水下聲學滑翔機平臺噪聲測試與優(yōu)化

王 超, 韓 梅, 孫芹東, 蘭世泉

水下聲學滑翔機平臺噪聲測試與優(yōu)化

王 超1,2, 韓 梅1,2, 孫芹東1,2, 蘭世泉2,3

(1. 海軍潛艇學院, 山東 青島, 266199; 2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室, 山東 青島, 266237; 3. 天津大學 機械工程學院, 天津, 300350)

為了提高水下聲學滑翔機水中目標探測能力, 更好地開展矢量水聽器在水下滑翔機上的應用, 文中通過在消聲水池對現有“海燕-II”水下滑翔機進行的自噪聲測試試驗, 定量分析了4種不同工況下平臺噪聲對矢量水聽器各通道接收信號的影響, 由試驗結果可知: 水下滑翔機上集成的矢量水聽器接收信號會受到嚴重的平臺近場噪聲干擾, 特別在500 Hz以下的低頻段, 平臺噪聲對矢量水聽器矢量通道的影響較大; 在40 Hz頻點處, 由于航向調節(jié)機構工作對矢量水聽器矢量通道具有最大58 dB的譜級升高。針對水下滑翔機平臺噪聲測量結果, 從5方面進行了減振降噪處理和優(yōu)化, 測試結果表明, 平臺優(yōu)化后較之前由航向調節(jié)機構對矢量水聽器產生的噪聲干擾大幅降低, 但在200 Hz以下的低頻段, 航向調節(jié)機構工作對矢量水聽器矢量通道仍具有較大的噪聲干擾。所得結論可為水下聲學滑翔機在進行水中目標探測時的頻率處理范圍選擇提供參考。

水下聲學滑翔機; 矢量水聽器; 平臺噪聲; 減振降噪

0 引言

近年來, 隨著傳感器技術及水聲信號處理的發(fā)展, 水下滑翔機在水中目標探測方面的應用得到了高度重視。我國在水下滑翔機平臺集成聲學系統(tǒng)方面成果顯著, 中科院聲學所通過在水下滑翔機艏部艙段安裝聲矢量探測系統(tǒng), 并在2014年完成了湖上和海上測試試驗, 但試驗只進行了聲學系統(tǒng)對單頻信號的探測性能, 測試效果不理想且測試內容不完善[4]。同年, 海軍潛艇學院和天津大學合作, 通過在現有“海燕-II”水下滑翔機平臺上集成矢量水聽器, 成功研制出了可用于水中目標探測的水下聲學滑翔機原理樣機[5]，如圖1所示。

圖1 水下聲學滑翔機示意圖

當前, 水下滑翔機主要用于海洋環(huán)境觀測任務。聲學系統(tǒng)工作時對水下滑翔機平臺自噪聲非常敏感, 但涉及相關影響以及平臺減振降噪處理方面的研究則相對較少。中科院聲學所于2016年對水下滑翔機電池滑動、油泵啟動和電池滾動3種工況條件下平臺噪聲進行了測試[6-8], 由于測試過程中聲壓水聽器沒有安裝在水下滑翔機平臺上, 沒有準確測量到水下滑翔機電池滑動過程的平臺噪聲, 且沒有提出平臺噪聲優(yōu)化方案。在南海某海域開展的基于水下滑翔機平臺海洋環(huán)境噪聲觀測試驗, 由于平臺自噪聲影響, 導致800 Hz和1 600 Hz高頻段海洋環(huán)境噪聲譜級大于100 Hz和200 Hz的低頻段[9]。為了更好地開展矢量水聽器在水下滑翔機平臺上的應用工作, 海軍潛艇學院在消聲水池多次開展了水下滑翔機各工況下的自噪聲測量試驗, 分析水下滑翔機平臺噪聲對矢量水聽器各通道接收信號的影響, 并根據試驗結果進行了平臺減振降噪處理和優(yōu)化, 測試表明降噪處理后的水下滑翔機平臺自噪聲顯著降低, 這對提高水下聲學滑翔機水中目標探測能力具有十分重要的意義。

1 水下滑翔機平臺噪聲分析

對水下滑翔機平臺各工況下的輻射噪聲進行有效測量, 得到水下滑翔機自噪聲聲源分布及其特性是指導減振降噪措施的實施和平臺優(yōu)化的前提, 同時也是保證水下聲學滑翔機進行水中目標探測的關鍵。

一般來講, 水下滑翔機的自噪聲主要分為水動力噪聲、螺旋槳噪聲和機械噪聲3大類。水下滑翔機在剖面滑翔工作模式下最大水平滑翔速度約為1 kn, 且矢量水聽器外部有聚氨酯導流罩保護, 可將水動力噪聲的影響控制到很小。同時, 水下聲學滑翔機進行水下目標探測任務時, 主要采用剖面滑翔工作模式, 只有發(fā)現可疑目標緊急上浮報警以及遇到其他突發(fā)狀況時才會啟動螺旋槳。因此, 機械噪聲是水下滑翔機平臺噪聲的主要噪聲源。在整個水下滑翔機剖面滑翔工作階段, 姿態(tài)調節(jié)單元和浮力調節(jié)單元對機械噪聲的貢獻最大, 其中姿態(tài)調節(jié)單元包括俯仰調節(jié)機構和航向調節(jié)機構兩部分。俯仰調節(jié)機構通過沿平臺中軸線前后移動電池包進行俯仰角調節(jié), 實現平臺上浮和下潛運動; 而航向調節(jié)機構則通過繞平臺中軸線轉動電池包進行橫滾角調節(jié), 當滑翔機偏離計劃航向時完成航向控制。當水下滑翔機下潛至最大工作深度時, 油泵電機啟動開始工作, 將液油排到油囊以增加滑翔機平臺的浮力, 使其完成由下潛到上浮的過渡。水下滑翔機在剖面滑翔過程中, 俯仰調節(jié)機構和浮力調節(jié)單元只有在水面準備下潛階段和水下最大工作深度準備上浮階段工作, 而航向調節(jié)機構則需一直工作來實時調整航向, 因此, 水下滑翔機機械噪聲中要著重考慮航向調節(jié)機構自噪聲影響。

2 水下滑翔機聲學探測系統(tǒng)

水下滑翔機平臺可采集長時間、大深度和大范圍的水中聲學數據, 是開展水中目標探測的優(yōu)勢平臺之一, 很多研究成果已充分顯示了水下滑翔機平臺在水聲學領域的重要應用前景[10-12]。海軍潛艇學院研制的水下聲學滑翔機搭載的聲學載荷為一種大深度同振式矢量水聽器, 與聲壓水聽器相比, 其提供了更加全面的聲場信息, 大大提高了聲場分析的能力, 在水下滑翔機平臺上集成單個矢量水聽器即可實現水中目標的全空間無模糊測向, 降低了平臺的搭載負擔和集成復雜度。

圖2為矢量水聽器實物圖, 其設計指標為: 工作頻帶20 Hz~5 kHz, 聲壓通道靈敏度級≥–192 dB (0 dB=1 V/μPa), 矢量通道靈敏度級≥–180 dB(1 kHz), 質量約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 矢量水聽器實物圖

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

本研究中所有數據經過SPSS20.0軟件處理，以（±s）表示計量資料，兩組癥狀消失時間及β-HCG恢復時間的比較經t檢驗，計數資料采用百分比表示，兩組療效及不良反應的比較經χ2檢驗。P＜0.05則提示數據差異具有統(tǒng)計學意義。

由圖3可以看出: 1) 矢量水聽器聲壓通道(通道)自噪聲譜級在整個頻率范圍內均小于0級海況海洋環(huán)境噪聲; 2) 矢量水聽器矢量通道自噪聲譜級隨頻率降低而增大, 每倍頻程增大約8 dB, 這使得矢量通道自噪聲在低頻段達到最大, 并高于6級海況海洋環(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) 矢量水聽器矢量通道與聲壓通道自噪聲譜級差異隨頻率降低而增大, 由4 kHz頻點2 dB譜級差異增大到20 Hz頻點處最大37 dB的譜級差異。

圖3 矢量水聽器自噪聲測試曲線

3 水下滑翔機平臺噪聲測試和優(yōu)化

為更好地開展矢量水聽器在水下滑翔機平臺上的應用, 文中深入分析了天津大學“海燕-II”平臺噪聲對矢量水聽器各通道接收信號的干擾影響, 并對“海燕-II”平臺進行了減振降噪處理和優(yōu)化。

3.1 水下滑翔機平臺噪聲測試

由于水下滑翔機在水下工作時存在電池滑動、電池轉動、油泵啟動和螺旋槳轉動等輻射噪聲, 水下聲學滑翔機在水中接收目標信號的同時也會受到這些噪聲信號的干擾, 因此有必要對水下滑翔機各種工作狀態(tài)下的輻射噪聲進行測量, 以指導平臺進行減振降噪處理和優(yōu)化。為進一步對“海燕-II”平臺噪聲基本特性進行深入分析, 定量描述平臺各噪聲源對矢量水聽器聲壓通道和矢量通道的影響, 先后在國家深海基地管理中心消聲水池進行了水下滑翔機電池滑動、電池轉動、油泵啟動和螺旋槳轉動4種工況下的自噪聲測試試驗。試驗測試布局如圖4所示, 試驗過程采用分步運轉法測試水下滑翔機各工況平臺自噪聲。

圖5~圖7分別給出了同振式矢量水聽器聲壓通道、矢量通道(方向垂直水下滑翔機機身)和矢量通道(方向平行水下滑翔機機身)測量得到的水下滑翔機在4種工況下的噪聲譜級與相應各通道自噪聲級的對比結果, 該結果是由矢量水聽器接收水下滑翔機各工況下平臺噪聲數據并采用1/3倍頻程譜計算方法處理得到的。

圖4 水下聲學滑翔機平臺噪聲測試布局示意圖

圖5 水下聲學滑翔機各工況下矢量水聽器聲壓通道噪聲譜級

圖6 水下聲學滑翔機各工況下矢量水聽器矢量X通道噪聲譜級

由圖5~圖7可知, 水下滑翔機在4種工況下產生的噪聲級均明顯大于各通道自噪聲, 且在200 Hz以下的低頻段對矢量通道的影響明顯大于對聲壓通道的影響; 在800~950 Hz頻段范圍內, 由聲壓通道測量的油泵啟動噪聲譜存在很高的平臺峰, 該平臺峰對應的噪聲譜級在這4種測試工況中最大; 在100~500 Hz頻段范圍內, 電池滑動、油泵啟動和螺旋槳轉動3種工況下對矢量通道的影響大于對矢量通道的影響, 而電池轉動在該頻段范圍內對兩通道的影響基本一致。

圖7 水下聲學滑翔機各工況下矢量水聽器矢量Y通道噪聲譜級

由以上測試結果可知, 水下滑翔機平臺上集成的聲學系統(tǒng)在電池滑動、電池轉動、油泵啟動和螺旋槳轉動4種工況下均會受到嚴重的近場干擾, 因此需要對水下滑翔機平臺進行減振降噪處理和對聲學系統(tǒng)工作模式進行優(yōu)化。由于水下滑翔機在剖面滑翔過程中需要實時調整航向, 航向調節(jié)機構無法停止工作, 因此尤其需要對水下滑翔機航向調節(jié)機構產生的自噪聲進行詳細分析。

圖8為水下滑翔機航向調節(jié)機構工作期間矢量水聽器聲壓通道采集到的時域噪聲信號, 圖中可看出由航向調節(jié)機構產生的噪聲脈沖干擾, 這是由于“海燕-II”滑翔機是通過電磁抱閘實現轉向機構自鎖并進行航向控制, 而抱閘開關會對機構產生較強的脈沖激勵, 從而引起較強的振動噪聲。

圖8 航向調節(jié)機構工作階段時域信號

圖9為水下滑翔機航向調節(jié)機構工作時矢量水聽器各通道噪聲譜級, 圖10給出了航向調節(jié)機構開始工作時,矢量水聽器各通道噪聲譜級升高值。由圖中可知, 在500 Hz以下的低頻段, 航向調節(jié)機構對矢量通道的影響較大, 其中40 Hz頻點處,矢量通道具有最大58 dB的譜級升高;在1500~ 2 500 Hz頻段范圍內, 聲壓通道也具有20 dB以上的譜級升高, 這將嚴重影響水下聲學滑翔機水中目標探測性能, 因此需要對水下滑翔機航向調節(jié)機構進行減振降噪處理, 同時優(yōu)化航向調節(jié)機構控制策略來降低水下滑翔機平臺自噪聲水平。

圖9 航向調節(jié)機構工作時矢量水聽器噪聲譜級

圖10 航向調節(jié)機構開始工作時矢量水聽器噪聲升高譜級

3.2 水下滑翔機減振降噪措施和優(yōu)化

由以上分析可知, 水下滑翔機在剖面滑翔過程中, 聲學系統(tǒng)主要受航向調節(jié)機構產生的電磁抱閘振動噪聲影響, 文中依據噪聲產生、傳播及干擾機理, 主要從優(yōu)化轉向調節(jié)機構、優(yōu)化轉向控制策略、阻斷噪聲傳播途徑、電磁兼容性優(yōu)化設計和優(yōu)化聲學系統(tǒng)工作模式5個方面進行水下聲學滑翔機平臺減振降噪處理和優(yōu)化。

1) 優(yōu)化轉向調節(jié)機構

海洋環(huán)境觀測水下滑翔機是通過電機和齒輪傳動機構帶動偏心重物實現航向控制, 電磁抱閘實現轉向機構自鎖。抱閘開關因對機構產生較強的脈沖激勵而引起殼體振動噪聲, 齒輪傳動機構在嚙合時也會產生噪聲, 驅動電機進行電子轉向時也具有轉矩波動噪聲, 這些噪聲都嚴重干擾聲學系統(tǒng)信號的接收。為避免電磁抱閘產生的振動噪聲, 降低齒輪的嚙合噪聲, 并消除驅動電機轉矩噪聲, 選用帶自鎖功能的蝸輪蝸桿進行水下滑翔機橫滾角調節(jié), 從而避免電磁抱閘噪聲; 同時, 蝸輪蝸桿嚙合平穩(wěn), 可降低齒輪的嚙合噪聲; 通過在滾轉機構驅動電機上增加編碼器, 提高電機轉動控制精度, 從而消除力矩波動, 提高滾轉重物轉動的平穩(wěn)性。以上這些轉向調節(jié)機構優(yōu)化方案, 都將降低水下滑翔機轉向調節(jié)機構轉動的自噪聲對聲學系統(tǒng)的干擾影響。

2) 優(yōu)化轉向控制策略

為確保水下滑翔機轉向調節(jié)機構轉速穩(wěn)定, 驅動電機采用速度閉環(huán)控制, 采用比例-積分-微分(proportion-integral-derivative, PID)算法進行轉速調節(jié), 但由于偏心重物轉動時屬于變載荷, 難免會引起電機轉速波動, 如PID參數選用不合適將加劇振動, 甚至引起振動發(fā)散。針對驅動電機載荷變化的特殊情況進行PID參數優(yōu)化, 選用最優(yōu)PID參數, 提高轉向調節(jié)機構的轉動穩(wěn)定性, 從而降低振動噪聲。并根據水下滑翔機性能需求合理設置電機轉速, 使?jié)L轉機構產生的噪聲頻率遠離目標探測監(jiān)測范圍, 從而避免滾轉機構對聲學系統(tǒng)產生的不利影響。

3) 阻斷噪聲傳播途徑

水下滑翔機平臺振動噪聲主要由結構體的傳導傳播和空間輻射傳播2種傳播途徑影響聲學系統(tǒng), 通過在聲學載荷、轉向調節(jié)機構和水下滑翔機殼體之間設計占用的阻尼結構, 阻斷振動噪聲由轉向調節(jié)機構向聲學載荷的傳播途徑。針對噪聲的輻射傳播, 通過在水下滑翔機殼體內壁噴涂橡膠吸聲材料, 并在水下滑翔機內部布置吸聲結構, 從而降低噪聲的輻射傳播。

4) 電磁兼容性優(yōu)化設計

水下滑翔機轉向調節(jié)機構為變載荷, 會引起驅動電機電流波動, 從而影響水下滑翔機干端電路供電的穩(wěn)定性, 這將對聲學系統(tǒng)正常工作產生不利影響。為保證聲學系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性, 對現有水下滑翔機平臺進行電磁兼容性優(yōu)化, 設計聲學系統(tǒng)獨立耐壓艙段, 屏蔽電磁輻射干擾, 并采用獨立的隔離型電源供電, 阻斷電磁傳導干擾。

5) 優(yōu)化聲學系統(tǒng)工作模式

水下滑翔機在水下進行目標探測任務時, 采用剖面滑翔工作模式。水下滑翔機在水面下潛階段、最大工作深度上浮階段和遇到突發(fā)狀況需要啟動螺旋槳時, 聲學系統(tǒng)均斷電停止工作, 通過優(yōu)化聲學系統(tǒng)工作模式可消除水下滑翔機電池滑動、油泵啟動和螺旋槳轉動產生的平臺噪聲。

圖11給出了水下滑翔機減振降噪處理和優(yōu)化后, 航向調節(jié)機構工作期間, 矢量水聽器聲壓通道采集到的時域噪聲信號。與圖8比較可知, 水下滑翔機平臺優(yōu)化后消除了由航向調節(jié)機構產生的噪聲脈沖干擾。圖12和圖13分別給出了水下滑翔機平臺優(yōu)化后航向調節(jié)機構工作時, 矢量水聽器各通道噪聲譜級, 以及航向調節(jié)機構開始工作時, 矢量水聽器各通道噪聲譜級的升高值。圖14為水下滑翔機平臺優(yōu)化后較優(yōu)化前航向調節(jié)機構工作期間矢量水聽器各通道噪聲降低情況。

圖11 優(yōu)化后航向調節(jié)機構工作階段時域信號

圖12 優(yōu)化后航向調節(jié)機構工作時矢量水聽器噪聲譜級

圖13 優(yōu)化后航向調節(jié)機構開始工作時矢量水聽器噪聲升高譜級

圖14 航向調節(jié)機構優(yōu)化后較優(yōu)化前噪聲降低譜級

由圖12~圖14可知: 1) 水下滑翔機平臺優(yōu)化后向調節(jié)機構對矢量水聽器產生的噪聲干擾大幅降低, 較優(yōu)化前, 矢量水聽器聲壓通道在2 kHz頻點處具有最大25 dB的噪聲降低, 而矢量通道在80 Hz頻點處則具有最大28 dB的噪聲降低; 2) 優(yōu)化后,矢量水聽器聲壓通道噪聲譜級在水下滑翔機航向調節(jié)機構工作期間仍具有5 dB左右的升高, 但在整個頻率范圍內小于0級海況海洋環(huán)境噪聲; 3) 優(yōu)化后, 水下滑翔機航向調節(jié)機構工作時對矢量水聽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, 由水下滑翔機航向調節(jié)機構產生的輻射噪聲對矢量水聽器矢量通道具有10 dB以上的噪聲干擾, 且在40 Hz頻點處具有最大40 dB的噪聲影響; 4) 優(yōu)化后, 水下滑翔機航向調節(jié)機構工作期間矢量水聽器矢量通道在200 Hz以下的低頻段噪聲仍較大且高于6級海況海洋環(huán)境噪聲, 因此水下聲學滑翔機在水中進行目標探測時, 頻率處理范圍應選在200 Hz以上的高頻段。

4 結束語

文中分析了現有“海燕-II”平臺主要噪聲源, 并在消聲水池進行了水下滑翔機在4種工況下的自噪聲測量試驗, 定量描述了水下滑翔機平臺噪聲對同振式矢量水聽器各通道接收信號的影響。由試驗結果可以看出, 水下滑翔機平臺上集成的矢量水聽器在水下滑翔機的4種工況下均會受到嚴重的近場噪聲干擾, 特別是在40 Hz頻點處由于航向調節(jié)機構工作而具有最大58 dB的譜級升高。針對水下滑翔機平臺噪聲測量結果, 文中從5個方面進行了水下滑翔機平臺減振降噪處理和優(yōu)化, 測試結果表明, 優(yōu)化后水下滑翔機平臺的航向調節(jié)機構對矢量水聽器產生的噪聲干擾大幅降低, 且航向調節(jié)機構工作期間矢量水聽器聲壓通道噪聲譜級在整個頻率范圍內小于0級海況海洋環(huán)境噪聲, 但在100 Hz以下的低頻段, 航向調節(jié)機構工作對矢量水聽器矢量通道仍具有較大的噪聲干擾。

基于水下聲學滑翔機的目標探測技術已成為水中目標無人機動監(jiān)測能力建設的重要支撐, 如何實現長時間、高隱蔽、大范圍、低成本及實時的水中目標探測是目前面臨的巨大挑戰(zhàn)。文中的研究結果是在消聲水池測量得到, 為得到更準確的水下滑翔機各工況條件下的平臺噪聲水平, 還需進一步在水下滑翔機正常剖面滑翔工作模式下測試分析水下滑翔機平臺噪聲, 并開展平臺減振降噪優(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.

國家重點研發(fā)計劃(2019YFC030313); 青島海洋科學與技術試點國家實驗室“問海計劃”項目(2017WHZZB0601).

王 超(1988-), 男, 博士, 助理研究員, 主要研究方向為水聲信號處理和水下無人平臺應用技術.

王超, 韓梅, 孫芹東, 等. 水下聲學滑翔機平臺噪聲測試與優(yōu)化[J].水下無人系統(tǒng)學報, 2020, 28(4): 396-402.

(責任編輯: 楊力軍)