王 超, 韓 梅, 孫芹東, 蘭世泉

水下聲學(xué)滑翔機(jī)平臺(tái)噪聲測(cè)試與優(yōu)化

王 超1,2, 韓 梅1,2, 孫芹東1,2, 蘭世泉2,3

(1. 海軍潛艇學(xué)院, 山東 青島, 266199; 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島, 266237; 3. 天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 天津, 300350)

為了提高水下聲學(xué)滑翔機(jī)水中目標(biāo)探測(cè)能力, 更好地開(kāi)展矢量水聽(tīng)器在水下滑翔機(jī)上的應(yīng)用, 文中通過(guò)在消聲水池對(duì)現(xiàn)有“海燕-II”水下滑翔機(jī)進(jìn)行的自噪聲測(cè)試試驗(yàn), 定量分析了4種不同工況下平臺(tái)噪聲對(duì)矢量水聽(tīng)器各通道接收信號(hào)的影響, 由試驗(yàn)結(jié)果可知: 水下滑翔機(jī)上集成的矢量水聽(tīng)器接收信號(hào)會(huì)受到嚴(yán)重的平臺(tái)近場(chǎng)噪聲干擾, 特別在500 Hz以下的低頻段, 平臺(tái)噪聲對(duì)矢量水聽(tīng)器矢量通道的影響較大; 在40 Hz頻點(diǎn)處, 由于航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作對(duì)矢量水聽(tīng)器矢量通道具有最大58 dB的譜級(jí)升高。針對(duì)水下滑翔機(jī)平臺(tái)噪聲測(cè)量結(jié)果, 從5方面進(jìn)行了減振降噪處理和優(yōu)化, 測(cè)試結(jié)果表明, 平臺(tái)優(yōu)化后較之前由航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)矢量水聽(tīng)器產(chǎn)生的噪聲干擾大幅降低, 但在200 Hz以下的低頻段, 航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作對(duì)矢量水聽(tīng)器矢量通道仍具有較大的噪聲干擾。所得結(jié)論可為水下聲學(xué)滑翔機(jī)在進(jìn)行水中目標(biāo)探測(cè)時(shí)的頻率處理范圍選擇提供參考。

水下聲學(xué)滑翔機(jī); 矢量水聽(tīng)器; 平臺(tái)噪聲; 減振降噪

0 引言

近年來(lái), 隨著傳感器技術(shù)及水聲信號(hào)處理的發(fā)展, 水下滑翔機(jī)在水中目標(biāo)探測(cè)方面的應(yīng)用得到了高度重視。我國(guó)在水下滑翔機(jī)平臺(tái)集成聲學(xué)系統(tǒng)方面成果顯著, 中科院聲學(xué)所通過(guò)在水下滑翔機(jī)艏部艙段安裝聲矢量探測(cè)系統(tǒng), 并在2014年完成了湖上和海上測(cè)試試驗(yàn), 但試驗(yàn)只進(jìn)行了聲學(xué)系統(tǒng)對(duì)單頻信號(hào)的探測(cè)性能, 測(cè)試效果不理想且測(cè)試內(nèi)容不完善[4]。同年, 海軍潛艇學(xué)院和天津大學(xué)合作, 通過(guò)在現(xiàn)有“海燕-II”水下滑翔機(jī)平臺(tái)上集成矢量水聽(tīng)器, 成功研制出了可用于水中目標(biāo)探測(cè)的水下聲學(xué)滑翔機(jī)原理樣機(jī)[5]，如圖1所示。

圖1 水下聲學(xué)滑翔機(jī)示意圖

當(dāng)前, 水下滑翔機(jī)主要用于海洋環(huán)境觀測(cè)任務(wù)。聲學(xué)系統(tǒng)工作時(shí)對(duì)水下滑翔機(jī)平臺(tái)自噪聲非常敏感, 但涉及相關(guān)影響以及平臺(tái)減振降噪處理方面的研究則相對(duì)較少。中科院聲學(xué)所于2016年對(duì)水下滑翔機(jī)電池滑動(dòng)、油泵啟動(dòng)和電池滾動(dòng)3種工況條件下平臺(tái)噪聲進(jìn)行了測(cè)試[6-8], 由于測(cè)試過(guò)程中聲壓水聽(tīng)器沒(méi)有安裝在水下滑翔機(jī)平臺(tái)上, 沒(méi)有準(zhǔn)確測(cè)量到水下滑翔機(jī)電池滑動(dòng)過(guò)程的平臺(tái)噪聲, 且沒(méi)有提出平臺(tái)噪聲優(yōu)化方案。在南海某海域開(kāi)展的基于水下滑翔機(jī)平臺(tái)海洋環(huán)境噪聲觀測(cè)試驗(yàn), 由于平臺(tái)自噪聲影響, 導(dǎo)致800 Hz和1 600 Hz高頻段海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)大于100 Hz和200 Hz的低頻段[9]。為了更好地開(kāi)展矢量水聽(tīng)器在水下滑翔機(jī)平臺(tái)上的應(yīng)用工作, 海軍潛艇學(xué)院在消聲水池多次開(kāi)展了水下滑翔機(jī)各工況下的自噪聲測(cè)量試驗(yàn), 分析水下滑翔機(jī)平臺(tái)噪聲對(duì)矢量水聽(tīng)器各通道接收信號(hào)的影響, 并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了平臺(tái)減振降噪處理和優(yōu)化, 測(cè)試表明降噪處理后的水下滑翔機(jī)平臺(tái)自噪聲顯著降低, 這對(duì)提高水下聲學(xué)滑翔機(jī)水中目標(biāo)探測(cè)能力具有十分重要的意義。

1 水下滑翔機(jī)平臺(tái)噪聲分析

對(duì)水下滑翔機(jī)平臺(tái)各工況下的輻射噪聲進(jìn)行有效測(cè)量, 得到水下滑翔機(jī)自噪聲聲源分布及其特性是指導(dǎo)減振降噪措施的實(shí)施和平臺(tái)優(yōu)化的前提, 同時(shí)也是保證水下聲學(xué)滑翔機(jī)進(jìn)行水中目標(biāo)探測(cè)的關(guān)鍵。

一般來(lái)講, 水下滑翔機(jī)的自噪聲主要分為水動(dòng)力噪聲、螺旋槳噪聲和機(jī)械噪聲3大類(lèi)。水下滑翔機(jī)在剖面滑翔工作模式下最大水平滑翔速度約為1 kn, 且矢量水聽(tīng)器外部有聚氨酯導(dǎo)流罩保護(hù), 可將水動(dòng)力噪聲的影響控制到很小。同時(shí), 水下聲學(xué)滑翔機(jī)進(jìn)行水下目標(biāo)探測(cè)任務(wù)時(shí), 主要采用剖面滑翔工作模式, 只有發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)緊急上浮報(bào)警以及遇到其他突發(fā)狀況時(shí)才會(huì)啟動(dòng)螺旋槳。因此, 機(jī)械噪聲是水下滑翔機(jī)平臺(tái)噪聲的主要噪聲源。在整個(gè)水下滑翔機(jī)剖面滑翔工作階段, 姿態(tài)調(diào)節(jié)單元和浮力調(diào)節(jié)單元對(duì)機(jī)械噪聲的貢獻(xiàn)最大, 其中姿態(tài)調(diào)節(jié)單元包括俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分。俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過(guò)沿平臺(tái)中軸線前后移動(dòng)電池包進(jìn)行俯仰角調(diào)節(jié), 實(shí)現(xiàn)平臺(tái)上浮和下潛運(yùn)動(dòng); 而航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)則通過(guò)繞平臺(tái)中軸線轉(zhuǎn)動(dòng)電池包進(jìn)行橫滾角調(diào)節(jié), 當(dāng)滑翔機(jī)偏離計(jì)劃航向時(shí)完成航向控制。當(dāng)水下滑翔機(jī)下潛至最大工作深度時(shí), 油泵電機(jī)啟動(dòng)開(kāi)始工作, 將液油排到油囊以增加滑翔機(jī)平臺(tái)的浮力, 使其完成由下潛到上浮的過(guò)渡。水下滑翔機(jī)在剖面滑翔過(guò)程中, 俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和浮力調(diào)節(jié)單元只有在水面準(zhǔn)備下潛階段和水下最大工作深度準(zhǔn)備上浮階段工作, 而航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)則需一直工作來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整航向, 因此, 水下滑翔機(jī)機(jī)械噪聲中要著重考慮航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)自噪聲影響。

2 水下滑翔機(jī)聲學(xué)探測(cè)系統(tǒng)

水下滑翔機(jī)平臺(tái)可采集長(zhǎng)時(shí)間、大深度和大范圍的水中聲學(xué)數(shù)據(jù), 是開(kāi)展水中目標(biāo)探測(cè)的優(yōu)勢(shì)平臺(tái)之一, 很多研究成果已充分顯示了水下滑翔機(jī)平臺(tái)在水聲學(xué)領(lǐng)域的重要應(yīng)用前景[10-12]。海軍潛艇學(xué)院研制的水下聲學(xué)滑翔機(jī)搭載的聲學(xué)載荷為一種大深度同振式矢量水聽(tīng)器, 與聲壓水聽(tīng)器相比, 其提供了更加全面的聲場(chǎng)信息, 大大提高了聲場(chǎng)分析的能力, 在水下滑翔機(jī)平臺(tái)上集成單個(gè)矢量水聽(tīng)器即可實(shí)現(xiàn)水中目標(biāo)的全空間無(wú)模糊測(cè)向, 降低了平臺(tái)的搭載負(fù)擔(dān)和集成復(fù)雜度。

圖2為矢量水聽(tīng)器實(shí)物圖, 其設(shè)計(jì)指標(biāo)為: 工作頻帶20 Hz~5 kHz, 聲壓通道靈敏度級(jí)≥–192 dB (0 dB=1 V/μPa), 矢量通道靈敏度級(jí)≥–180 dB(1 kHz), 質(zhì)量約450 g(空氣中), 外形尺寸為66 mm×78 mm, 最大耐壓深度1 200 m。

圖2 矢量水聽(tīng)器實(shí)物圖

矢量水聽(tīng)器除了有大深度耐壓設(shè)計(jì)外, 各部分還進(jìn)行了電磁屏蔽處理, 可有效降低矢量水聽(tīng)器各通道自噪聲。圖3給出了矢量水聽(tīng)器在消聲水池測(cè)量得到的20 Hz~4 kHz頻帶范圍內(nèi)的自噪聲譜級(jí), 為了便于比較, 同時(shí)還給出了Knudsen曲線0級(jí)、1級(jí)、3級(jí)和6級(jí)海況下海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)隨頻率的變化曲線[13]。

本研究中所有數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)SPSS20.0軟件處理，以（±s）表示計(jì)量資料，兩組癥狀消失時(shí)間及β-HCG恢復(fù)時(shí)間的比較經(jīng)t檢驗(yàn)，計(jì)數(shù)資料采用百分比表示，兩組療效及不良反應(yīng)的比較經(jīng)χ2檢驗(yàn)。P＜0.05則提示數(shù)據(jù)差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

由圖3可以看出: 1) 矢量水聽(tīng)器聲壓通道(通道)自噪聲譜級(jí)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)均小于0級(jí)海況海洋環(huán)境噪聲; 2) 矢量水聽(tīng)器矢量通道自噪聲譜級(jí)隨頻率降低而增大, 每倍頻程增大約8 dB, 這使得矢量通道自噪聲在低頻段達(dá)到最大, 并高于6級(jí)海況海洋環(huán)境噪聲, 這是矢量通道靈敏度隨頻率的降低而減小所致(每倍頻程減小約6 dB); 3) 矢量水聽(tīng)器矢量通道與聲壓通道自噪聲譜級(jí)差異隨頻率降低而增大, 由4 kHz頻點(diǎn)2 dB譜級(jí)差異增大到20 Hz頻點(diǎn)處最大37 dB的譜級(jí)差異。

圖3 矢量水聽(tīng)器自噪聲測(cè)試曲線

3 水下滑翔機(jī)平臺(tái)噪聲測(cè)試和優(yōu)化

為更好地開(kāi)展矢量水聽(tīng)器在水下滑翔機(jī)平臺(tái)上的應(yīng)用, 文中深入分析了天津大學(xué)“海燕-II”平臺(tái)噪聲對(duì)矢量水聽(tīng)器各通道接收信號(hào)的干擾影響, 并對(duì)“海燕-II”平臺(tái)進(jìn)行了減振降噪處理和優(yōu)化。

3.1 水下滑翔機(jī)平臺(tái)噪聲測(cè)試

由于水下滑翔機(jī)在水下工作時(shí)存在電池滑動(dòng)、電池轉(zhuǎn)動(dòng)、油泵啟動(dòng)和螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)等輻射噪聲, 水下聲學(xué)滑翔機(jī)在水中接收目標(biāo)信號(hào)的同時(shí)也會(huì)受到這些噪聲信號(hào)的干擾, 因此有必要對(duì)水下滑翔機(jī)各種工作狀態(tài)下的輻射噪聲進(jìn)行測(cè)量, 以指導(dǎo)平臺(tái)進(jìn)行減振降噪處理和優(yōu)化。為進(jìn)一步對(duì)“海燕-II”平臺(tái)噪聲基本特性進(jìn)行深入分析, 定量描述平臺(tái)各噪聲源對(duì)矢量水聽(tīng)器聲壓通道和矢量通道的影響, 先后在國(guó)家深?；毓芾碇行南曀剡M(jìn)行了水下滑翔機(jī)電池滑動(dòng)、電池轉(zhuǎn)動(dòng)、油泵啟動(dòng)和螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)4種工況下的自噪聲測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)試布局如圖4所示, 試驗(yàn)過(guò)程采用分步運(yùn)轉(zhuǎn)法測(cè)試水下滑翔機(jī)各工況平臺(tái)自噪聲。

圖5~圖7分別給出了同振式矢量水聽(tīng)器聲壓通道、矢量通道(方向垂直水下滑翔機(jī)機(jī)身)和矢量通道(方向平行水下滑翔機(jī)機(jī)身)測(cè)量得到的水下滑翔機(jī)在4種工況下的噪聲譜級(jí)與相應(yīng)各通道自噪聲級(jí)的對(duì)比結(jié)果, 該結(jié)果是由矢量水聽(tīng)器接收水下滑翔機(jī)各工況下平臺(tái)噪聲數(shù)據(jù)并采用1/3倍頻程譜計(jì)算方法處理得到的。

圖4 水下聲學(xué)滑翔機(jī)平臺(tái)噪聲測(cè)試布局示意圖

圖5 水下聲學(xué)滑翔機(jī)各工況下矢量水聽(tīng)器聲壓通道噪聲譜級(jí)

圖6 水下聲學(xué)滑翔機(jī)各工況下矢量水聽(tīng)器矢量X通道噪聲譜級(jí)

由圖5~圖7可知, 水下滑翔機(jī)在4種工況下產(chǎn)生的噪聲級(jí)均明顯大于各通道自噪聲, 且在200 Hz以下的低頻段對(duì)矢量通道的影響明顯大于對(duì)聲壓通道的影響; 在800~950 Hz頻段范圍內(nèi), 由聲壓通道測(cè)量的油泵啟動(dòng)噪聲譜存在很高的平臺(tái)峰, 該平臺(tái)峰對(duì)應(yīng)的噪聲譜級(jí)在這4種測(cè)試工況中最大; 在100~500 Hz頻段范圍內(nèi), 電池滑動(dòng)、油泵啟動(dòng)和螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)3種工況下對(duì)矢量通道的影響大于對(duì)矢量通道的影響, 而電池轉(zhuǎn)動(dòng)在該頻段范圍內(nèi)對(duì)兩通道的影響基本一致。

圖7 水下聲學(xué)滑翔機(jī)各工況下矢量水聽(tīng)器矢量Y通道噪聲譜級(jí)

由以上測(cè)試結(jié)果可知, 水下滑翔機(jī)平臺(tái)上集成的聲學(xué)系統(tǒng)在電池滑動(dòng)、電池轉(zhuǎn)動(dòng)、油泵啟動(dòng)和螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)4種工況下均會(huì)受到嚴(yán)重的近場(chǎng)干擾, 因此需要對(duì)水下滑翔機(jī)平臺(tái)進(jìn)行減振降噪處理和對(duì)聲學(xué)系統(tǒng)工作模式進(jìn)行優(yōu)化。由于水下滑翔機(jī)在剖面滑翔過(guò)程中需要實(shí)時(shí)調(diào)整航向, 航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)無(wú)法停止工作, 因此尤其需要對(duì)水下滑翔機(jī)航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的自噪聲進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖8為水下滑翔機(jī)航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作期間矢量水聽(tīng)器聲壓通道采集到的時(shí)域噪聲信號(hào), 圖中可看出由航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的噪聲脈沖干擾, 這是由于“海燕-II”滑翔機(jī)是通過(guò)電磁抱閘實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)自鎖并進(jìn)行航向控制, 而抱閘開(kāi)關(guān)會(huì)對(duì)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生較強(qiáng)的脈沖激勵(lì), 從而引起較強(qiáng)的振動(dòng)噪聲。

圖8 航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作階段時(shí)域信號(hào)

圖9為水下滑翔機(jī)航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作時(shí)矢量水聽(tīng)器各通道噪聲譜級(jí), 圖10給出了航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作時(shí),矢量水聽(tīng)器各通道噪聲譜級(jí)升高值。由圖中可知, 在500 Hz以下的低頻段, 航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)矢量通道的影響較大, 其中40 Hz頻點(diǎn)處,矢量通道具有最大58 dB的譜級(jí)升高;在1500~ 2 500 Hz頻段范圍內(nèi), 聲壓通道也具有20 dB以上的譜級(jí)升高, 這將嚴(yán)重影響水下聲學(xué)滑翔機(jī)水中目標(biāo)探測(cè)性能, 因此需要對(duì)水下滑翔機(jī)航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行減振降噪處理, 同時(shí)優(yōu)化航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制策略來(lái)降低水下滑翔機(jī)平臺(tái)自噪聲水平。

圖9 航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作時(shí)矢量水聽(tīng)器噪聲譜級(jí)

圖10 航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作時(shí)矢量水聽(tīng)器噪聲升高譜級(jí)

3.2 水下滑翔機(jī)減振降噪措施和優(yōu)化

由以上分析可知, 水下滑翔機(jī)在剖面滑翔過(guò)程中, 聲學(xué)系統(tǒng)主要受航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的電磁抱閘振動(dòng)噪聲影響, 文中依據(jù)噪聲產(chǎn)生、傳播及干擾機(jī)理, 主要從優(yōu)化轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、優(yōu)化轉(zhuǎn)向控制策略、阻斷噪聲傳播途徑、電磁兼容性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化聲學(xué)系統(tǒng)工作模式5個(gè)方面進(jìn)行水下聲學(xué)滑翔機(jī)平臺(tái)減振降噪處理和優(yōu)化。

1) 優(yōu)化轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

海洋環(huán)境觀測(cè)水下滑翔機(jī)是通過(guò)電機(jī)和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)偏心重物實(shí)現(xiàn)航向控制, 電磁抱閘實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)自鎖。抱閘開(kāi)關(guān)因?qū)C(jī)構(gòu)產(chǎn)生較強(qiáng)的脈沖激勵(lì)而引起殼體振動(dòng)噪聲, 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在嚙合時(shí)也會(huì)產(chǎn)生噪聲, 驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行電子轉(zhuǎn)向時(shí)也具有轉(zhuǎn)矩波動(dòng)噪聲, 這些噪聲都嚴(yán)重干擾聲學(xué)系統(tǒng)信號(hào)的接收。為避免電磁抱閘產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲, 降低齒輪的嚙合噪聲, 并消除驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩噪聲, 選用帶自鎖功能的蝸輪蝸桿進(jìn)行水下滑翔機(jī)橫滾角調(diào)節(jié), 從而避免電磁抱閘噪聲; 同時(shí), 蝸輪蝸桿嚙合平穩(wěn), 可降低齒輪的嚙合噪聲; 通過(guò)在滾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)上增加編碼器, 提高電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制精度, 從而消除力矩波動(dòng), 提高滾轉(zhuǎn)重物轉(zhuǎn)動(dòng)的平穩(wěn)性。以上這些轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)優(yōu)化方案, 都將降低水下滑翔機(jī)轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的自噪聲對(duì)聲學(xué)系統(tǒng)的干擾影響。

2) 優(yōu)化轉(zhuǎn)向控制策略

為確保水下滑翔機(jī)轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定, 驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用速度閉環(huán)控制, 采用比例-積分-微分(proportion-integral-derivative, PID)算法進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié), 但由于偏心重物轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)屬于變載荷, 難免會(huì)引起電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng), 如PID參數(shù)選用不合適將加劇振動(dòng), 甚至引起振動(dòng)發(fā)散。針對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)載荷變化的特殊情況進(jìn)行PID參數(shù)優(yōu)化, 選用最優(yōu)PID參數(shù), 提高轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性, 從而降低振動(dòng)噪聲。并根據(jù)水下滑翔機(jī)性能需求合理設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速, 使?jié)L轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的噪聲頻率遠(yuǎn)離目標(biāo)探測(cè)監(jiān)測(cè)范圍, 從而避免滾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)對(duì)聲學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響。

3) 阻斷噪聲傳播途徑

水下滑翔機(jī)平臺(tái)振動(dòng)噪聲主要由結(jié)構(gòu)體的傳導(dǎo)傳播和空間輻射傳播2種傳播途徑影響聲學(xué)系統(tǒng), 通過(guò)在聲學(xué)載荷、轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和水下滑翔機(jī)殼體之間設(shè)計(jì)占用的阻尼結(jié)構(gòu), 阻斷振動(dòng)噪聲由轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)向聲學(xué)載荷的傳播途徑。針對(duì)噪聲的輻射傳播, 通過(guò)在水下滑翔機(jī)殼體內(nèi)壁噴涂橡膠吸聲材料, 并在水下滑翔機(jī)內(nèi)部布置吸聲結(jié)構(gòu), 從而降低噪聲的輻射傳播。

4) 電磁兼容性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)

水下滑翔機(jī)轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為變載荷, 會(huì)引起驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流波動(dòng), 從而影響水下滑翔機(jī)干端電路供電的穩(wěn)定性, 這將對(duì)聲學(xué)系統(tǒng)正常工作產(chǎn)生不利影響。為保證聲學(xué)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性, 對(duì)現(xiàn)有水下滑翔機(jī)平臺(tái)進(jìn)行電磁兼容性?xún)?yōu)化, 設(shè)計(jì)聲學(xué)系統(tǒng)獨(dú)立耐壓艙段, 屏蔽電磁輻射干擾, 并采用獨(dú)立的隔離型電源供電, 阻斷電磁傳導(dǎo)干擾。

5) 優(yōu)化聲學(xué)系統(tǒng)工作模式

水下滑翔機(jī)在水下進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)任務(wù)時(shí), 采用剖面滑翔工作模式。水下滑翔機(jī)在水面下潛階段、最大工作深度上浮階段和遇到突發(fā)狀況需要啟動(dòng)螺旋槳時(shí), 聲學(xué)系統(tǒng)均斷電停止工作, 通過(guò)優(yōu)化聲學(xué)系統(tǒng)工作模式可消除水下滑翔機(jī)電池滑動(dòng)、油泵啟動(dòng)和螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的平臺(tái)噪聲。

圖11給出了水下滑翔機(jī)減振降噪處理和優(yōu)化后, 航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作期間, 矢量水聽(tīng)器聲壓通道采集到的時(shí)域噪聲信號(hào)。與圖8比較可知, 水下滑翔機(jī)平臺(tái)優(yōu)化后消除了由航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的噪聲脈沖干擾。圖12和圖13分別給出了水下滑翔機(jī)平臺(tái)優(yōu)化后航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作時(shí), 矢量水聽(tīng)器各通道噪聲譜級(jí), 以及航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作時(shí), 矢量水聽(tīng)器各通道噪聲譜級(jí)的升高值。圖14為水下滑翔機(jī)平臺(tái)優(yōu)化后較優(yōu)化前航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作期間矢量水聽(tīng)器各通道噪聲降低情況。

圖11 優(yōu)化后航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作階段時(shí)域信號(hào)

圖12 優(yōu)化后航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作時(shí)矢量水聽(tīng)器噪聲譜級(jí)

圖13 優(yōu)化后航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作時(shí)矢量水聽(tīng)器噪聲升高譜級(jí)

圖14 航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)優(yōu)化后較優(yōu)化前噪聲降低譜級(jí)

由圖12~圖14可知: 1) 水下滑翔機(jī)平臺(tái)優(yōu)化后向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)矢量水聽(tīng)器產(chǎn)生的噪聲干擾大幅降低, 較優(yōu)化前, 矢量水聽(tīng)器聲壓通道在2 kHz頻點(diǎn)處具有最大25 dB的噪聲降低, 而矢量通道在80 Hz頻點(diǎn)處則具有最大28 dB的噪聲降低; 2) 優(yōu)化后,矢量水聽(tīng)器聲壓通道噪聲譜級(jí)在水下滑翔機(jī)航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作期間仍具有5 dB左右的升高, 但在整個(gè)頻率范圍內(nèi)小于0級(jí)海況海洋環(huán)境噪聲; 3) 優(yōu)化后, 水下滑翔機(jī)航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作時(shí)對(duì)矢量水聽(tīng)器矢量通道仍具有較大的噪聲干擾, 特別是在100 Hz以下的低頻段, 由水下滑翔機(jī)航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的輻射噪聲對(duì)矢量水聽(tīng)器矢量通道具有10 dB以上的噪聲干擾, 且在40 Hz頻點(diǎn)處具有最大40 dB的噪聲影響; 4) 優(yōu)化后, 水下滑翔機(jī)航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作期間矢量水聽(tīng)器矢量通道在200 Hz以下的低頻段噪聲仍較大且高于6級(jí)海況海洋環(huán)境噪聲, 因此水下聲學(xué)滑翔機(jī)在水中進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)時(shí), 頻率處理范圍應(yīng)選在200 Hz以上的高頻段。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中分析了現(xiàn)有“海燕-II”平臺(tái)主要噪聲源, 并在消聲水池進(jìn)行了水下滑翔機(jī)在4種工況下的自噪聲測(cè)量試驗(yàn), 定量描述了水下滑翔機(jī)平臺(tái)噪聲對(duì)同振式矢量水聽(tīng)器各通道接收信號(hào)的影響。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出, 水下滑翔機(jī)平臺(tái)上集成的矢量水聽(tīng)器在水下滑翔機(jī)的4種工況下均會(huì)受到嚴(yán)重的近場(chǎng)噪聲干擾, 特別是在40 Hz頻點(diǎn)處由于航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作而具有最大58 dB的譜級(jí)升高。針對(duì)水下滑翔機(jī)平臺(tái)噪聲測(cè)量結(jié)果, 文中從5個(gè)方面進(jìn)行了水下滑翔機(jī)平臺(tái)減振降噪處理和優(yōu)化, 測(cè)試結(jié)果表明, 優(yōu)化后水下滑翔機(jī)平臺(tái)的航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)矢量水聽(tīng)器產(chǎn)生的噪聲干擾大幅降低, 且航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作期間矢量水聽(tīng)器聲壓通道噪聲譜級(jí)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)小于0級(jí)海況海洋環(huán)境噪聲, 但在100 Hz以下的低頻段, 航向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作對(duì)矢量水聽(tīng)器矢量通道仍具有較大的噪聲干擾。

基于水下聲學(xué)滑翔機(jī)的目標(biāo)探測(cè)技術(shù)已成為水中目標(biāo)無(wú)人機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)能力建設(shè)的重要支撐, 如何實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、高隱蔽、大范圍、低成本及實(shí)時(shí)的水中目標(biāo)探測(cè)是目前面臨的巨大挑戰(zhàn)。文中的研究結(jié)果是在消聲水池測(cè)量得到, 為得到更準(zhǔn)確的水下滑翔機(jī)各工況條件下的平臺(tái)噪聲水平, 還需進(jìn)一步在水下滑翔機(jī)正常剖面滑翔工作模式下測(cè)試分析水下滑翔機(jī)平臺(tái)噪聲, 并開(kāi)展平臺(tái)減振降噪優(yōu)化措施。

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Noise Measurement and Optimization of Underwater Acoustic Glider Platform

WANG Chao1,2, HAN Mei1,2, SUN Qin-dong1,2, LAN Shi-quan2,3

(1. Navy Submarine Academy, Qingdao 266199, China; 2. Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266237, China; 3. School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300350, China)

A self-noise test was conducted on the Petrel-II underwater glider in an anechoic pool to improve the application of vector hydrophones to underwater gliders. The influences of platform noise on the received signals of each channel of the vector hydrophone under four conditions were analyzed quantitatively. The results show that the signal received by the integrated vector hydrophone on the underwater glider is critically interfered by the near-field noise of the platform because the platform noise greatly affects the vector channel of the vector hydrophone particularly in the low frequency range below 500 Hz. At the 40 Hz frequency point, the maximum spectral level of the vector hydrophone’s vector channel is increased to 58 dB because of the course adjustment mechanism. According to the noise measurement results of the underwater glider platform, the vibration and noise reduction and the optimization are performed in five aspects. Test results show that the noise interference generated by the course adjustment mechanism on the vector hydrophone is greatly reduced after platform optimization. However, the course adjustment mechanism generates significant noise interference on the vector channel of the vector hydrophone in the frequency range below 200 Hz. This study may provide a reference for the selection of frequency processing range of underwater acoustic gliders in underwater target detection.

underwater acoustic glider; vector hydrophone; platform noise; vibration and noise reduction

TJ630; TB56; P733.22

A

2096-3920(2020)04-0396-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.007

2019-10-01;

2019-12-18.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2019YFC030313); 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室“問(wèn)海計(jì)劃”項(xiàng)目(2017WHZZB0601).

王 超(1988-), 男, 博士, 助理研究員, 主要研究方向?yàn)樗曅盘?hào)處理和水下無(wú)人平臺(tái)應(yīng)用技術(shù).

王超, 韓梅, 孫芹東, 等. 水下聲學(xué)滑翔機(jī)平臺(tái)噪聲測(cè)試與優(yōu)化[J].水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2020, 28(4): 396-402.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)