航空無人機動力系統(tǒng)降噪分析

于濤 閻雷雨

摘要：為有效解決航空無人機動力系統(tǒng)噪聲過大問題，設計了低噪聲無人機系統(tǒng)與動力系統(tǒng)降噪裝置。由于噪聲是基于震動生成的，因此低噪聲無人機系統(tǒng)利用震動采集裝置采集電機震動頻率，以逆壓電效應，控制器以震動頻率控制裝置生成與其相反的反向震動，以此與電機震動相互抵消，實現噪聲控制。而降噪裝置與無人機主體側端四個角度均衡等距銜接的連接桿頂端相互對接，風扇固定安裝于其上端，固定板固定于其內部，彈簧安設于固定板上端，減震板配置于彈簧上層，橡膠皮墊安置于減震板上端。基于風扇裝置可實現降噪整體性能優(yōu)化，基于降噪裝置可實現減振綜合性能提升，以此使得航空無人機動力系統(tǒng)實現有效降噪。

關鍵詞：航空;無人機;動力系統(tǒng);降噪

中圖分類號：V279

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）06-0176-03

既有航空無人機由于結構與材料等各種客觀因素，在飛行時極易生產過大噪聲，然而在現代化無人機實際應用中，其中部分對于無人機噪聲的要求十分明確嚴格，即需基于低噪聲環(huán)境采集圖像，無人機飛行位置過高，圖像采集清晰度將會降低，飛行位置過低，則會生成較大噪聲。航空無人機噪聲的主要來源是動力系統(tǒng)的電機，電機高速運行導致其艙內出現震動現象，以此引發(fā)過大噪聲[1]。據此，面向電機噪聲，設計了低噪聲無人機系統(tǒng)與降噪裝置，以期能在不影響無人機正常穩(wěn)定運行的基礎上，有效實現降噪目標。

1 航空無人機動力系統(tǒng)分析

1.1 動力系統(tǒng)特性

電動固旋翼無人機任務剖面主要分為垂直起降、過渡轉換和水平飛行3個階段。垂直起降階段只有四旋翼動力系統(tǒng)起動，過渡轉換階段固定翼推進動力系統(tǒng)起動并逐漸增大電動機轉速用以無人機的水平加速，四旋翼動力系統(tǒng)維持無人機的姿態(tài)穩(wěn)定且電動機轉速逐漸降低，當無人機水平速度達到巡航速度時，四旋翼電動機徹底關閉，進入水平飛行階段。

航空無人機的飛行剖面，即垂直起降、過渡轉換、水平飛行。其中，垂直起降階段只涉獵四旋翼動力系統(tǒng)起動，過度轉換階段可促使動力系統(tǒng)起動，且逐步加大電機轉速，以無人機水平加速度，動力系統(tǒng)維持無人機姿勢穩(wěn)定性，動機轉速逐步下降，在無人機水平速度逐漸上升到巡航速度，電機則完全關閉，開始水平飛行。由此可知，垂直起降與水平飛行環(huán)節(jié)，航空無人機動力系統(tǒng)運行處于彼此獨立形態(tài)，而過渡階段時動力系統(tǒng)同時運行，但此階段耗時非常短。為避免推進槳轉動受干擾，電機系統(tǒng)一般分散分布，其中槳盤范圍不會重合，且為防止機體結構影響螺旋槳升力，槳盤圓柱面所處范圍一般會與機體結構相分離[2]。

1.2 動力系統(tǒng)噪聲組成

無人機即通過無線電遙控設施與程序控制裝置操控不載人的人機。在無人機行業(yè)快速發(fā)展趨勢下，其需求順勢增大，無人機使用環(huán)境復雜，覆蓋范圍與人群較廣，安全穩(wěn)定防范要求較高。航空無人機動力系統(tǒng)噪聲主要是由旋翼氣動噪聲與電機噪聲所構成，就電機噪聲而言，主要是螺旋槳與電機轉動造成震動頻率，以此嚴重影響飛機控制系統(tǒng)，極易導致接收錯誤信號，造成無人機失控，從而損壞或者墜毀。其降噪處理集中于電機結構優(yōu)化與機械震動噪聲降低層面[3]。

2 低噪聲航空無人機系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)結構

低噪聲航空無人機主要是機架與機臂構成，基于機臂安設電機艙，艙內電機以驅動螺旋槳轉動，且內壁與底部設置震動采集裝置，其以傳輸線為載體銜接控制器，控制器的作用即驅動采集裝置發(fā)生自振，與電機震動相互抵消。震動采集裝置通過采集電機震動頻率，并將其傳輸于控制器，控制器基于震動頻率控制裝置生成與震動頻率相反頻率的震動，以此抵消電機震動。通過低噪聲航空無人機，可有效降低航空無人機電機噪聲，且不會影響其質量輕重。低噪聲航空無人機系統(tǒng)結構[4]具體如圖1所示。

2.2 震動采集裝置

震動采集裝置基于壓電效應感應轉換電機機械震動為電壓信號，不會受環(huán)境噪聲等的影響。控制器通過電壓信號頻譜分析，獲得電機震動頻率，據此生成反向頻率。控制器以反向頻率為載體生成對應電壓信號，裝置通過逆壓電效應生成反向震動，以與電機震動相互抵消，實現噪聲控制。

震動采集裝置主要劃分為第一震動采集裝置與第二震動采集裝置，前者安裝于電機與電機艙底部間;后者安裝于電機與電機艙側壁間，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、電荷信號過小，多塊壓電薄膜（聚偏氟乙烯制成）實現并聯(lián)可獲取較大電荷信號，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。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，以實現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，使得電機高溫不會造成嚴重影響，且其機械性能強度高度，難以損壞，質量輕，可避免影響航空無人機整體重量。

2.4 電機艙

電機艙側壁開設過線孔，震動采集裝置傳輸線基于此與控制器相互對接，且便于艙內電機與震動采集裝置之間的合理布線。在艙底與側壁開設兩個過線孔，兩個震動采集裝置傳輸線分別穿過過線孔，以銜接于控制器。同時，在頂部開設多個散熱孔，其可排除電機熱量，降低艙內溫度。而且頂部設有軸承，傳動軸基于其銜接于螺旋槳，以此可有效降低傳動軸與電機艙之間的摩擦損耗，控制噪聲[5-6]。

2.5 噪聲控制流程

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

3 降噪裝置設計

3.1 降噪裝置結構

航空無人機動力系統(tǒng)降噪裝置包含航空無人機主體，側端4個角度均衡等距配置連接桿;頂端安設降噪裝置;上端設置風扇裝置;底端安裝支撐桿，支撐桿的底端配備滑輪。

降噪裝置內部主要包含彈簧、底座、固定板、減震板、固定螺絲、電機、橡膠皮墊等，其中，固定板基于裝置內部固定;固定螺絲則銜接于板上端4個角度;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。