基于旁支式次級源的艦船液壓管路低頻脈動有源衰減

趙佳錫，何 琳，徐榮武，梁云棟

(1. 海軍工程大學 振動與噪聲研究所， 湖北 武漢 430033；2. 海軍工程大學 船舶振動噪聲重點實驗室， 湖北 武漢 430033)

艦船液壓系統加裝隔振器、撓性接管及彈性支撐等可以抑制泵源結構振動的傳遞，但壓力脈動將隨液體傳遞出去，并產生結構振動的線譜。傳統被動脈動衰減器對脈動的中、高頻有較好控制效果，低頻段的控制效果不理想[1]。

1967年美國Klees較早在專利中提出液體脈動的衰減實施方法[2]，原理與Herschel提出的空氣噪聲干涉衰減原理相同。有源降噪技術的基本原理是反向干涉相消，空氣有源降噪現在已經得到了廣泛的應用，但液體脈動有源衰減受到應用成本和需求的限制，仍未實際應用。

美國、英國、瑞典、日本和中國的一些學者對液壓脈動有源衰減進行了理論和實驗研究。目前提出的多種結構及方法各有優劣。本文針對艦船液壓系統，分析并總結了脈動有源衰減的三種結構形式，對比采用了浸入式流量恒定型有源衰減的結構形式，設計了壓電陶瓷驅動的旁支式次級源，接入液壓管路中，進行了性能測試。最后，采用前饋自適應算法，進行了多線譜低頻脈動的有源衰減實驗。

1 基本原理

有源脈動衰減系統中，反相干涉脈動由次級源產生。依據次級源的形式不同，有三種有源脈動衰減結構：管路外非浸入型、浸入式流量恒定型及浸入式流量變化型。

1.1 管路外非浸入型

管路外非浸入型結構中，次級源直接作用于管路外壁，產生的管路變形或振動形成次級脈動，與初級脈動疊加實現有源衰減，如圖1所示。瑞典Maillard，美國Fuller、Brevart，國內楊鐵軍、率志君和王震等[3-7]對該方法進行了理論和實驗研究。因次級源工作時，需克服管路做功，對次級源要求較高。

圖1 管路外非浸入型脈動有源衰減原理Fig.1 Non-immersed pulsation active control

1.2 浸入式流量恒定型

浸入式流量恒定型結構中，次級源與原管路共同構成一個局部的容腔，通過控制次級源的移動，容腔容積發生變化，從而實現初級脈動的衰減，如圖2所示。美國Kartha，日本Kojima、Yokota，國內孫紅靈、孫運平和荊慧強等[8-13]針對該方法設計了非平衡式和平衡式的次級源，通過實驗取得了衰減效果。管路系統的直徑及流量不同，需要設計不同要求的次級源。

圖2 浸入式流量恒定型脈動有源衰減原理Fig.2 Constant-flow immersed pulsation active control

1.3 浸入式流量變化型

浸入式流量變化型結構中，次級源一般為高頻響節流閥，通過驅動閥芯，溢流脈動波峰或者引入高壓源補充脈動波谷，形成反相脈動，以抵消脈動能量，如圖3所示。英國Wang、Pan，國內焦宗夏、邢科禮、周文和季曉偉等[14-19]設計了多種高頻響閥，進行了實驗研究。因流量會發生變化，對系統性能的影響相比前兩種結構形式大。

艦船液壓系統有極高的可靠性要求，且克服管路做功產生次級脈動較困難，因此，采用浸入式流量恒定型的脈動有源衰減結構形式。

圖3 浸入式流量變化型脈動有源衰減原理Fig.3 Flow-changed immersed pulsation active control

2 旁支式次級源

2.1 次級源設計

浸入式流量恒定型結構中，次級脈動由控制區域容積變化產生。圖4為所設計的旁支式次級源，由閥體、移動閥芯、壓電陶瓷作動器、靜壓傳感器及誤差動壓傳感器等組成。有源脈動控制時，壓電陶瓷作動器控制移動閥芯的振動幅值和頻率，從而使旁支腔容積發生變化，產生次級脈動。因壓電陶瓷可移動位移較小，且開口過大會不利于有源控制，故設計帶過渡曲面的放大結構，以提高次級源響應特性。

圖4 旁支式次級源Fig.4 By-pass secondary source

2.2 次級源響應特性測試

根據管路流體傳遞阻抗理論[20-21]，次級源沿管路的壓力脈動響應特性滿足：

ps=qsZs(ω,x)

(1)

式中：ps為壓力，qs為質點速度，Zs(ω,x)為次級源阻抗，ω為頻率，x為管路位置。

設誤差傳感器位于xe處，由式(1)可知，次級源在該位置的壓力脈動響應特性與次級源在該位置的阻抗特性關系密切，壓力脈動響應幅值與頻率有較大的關系。脈動有源衰減時，泵源脈動的幅值應與次級源產生的脈動幅值相匹配，才能實現較好的衰減效果。圖5為所研究艦船液壓系統在誤差傳感器處的泵源壓力脈動時域曲線，經頻域分析，前三階脈動及對應幅值分別為：100 Hz(3009 Pa)、200 Hz(2326 Pa)和300 Hz(3829 Pa)。

圖5 時域泵源壓力脈動Fig.5 Time-domain signal of pressure pulsation

次級源接入液壓管路中，利用控制器及功放給壓電陶瓷不同幅值與頻率的驅動電壓，并采集誤差傳感器的響應信號。圖6為不同電壓幅值時，壓力脈動幅值隨頻率變化的曲線。由實驗結果可知，電壓幅值為±10 V時，旁支式次級源在100 Hz、200 Hz及300 Hz頻率點處產生的次級脈動幅值大于泵源脈動的幅值，滿足有源衰減的需求。

圖6 次級源響應特性測試結果Fig.6 Secondary source response characteristic test results

3 液壓管路有源衰減系統設計

3.1 系統組成

艦船液壓系統包含非常多的組成部分，為方便研究，簡化為包含電機-泵、壓力調節閥、管路和油箱等。液體脈動有源控制系統的組成情況與結構振動及空氣噪聲的有源控制類似，包含次級源、傳感器、控制系統硬件及程序等，如圖7所示。

1—電機，2—泵，3—次級源，4—誤差傳感器，5—壓力調節閥，6—油箱，7—控制系統硬件及軟件圖7 液壓管路脈動有源衰減系統組成Fig.7 Hydraulic pulsation active control system

3.2 控制算法

液壓系統的前三階脈動能量占比最大，故針對前三階脈動線譜的控制進行算法設計。控制算法采用前饋FxLMS自適應算法，圖8為多線譜FxLMS控制算法框圖。其中，W(z)為控制器，S(z)為次級源通道，x(n)、y(n)、d(n)、e(n)分別為參考信號、控制信號、期望信號、誤差信號。

圖8 多線譜FxLMS控制算法Fig.8 Multi-frequencies FxLMS control algorithm

控制器采用有限沖擊響應(Finite Impulse Response, FIR)濾波器結構來實現，其權系數為wmi(i=0,1,…,N-1)，其中N為控制器階數，m=1,2,3表示第m階線譜，則有：

(2)

式中，控制器Wm(z)的更新公式為：

i=0,1，…,N-1

(3)

4 實驗結果分析

4.1 實驗系統

圖9為液壓管路脈動有源衰減的實驗系統，管路均采用撓性接管，規格為DN25。液壓系統在進行有源控制實驗時，流量大小為28.3 L/min，工作壓力恒定，調節為2 MPa。控制系統的程序算法中，調用電機的轉速作為參考信號來源。

圖9 實驗系統組成Fig.9 Experiment system

4.2 脈動有源衰減效果

圖10為脈動開始有源控制后時域變化的過程。圖11為脈動控制前后功率譜變化的對比，從圖中得到前三階線譜的衰減效果，如表1所示。實驗結果表明，所設計的旁支式次級源采用多線譜FxLMS自適應控制后，取得了較好的衰減效果。

圖10 脈動有源衰減時域變化過程Fig.10 Pressure pulsation time-domain change process for active control

圖11中，300 Hz處脈動線譜的功率譜幅值下降了22.7 dB，優于前兩階線譜。對比圖6，次級源在相同的振蕩幅值下，300 Hz處壓力脈動的響應幅值大于100 Hz和200 Hz處的響應幅值，即300 Hz處次級源阻抗值較大。因此，脈動有源衰減時，次級源的阻抗特性和控制效果有較大關系，后續可對此進一步研究，有助于減小次級源功耗和提高控制效果。

圖11 脈動控制前后功率譜Fig.11 Power spectrum of pressure pulsation before and after active control

表1 脈動線譜有源衰減效果

5 結論

基于旁支式次級源的脈動有源控制系統有效地衰減了艦船液壓管路系統中的壓力脈動，實現了前三階主要脈動線譜的控制。所研究的脈動有源衰減系統原理具備通用性，在其他類型的液體管路系統中同樣具備應用的可行性，為艦船液體管路系統低頻脈動的衰減提供了一種解決途徑。