產(chǎn)生次級(jí)聲場(chǎng)進(jìn)行控制（如圖1所示）。因此，這種有源控制方式被稱為有源聲控制，也被稱為“以聲消聲”。有源聲控制的研究在20世紀(jì)80年代中期至90年代中期達(dá)到高峰，以英國(guó)南安普頓大學(xué)的聲與振動(dòng)研究所（ISVR）的研究最為出色，研究成果主要應(yīng)用在船舶或者飛機(jī)的艙室、汽車(chē)駕駛室以及其他一些工作空間環(huán)境中。

圖1 有源聲控制結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Schematic of active control of vibration and noise

1．2 有源力控制

在工程實(shí)際中，有相當(dāng)一部分噪聲是由于結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射引起的。對(duì)于這類噪聲，人們?cè)噲D用有源聲控制的方法加以控制。然而理論研究結(jié)果表明，只有在極低的頻率下，用少量點(diǎn)聲源可以取得降噪效果。如果次級(jí)結(jié)構(gòu)振動(dòng)變得稍稍復(fù)雜一些，或激勵(lì)頻率稍微高一些，用點(diǎn)聲源來(lái)控制聲輻射就變得異常復(fù)雜，效果也不能令人滿意，于是人們開(kāi)始考慮通過(guò)一個(gè)次級(jí)力源控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)而控制結(jié)構(gòu)聲輻射，即有源力控制。后來(lái)，這種控制方法也被稱為“以力消聲”。很多國(guó)家對(duì)這種控制方法進(jìn)行了重點(diǎn)研究。

1）美國(guó)

美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)振動(dòng)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室的C．R．Fuller等人從1985年開(kāi)展了用次級(jí)力源控制結(jié)構(gòu)聲輻射或聲傳輸?shù)难芯?，并稱這種方法為結(jié)構(gòu)聲有源控制（Active Structural Acoustic Control，ASAC）。他們的研究從簡(jiǎn)單梁、板結(jié)構(gòu)到復(fù)雜的圓柱殼，以及板殼復(fù)合結(jié)構(gòu)，許多研究成果都得到了具體的應(yīng)用，開(kāi)創(chuàng)了有源噪聲控制的新途徑。到20世紀(jì)90年代中期以后，這個(gè)研究機(jī)構(gòu)的工作逐漸深入，工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)向研究解決實(shí)際應(yīng)用中遇到的問(wèn)題。

在實(shí)際中，置于聲場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)的誤差傳感器會(huì)妨礙工作、布置不便，同時(shí)有限點(diǎn)的聲壓并不能代表結(jié)構(gòu)的聲輻射功率。因此，如何在結(jié)構(gòu)表面或聲場(chǎng)近場(chǎng)布置誤差傳感器（或稱為檢測(cè)傳感器）獲得結(jié)構(gòu)輻射聲功率信息，成為有源力控制的一個(gè)主要問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，誤差傳感器可以檢測(cè)聲壓參量，也可以檢測(cè)結(jié)構(gòu)參量，如振動(dòng)加速度、速度及位移、結(jié)構(gòu)應(yīng)力等，需要研究這些參量與輻射聲功率的映射關(guān)系及轉(zhuǎn)換關(guān)系。

同時(shí)，可以選用的次級(jí)力源類型有電動(dòng)制動(dòng)器、壓電陶瓷片、壓電聚偏乙烯（PVDF）薄膜等，因此，次級(jí)力源類型及個(gè)數(shù)對(duì)控制效果的影響也是一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容。

2）澳大利亞

關(guān)于有源力控物理機(jī)理的研究對(duì)控制器的設(shè)計(jì)優(yōu)化有直接的幫助，因此，從不同角度研究有源力控制的物理機(jī)理也受到人們的關(guān)注。近年來(lái)，澳大利亞海事平臺(tái)部進(jìn)行了相關(guān)研究。

針對(duì)潛艇結(jié)構(gòu)建立有源控制物理系統(tǒng)模型，在建模時(shí)考慮殼體周?chē)乃?fù)載，并且將模型兩端分別設(shè)計(jì)為半球殼和圓錐殼（如圖2所示），這樣的簡(jiǎn)化比以往單一的針對(duì)圓柱殼體研究更加貼近實(shí)際情況。初級(jí)力為模擬螺旋槳推進(jìn)器的軸向力，并通過(guò)繞殼體一周的T形PZT激振器來(lái)施加控制力（如圖3所示）。采用了前饋主動(dòng)控制策略進(jìn)行控制，在這種控制策略下，剛性結(jié)構(gòu)結(jié)合激振器能產(chǎn)生幅值足夠的控制力矩來(lái)降低低頻時(shí)潛艇殼體總的輻射聲壓。經(jīng)過(guò)對(duì)仿真結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，這個(gè)控制系統(tǒng)可以使前三階軸向模態(tài)的輻射聲壓得到有效控制，衰減幅度可達(dá)三分之二。

此外，澳大利亞海事平臺(tái)部還分析了不同的控制力作用位置對(duì)控制效果的影響，通過(guò)比較分析了線形控制力矩與點(diǎn)狀控制力矩的控制效果，發(fā)現(xiàn)二者的結(jié)果非常相似，表明用點(diǎn)力取代線性力進(jìn)行控制是可行的，這一結(jié)論對(duì)于將有源控制技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際的工程中有很大的推動(dòng)作用。

3）英國(guó)

英國(guó)也非常注重有源控制技術(shù)的研究。作為“機(jī)敏”級(jí)攻擊型潛艇的主要設(shè)計(jì)研發(fā)單位，英國(guó)BAE系統(tǒng)公司在2008年1月與謝菲爾德大學(xué)正式簽署為期5年的合作協(xié)議，成立了主動(dòng)控制研究中心（CRAC），就提高潛艇的聲隱身能力，聯(lián)合開(kāi)展技術(shù)研發(fā)，降低潛艇的聲信號(hào)，為BAE系統(tǒng)公司研制潛艇提供技術(shù)保障。

目前，該研究中心的研究主要集中在以下3個(gè)方面:

①選擇性阻尼

選擇性阻尼屬于主動(dòng)阻尼技術(shù)，主要用來(lái)降低潛艇艇體的振動(dòng)噪聲。圖4為選擇性阻尼的1個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，長(zhǎng)約2 m，重50 kg，圖上模型前端是一個(gè)170 N的激振器用來(lái)模擬螺旋槳的擾動(dòng)輸入，控制力是通過(guò)安裝在另一頭的1個(gè)50 N的激振器來(lái)施加。在這個(gè)模型上還安裝了15個(gè)加速度傳感器，用于測(cè)量振動(dòng)的頻率、振幅等信息，隨后將振動(dòng)信息輸入到數(shù)字信號(hào)處理器中，信號(hào)處理器利用設(shè)定好的控制算法計(jì)算出正確的波形輸給控制激振器，然后通過(guò)控制激振器消除艇體的振動(dòng)。

圖4 選擇性阻尼試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.4Small scale model of selective damping

圖5 選擇性阻尼試驗(yàn)結(jié)果Fig.5The result of selective damping's experimentation

圖5是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)對(duì)比控制前后殼體在某一共振頻率下的振動(dòng)幅值分布，可以看出控制效果還是非常明顯的。在這個(gè)小的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕线M(jìn)行試驗(yàn)，不斷對(duì)控制算法進(jìn)行有效優(yōu)化，并確定激振器和誤差傳感器的最優(yōu)布放位置，是實(shí)船試驗(yàn)必不可少的一個(gè)準(zhǔn)備階段。

隨后，主動(dòng)控制研究中心又做了第2個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀５?個(gè)模型重約5 t，沒(méi)有披露具體的尺寸，但是特別指出，與第1個(gè)模型相比，為了更加貼近實(shí)船情況，其密度大了很多。第2模型實(shí)驗(yàn)時(shí)控制輸入的是2個(gè)約50 N的激振器，試驗(yàn)采用了8個(gè)加速度傳感器。在第2個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕?，發(fā)現(xiàn)了451 Hz與511 Hz 2個(gè)共振頻率，針對(duì)這2個(gè)共振頻率，他們分別進(jìn)行了單、雙模態(tài)控制試驗(yàn)。

在第2個(gè)模型之后，研究中心還成功完成另1個(gè)重35 t模型的試驗(yàn)。2001年，研究中心在1艘排水量為4 500 t的實(shí)艇上成功地進(jìn)行了全尺寸的試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

在全尺寸實(shí)驗(yàn)時(shí)采用了8個(gè)均為170 N的激振器進(jìn)行控制，但是由于在試驗(yàn)時(shí)有2個(gè)激振器沒(méi)有工作，所以試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的理想。圖6中試驗(yàn)結(jié)果圖的縱坐標(biāo)為加速度級(jí)，橫坐標(biāo)為頻率，他們認(rèn)為頻率尺度涉及到了商業(yè)機(jī)密，所以沒(méi)有透露。通過(guò)這個(gè)全尺寸的試驗(yàn)，研究中心認(rèn)為，選擇性阻尼不但有效而且還具有一個(gè)容錯(cuò)性能。

圖6 選擇性阻尼全尺寸試驗(yàn)結(jié)果Fig.6Suppression of thrust block resonance—full-scale vessel

通過(guò)一系列試驗(yàn)，該研究中心認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于大型艦船結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲，特別是低頻噪聲的控制效果十分理想，并且實(shí)現(xiàn)了很多被動(dòng)措施達(dá)不到的控制效果。主動(dòng)控制研究中心正對(duì)其開(kāi)展進(jìn)一步的研究，對(duì)自動(dòng)校準(zhǔn)和適應(yīng)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，用來(lái)處理不確定的、隨時(shí)間變化的振動(dòng)噪聲，使其能在實(shí)艇上得到應(yīng)用。

②智能彈簧支座

研究中心針對(duì)抑制殼體的振動(dòng)噪聲輻射研究雖然取得了一些成果，但是并沒(méi)有就此滿足，他們還考慮追溯到振動(dòng)的源頭進(jìn)行控制，進(jìn)一步降低艇體噪聲輻射。

圖7 智能彈簧的隔振性能提高Fig.7Improvement due to a smart spring Mounting System

目前，大型船用機(jī)械通常安裝在1個(gè)浮筏上，浮筏再由船體上的1套彈性橡膠底座與艇體連接，這些橡膠底座對(duì)于浮筏與船體間的振動(dòng)傳遞起到一定隔離作用，但是畢竟是一種被動(dòng)的隔振方式，在共振頻率處的隔振效果并不理想（如圖7所示）。這些共振會(huì)對(duì)船體產(chǎn)生很大的作用力，并產(chǎn)生一些特征信號(hào)。從這個(gè)頻幅圖上可以看出，特別在低頻時(shí)，被動(dòng)隔振效果非常不好，會(huì)產(chǎn)生很大的共振峰。針對(duì)這一情況，研究中心提出了智能彈簧支座系統(tǒng)，如圖8所示。

圖8 智能彈簧支座結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8Prototype actuator for a smart spring mounting system

智能彈簧支座屬于單自由度隔振裝置，是一種典型的主被動(dòng)聯(lián)合控制方式，與之前的主動(dòng)隔振裝置最大的不同之處是:不但可以實(shí)現(xiàn)局部控制，還可以完成全局控制。從圖9中智能彈簧支座的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，與單純的被動(dòng)控制相比，這個(gè)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)大約30 dB的衰減，基本可以實(shí)現(xiàn)對(duì)支座的零剛度要求。

圖9 主動(dòng)與被動(dòng)響應(yīng)結(jié)果Fig.9Active and passive mount response

③六自由度主動(dòng)支座

關(guān)于單自由度的主動(dòng)隔振研究技術(shù)已經(jīng)很成熟，但是離實(shí)際應(yīng)用還是有一定距離，所以又開(kāi)始了一個(gè)新的研究——六自由度主動(dòng)支座系統(tǒng)。

圖10 六自由度支座結(jié)構(gòu)示意圖Fig.106 degrees smart spring mounting system

開(kāi)展這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究的主要目的就是為了進(jìn)一步改進(jìn)主動(dòng)隔振技術(shù)方案，以便將來(lái)在實(shí)船上得到應(yīng)用。該試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)如圖10所示。從圖中可見(jiàn)，模型頂端用1個(gè)170 N的激振器模擬船用機(jī)械振動(dòng)，中間是1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的艦用隔振橡膠，周?chē)?個(gè)30 N的電動(dòng)力式激振器，通過(guò)這6個(gè)像腳一樣伸出來(lái)的電動(dòng)力式激振器來(lái)實(shí)現(xiàn)六自由度的控制。與前面的單一自由度的情況相比，這個(gè)模型的控制系統(tǒng)要復(fù)雜的多，至少需要6個(gè)加速度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)振動(dòng)傳遞，因此就有6個(gè)輸出信號(hào)、6個(gè)輸入信號(hào)。針對(duì)這一情況，在控制算法上選用了重復(fù)控制算法。這種算法的優(yōu)點(diǎn)在于，在反饋系統(tǒng)中，對(duì)于周期性外激勵(lì)信號(hào)的跟蹤或者抑制具有很高的控制性能。通過(guò)試驗(yàn)證明，在這種控制算法下，加速度的最大衰減量可以達(dá)到50 dB。這個(gè)結(jié)論證明了重復(fù)控制算法具有很大的潛在開(kāi)發(fā)價(jià)值，為以后的實(shí)船試驗(yàn)積累了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

2 結(jié)語(yǔ)

1）有源控制系統(tǒng)物理機(jī)理的研究對(duì)控制器的設(shè)計(jì)優(yōu)化有直接幫助。而且通過(guò)跟蹤分析具有代表性研究學(xué)者的研究歷程發(fā)現(xiàn)，關(guān)于有源控制系統(tǒng)物理機(jī)理的研究通常是從簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)開(kāi)始，逐漸發(fā)展到復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

2）主/被動(dòng)聯(lián)合控制技術(shù)將成為未來(lái)的主要發(fā)展方向，這樣不僅可以最大限度地降低潛艇的噪聲，也可以在主動(dòng)控制系統(tǒng)失效的情況下，潛艇仍然可以利用被動(dòng)控制技術(shù)保持較低的噪聲水平。

3）英國(guó)BAE系統(tǒng)公司與謝菲爾德大學(xué)采取合作的方式，開(kāi)展主動(dòng)控制技術(shù)研究，這樣既可以利用企業(yè)豐富資金優(yōu)勢(shì)，又可以利用大學(xué)科研機(jī)構(gòu)所具有的人力資源和創(chuàng)新精神，使兩者能很好的結(jié)合起來(lái)，更好地促進(jìn)新型減振降噪技術(shù)的研究，這種合作方法值得借鑒。

4）主動(dòng)控制技術(shù)成為當(dāng)前研究隱身技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，但是國(guó)內(nèi)是在20世紀(jì)80年代才開(kāi)始引入這項(xiàng)技術(shù)，由于基礎(chǔ)薄弱，發(fā)展緩慢。從BAE系統(tǒng)公司的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，由總體研究單位組織開(kāi)展這類的研究無(wú)論是對(duì)于技術(shù)研發(fā)還是應(yīng)用推廣都具有很大優(yōu)勢(shì)。

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