姜海龍，艾夏禹，劉麗濱，楊理華

（海軍潛艇學(xué)院，山東青島 266199）

0 引言

潛艇的隱蔽性和機(jī)動(dòng)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(jī)械設(shè)備運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，并通過殼體對(duì)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(guān)鍵技術(shù)。美國海軍還在《2000—2035年海軍技術(shù)——潛艇平臺(tái)技術(shù)》報(bào)告中將潛艇聲隱身技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)之首。隨著我海軍戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型和遠(yuǎn)洋航行需求，也亟待快速加強(qiáng)潛艇隱身性能建設(shè)。

目前，潛艇對(duì)外輻射噪聲來源主要有：潛艇結(jié)構(gòu)所致水動(dòng)力噪聲；潛艇螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生噪聲；潛艇內(nèi)部機(jī)械設(shè)備運(yùn)行所致艇體噪聲。前兩種噪聲與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接相關(guān)，一旦結(jié)構(gòu)定型，對(duì)其不易實(shí)時(shí)控制。實(shí)際上，艇用設(shè)備一般為旋轉(zhuǎn)或往復(fù)式機(jī)械，由其所致的振動(dòng)信號(hào)低頻線譜特征明顯，輻射噪聲傳遞較遠(yuǎn)，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(dāng)前研究主要聚焦于內(nèi)部機(jī)械設(shè)備振動(dòng)噪聲控制，是潛艇聲隱身技術(shù)研究的熱點(diǎn)問題之一。然而，該方式雖在一定程度上抑制了振動(dòng)傳遞，但不能完全有效降低潛艇殼體結(jié)構(gòu)振動(dòng)，若激振信號(hào)與殼體模態(tài)頻率接近還有可能放大振動(dòng)，進(jìn)而通過潛艇殼體向外更嚴(yán)重地輻射噪聲。此外，現(xiàn)有研究評(píng)價(jià)指標(biāo)主要以減小傳遞至基礎(chǔ)振動(dòng)為目標(biāo)，受海洋環(huán)境效應(yīng)影響，潛艇輻射噪聲應(yīng)以近場/遠(yuǎn)場聲目標(biāo)強(qiáng)度為指標(biāo)，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(chǔ)和積累，也為從全局角度開展?jié)撏んw結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射噪聲控制提供了思路。為此，本文從被動(dòng)隔振、主動(dòng)控制、隔振執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及控制策略4個(gè)方面，涵蓋了振動(dòng)傳遞路徑各過程環(huán)節(jié)，較為系統(tǒng)地闡述了潛艇振動(dòng)噪聲控制方法、途徑及研究現(xiàn)狀，以期為潛艇設(shè)計(jì)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(yīng)用價(jià)值。

1 隔振技術(shù)研究現(xiàn)狀

隔振作為降低設(shè)備振動(dòng)的有效措施，可分為被動(dòng)隔振和主動(dòng)控制。傳統(tǒng)被動(dòng)隔振以容易設(shè)計(jì)、不需外置能源、方便安裝且價(jià)格經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，在艦船、車輛等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，但低頻隔振效果還不夠理想。主動(dòng)控制是在被動(dòng)隔振中引入次級(jí)能量，通過執(zhí)行裝置與隔振器串聯(lián)或并聯(lián)實(shí)現(xiàn)能量消減，主動(dòng)控制往往具有較好的中低頻振動(dòng)控制效果，由于其包含執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制算法等環(huán)節(jié)，相對(duì)較為復(fù)雜，但其工程應(yīng)用前景十分廣泛。

1.1 被動(dòng)隔振現(xiàn)狀

目前，實(shí)艇上應(yīng)用較多的被動(dòng)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(shè)備和基座間安裝具有彈性的隔振器實(shí)現(xiàn)能量耗散，減少傳遞至基礎(chǔ)的振動(dòng)。單層被動(dòng)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(duì)實(shí)艇安裝空間要求較為苛刻。浮筏隔振是將多個(gè)振源設(shè)備通過單層隔振安裝在一個(gè)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(shè)備較少且分散時(shí)不太實(shí)用。浮筏隔振本質(zhì)上屬于雙層隔振，其低頻隔振效果仍有所不足[1]。20 世紀(jì)60 年代初，美國核潛艇在推進(jìn)系統(tǒng)中使用浮筏隔振后，艇體結(jié)構(gòu)噪聲降低15～20 dB。20世紀(jì)80年代中期，“洛杉磯”級(jí)攻擊型核潛艇輻射噪聲已降至118 dB，而“海狼”級(jí)攻擊型核潛艇噪聲達(dá)到90～100 dB，己低于三級(jí)海況海洋背景噪聲（110～120 dB）。20世紀(jì)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(jī)敏”號(hào)核潛艇和“特拉法爾加”級(jí)潛艇動(dòng)力裝置上使用彈性筏架結(jié)構(gòu)后，其聲隱身性能大幅提升。

被動(dòng)隔振優(yōu)點(diǎn)較多但仍有不足，例如存在低動(dòng)剛度和失穩(wěn)的矛盾。目前，被動(dòng)隔振在理論及試驗(yàn)方面已較為成熟，Snowdon[2]在理論上較為全面地描述被動(dòng)隔振原理，即當(dāng)激勵(lì)頻率與固有頻率之比大于1.4倍時(shí)才有隔振效果。Rivin EI[3]還針對(duì)隔振問題中動(dòng)態(tài)特性、隔振器設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了深入地研究。嚴(yán)濟(jì)寬[4]還系統(tǒng)探索了隔振基本理論與設(shè)計(jì)方法。廖道訓(xùn)[5]建立了主輔機(jī)隔振系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。實(shí)際上，被動(dòng)隔振已在船舶、航空航天、車輛等領(lǐng)域有成熟應(yīng)用[6]。

1.2 主動(dòng)控制現(xiàn)狀

1936 年Lueg 在一項(xiàng)專利中首次展示了有源噪聲控制設(shè)計(jì)，這為振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)研究提供了基本思想。該應(yīng)用是在管道中對(duì)聲波進(jìn)行調(diào)控，如圖2所示。使用1個(gè)執(zhí)行器（揚(yáng)聲器）和2 個(gè)傳感器（該應(yīng)用中為2 個(gè)麥克風(fēng)）。傳感器A 為參考傳感器，用于測量在管道擾動(dòng)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(shè)傳感器A 不與執(zhí)行器耦合，傳感器A 僅測量擾動(dòng)。圖2所示結(jié)構(gòu)稱為“前饋”，因?yàn)榭刂破鞲鶕?jù)從傳感器A 處獲得前饋信息向執(zhí)行器提供信號(hào)。若控制器工作正常，執(zhí)行器將產(chǎn)生調(diào)制聲波，用于抵消傳感器B 處的擾動(dòng)聲波。在較小管道中可考慮平面波傳遞，管道內(nèi)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(huì)衰減。盡管該方案十分簡單，但提出后一段時(shí)間內(nèi)沒有較大發(fā)展。

圖2 管路中的聲波主動(dòng)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(hào)處理技術(shù)發(fā)展，振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)也日趨成熟，其涵蓋了多個(gè)復(fù)雜的學(xué)科領(lǐng)域，如結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、信號(hào)處理、材料科學(xué)、機(jī)械振動(dòng)、執(zhí)行器和傳感器等知識(shí)。目前，該技術(shù)備受關(guān)注，特別是針對(duì)低頻振動(dòng)噪聲控制需求。

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

圖3 單純的主動(dòng)控制Fig.3 Pure active control

圖4 混合隔振Fig.4 Hybrid vibration isolation

在振動(dòng)控制領(lǐng)域，國外研究起步相對(duì)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(jī)身中使用輕型振動(dòng)源控制飛機(jī)內(nèi)部噪聲，對(duì)轉(zhuǎn)子和變速箱進(jìn)行主動(dòng)控制減少直升機(jī)艙內(nèi)噪聲，利用電子消聲器、發(fā)動(dòng)機(jī)支架衰減汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噪音。通過結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制抑制大風(fēng)或地震所致建筑物振動(dòng)，或用于防止大型橋梁顫振受損。此外，主動(dòng)控制還可用于對(duì)振動(dòng)比較敏感的儀器設(shè)備上，如外科顯微鏡、電子設(shè)備、激光及磁盤驅(qū)動(dòng)器等。在軍事上，美國新型海狼級(jí)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(dòng)隔振緩沖裝置，前者能抑制浮筏柔性中高頻諧振效應(yīng)，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(xué)還設(shè)計(jì)了慣性主動(dòng)隔振裝置，可有效降低護(hù)衛(wèi)艦殼體結(jié)構(gòu)振動(dòng)所致輻射噪聲[14]。Winberg[15]還開展了Collins 級(jí)潛艇主動(dòng)控制咨詢項(xiàng)目研究。

與此同時(shí)，國內(nèi)多個(gè)研究單位也在開展噪聲及振動(dòng)主動(dòng)控制研究工作。例如：哈爾濱工程大學(xué)楊鐵軍團(tuán)隊(duì)[16]系統(tǒng)闡述了主動(dòng)隔振研究與發(fā)展；華中科技大學(xué)李維嘉[17]對(duì)船舶振動(dòng)主動(dòng)控制進(jìn)展進(jìn)行了研究；海軍工程大學(xué)蘇攀[18]系統(tǒng)分析了國內(nèi)外自適應(yīng)振動(dòng)主動(dòng)控制策略和方法。目前，各國學(xué)者主動(dòng)控制研究主要聚焦于兩個(gè)方面：一是主動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其決定了振動(dòng)控制可行性和效率；二是控制策略，這是主動(dòng)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(jī)構(gòu)現(xiàn)狀

艦船振動(dòng)控制中使用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（或作動(dòng)器）要求較高，一般需要輸出力大、頻帶寬、結(jié)構(gòu)緊湊、非線性度低等特點(diǎn)。目前，國內(nèi)外研究常用執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有以下幾種。

（1）氣動(dòng)/液壓作動(dòng)器[19]利用氣體或液體壓力進(jìn)行傳動(dòng)，主要用于低頻振動(dòng)且對(duì)需較大輸出力場合。其缺點(diǎn)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)體積質(zhì)量大、時(shí)滯較大、控制精度較低，另外在氣動(dòng)作動(dòng)器中，空氣的壓縮將影響執(zhí)行精度。

（2）電磁作動(dòng)器[20]利用磁和鐵相互作用產(chǎn)生電磁力，當(dāng)將交流電引入激勵(lì)線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變化磁場，使動(dòng)子做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。電磁作動(dòng)器應(yīng)用較廣泛，具有時(shí)滯低、控制簡單等特點(diǎn)，一般用在輸出力不太大但對(duì)頻率要求較高場合，例如飛機(jī)、船舶及實(shí)驗(yàn)室精密儀器設(shè)備振動(dòng)控制等。

（3）壓電作動(dòng)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(dòng)隔振，具有結(jié)構(gòu)簡單、電壓與壓力轉(zhuǎn)換率高等特點(diǎn)，常用于振動(dòng)頻率較高、輸出力不需要太大場合。但輸出存在時(shí)延、時(shí)滯和非線性等問題，對(duì)控制算法要求較高。

（4）磁致伸縮作動(dòng)器[22]具有伸縮應(yīng)變大、工作頻帶寬、輸出力大、驅(qū)動(dòng)電壓低、速度快等優(yōu)點(diǎn)，可在高頻、需要大輸出力等場合進(jìn)行隔振工作，但輸出也有時(shí)延和時(shí)滯等問題，故對(duì)控制器軟硬件要求較高。

近年來，用于振動(dòng)主動(dòng)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(shù)領(lǐng)域，海軍工程大學(xué)何琳等[23]研制出基于磁懸?。瓪饽业闹鞅粍?dòng)混合隔振裝置，該項(xiàng)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(dòng)控制效果。

1.4 振動(dòng)控制策略現(xiàn)狀

目前，在振動(dòng)控制領(lǐng)域，控制策略主要包括兩類[24]，一類需要較為精確的被控對(duì)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(duì)象，直接利用算法尋優(yōu)，如自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。針對(duì)主動(dòng)控制算法，研究人員還提出諸多自適應(yīng)算法[25]，其中經(jīng)典算法是基于LMS 最小均方的濾波自適應(yīng)法，該算法具有結(jié)構(gòu)簡單、效果明顯等優(yōu)點(diǎn)[26]，應(yīng)用十分廣泛。

實(shí)際上，早在1987 年國外學(xué)者就將自適應(yīng)算法引入主動(dòng)控制領(lǐng)域。如Elliott S J[27]基于LMS 算法獲得較好的振動(dòng)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(yīng)主動(dòng)控制前饋型策略，可明顯抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)所致噪聲。隨著LMS 自適應(yīng)算法研究與發(fā)展，其改進(jìn)算法相繼被提出，例如歸一化算法、符號(hào)算法、塊LMS 算法、變步長算法等，應(yīng)用也較為廣泛[30－31]。國內(nèi)學(xué)者也深入研究變步長LMS算法，武漢大學(xué)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(xué)牛群[33]提出改進(jìn)變步長LMS 算法，增強(qiáng)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(jìn)型NLMS算法性能，結(jié)果表明新算法收斂速度更快。

此外，由于次級(jí)通道的存在[36]，LMS算法直接用于振動(dòng)主動(dòng)控制，會(huì)使參考信號(hào)和誤差信號(hào)在時(shí)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(jí)通道估計(jì)模型，將參考信號(hào)延時(shí)操作，使參考信號(hào)和誤差信號(hào)時(shí)序保持一致，也稱為濾波自適應(yīng)FxLMS 算法。目前，該算法受到極大關(guān)注，其經(jīng)典型及改進(jìn)型工程應(yīng)用前景廣泛。合肥工業(yè)大學(xué)蘇雨[38]將反饋型FxLMS 算法用于空調(diào)室內(nèi)柜機(jī)主動(dòng)降噪，并引入非線性濾波器，結(jié)果表明非線性反饋FxLMS 算法的低頻主動(dòng)降噪效果優(yōu)于線性反饋FxLMS 算法。Lei Luo[39]還提出改進(jìn)PmLMS 算法，應(yīng)用于車輛內(nèi)部降噪，結(jié)果表明該算法降噪效果優(yōu)于FxLMS 算法，工程應(yīng)用潛在價(jià)值較大。

在提高算法收斂速度、穩(wěn)定性和次級(jí)通道辨識(shí)準(zhǔn)確度研究同時(shí)，還有諸多針對(duì)實(shí)際工程特定問題提出的主動(dòng)控制算法。例如，劉錦春[40]針對(duì)主動(dòng)控制中因條件限制無法獲得精確參考信號(hào)、算法性能下降等問題，提出一種基于FXRLS算法的反饋式振動(dòng)主動(dòng)控策略，實(shí)驗(yàn)表明該算法具有更強(qiáng)魯棒性，且可在精確參考信號(hào)無法獲得時(shí)，取得較好控制效果。朱曉錦[41]針對(duì)前饋控制系統(tǒng)中需要輸入?yún)⒖夹盘?hào)的局限，提出一種摒棄參考信號(hào)的方法，從誤差信號(hào)中提取與初級(jí)振動(dòng)相關(guān)的變量取代參考信號(hào)，從而解決前饋控制系統(tǒng)參考信號(hào)不易獲取等問題。樓京俊等[42]為補(bǔ)償控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)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(jìn)形式已被廣泛證明有效，但它主要針對(duì)線性控制系統(tǒng)，故應(yīng)用還有局限性。實(shí)際上，當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)非線性時(shí)，基于LMS 算法的線性濾波控制器效果可能失效。振動(dòng)控制系統(tǒng)中常見非線性環(huán)節(jié)就是作動(dòng)器，在工作頻率范圍以外（或接近限制）時(shí)，通常存在非線性響應(yīng)[43]。當(dāng)控制系統(tǒng)包含是非線性環(huán)節(jié)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生非線性動(dòng)力學(xué)特性。因此，在這些情況下需要設(shè)計(jì)非線性控制器，提高系統(tǒng)控制性能。

近年來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）等非線性方法以其泛化性能好等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到關(guān)注。K S Narendra[44]首先提出利用ANN 進(jìn)行非線性前饋控制思想，隨后其他學(xué)者對(duì)該問題進(jìn)行了深入研究。Hassan Youserfi[45]提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的補(bǔ)償器，并將其應(yīng)用于同步電機(jī)振動(dòng)主動(dòng)控制，結(jié)果表明該方法抑制振動(dòng)效果較好。邱志成[46]利用PD控制和自適應(yīng)RBF模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，研究旋轉(zhuǎn)柔性鉸接梁振動(dòng)主動(dòng)控制，結(jié)果表明該方法能夠有效抑制鉸接梁振動(dòng)。楊慶超[47]提出一種柔性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑膜控制算法，雙層隔振系統(tǒng)振動(dòng)主動(dòng)控制表明，該算法具有較強(qiáng)魯棒性和控制效果。崔明月[48]針對(duì)雙層隔振系統(tǒng)參數(shù)時(shí)變等問題，提出一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)混合遺傳算法控制策略，結(jié)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(jié)束語

目前，世界各海軍強(qiáng)國在潛艇減振降噪及聲隱身技術(shù)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(duì)較慢，雖然部分研究團(tuán)隊(duì)取得了一些成就，但與世界先進(jìn)國家潛艇相比仍然存在差距。借力海軍轉(zhuǎn)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(shù)理論研究和應(yīng)用探索工作，實(shí)現(xiàn)新型功能材料、高性能執(zhí)行器件、被動(dòng)隔振、主動(dòng)控制等技術(shù)有機(jī)組合。未來潛艇聲隱身技術(shù)，將從單臺(tái)機(jī)械設(shè)備振動(dòng)噪聲控制向整艇全局控制發(fā)展，具體將是從剛性體結(jié)構(gòu)向彈性體結(jié)構(gòu)、從單點(diǎn)振動(dòng)控制向多點(diǎn)振動(dòng)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(diǎn)振動(dòng)評(píng)價(jià)向聲目標(biāo)強(qiáng)度評(píng)價(jià)不斷轉(zhuǎn)變。因此，本研究工作具有重要的軍事意義和應(yīng)用價(jià)值，可為研究人員提供系統(tǒng)的知識(shí)參考和借鑒，能間接提升潛艇聲隱身能力。