自主水下航行器自噪聲控制及實驗驗證

張明，馬驍晨，李建龍

(浙江大學 信息與電子工程學院，浙江 杭州 310027)

0 引 言

自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）是一種可以根據預設任務，在水下自主航行的無人潛水器，具有自主航行、自主導航、自主探測的功能[1-4]。近年來隨著AUV 能源、導航、自動控制技術等方面的提升，AUV 作為移動測量平臺逐漸被應用于海洋環境監測、水下目標識別、水底地形探測等領域[5-7]。由于AUV 平臺較小，其自噪聲嚴重制約搭載于平臺的聲吶系統性能。如何有效控制AUV 的自噪聲，對于平臺聲吶系統實現最佳性能具有重要實際意義。

AUV 的自噪聲主要由航行器舵機等產生的機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲幾部分組成[8-9]。文中的AUV 典型航速為3 kn，航速較低，噪聲主要由機械振動、螺旋槳噪聲產生[10]，本文主要對舵機等轉動產生的機械噪聲、螺旋槳噪聲進行分析。通過AUV 平臺與聲吶系統一體化控噪設計，利用機械降噪、隔振材料、智能控制等手段，對AUV 進行系統性噪聲控制。

1 AUV 自噪聲分析及控制

1.1 自噪聲分析

本文AUV 推進系統采用單推進器、4 個舵機驅動的方式，其結構如圖1 所示。推進器電機固定于艙體內部，通過聯軸器、傳動軸驅動螺旋槳轉動，產生推力；4 個舵機固定于艙體內部，通過軸桿驅動舵板轉動，控制方向和升沉。

圖 1 AUV 推進系統結構圖Fig. 1Propulsion system structure diagram

首先在室內對推進器噪聲、舵機噪聲進行測試。推進器噪聲分為電機噪聲、電機加傳動軸的噪聲，以及電機加傳動軸和螺旋槳的噪聲。電機噪聲指拆除傳動軸和螺旋槳，只將電機固定在艙體內工作所產生的噪聲；電機加傳動軸噪聲指電機接上傳動軸后工作所產生的噪聲；電機加傳動軸和螺旋槳噪聲指電機接上傳動軸，并且安裝螺旋槳后工作所產生的噪聲。為了測試不同部件的噪聲，本文對這幾部分噪聲單獨測試。聲學測量設備為麥克風和一套數據采集系統，其中數據采集系統采樣頻率52 kHz。室內噪聲測試結果已經做歸一化處理。

圖2 為電機在不同轉速下（分別為300 ，400 和500 r/min）的噪聲，可以發現在15 kHz 附近有一個較強的單頻信號，其頻率值不隨轉速的改變而發生變化，其幅度會隨著轉速的增大而增大。

圖3 比較了推進系統電機噪聲、電機加傳動軸的噪聲，以及電機加傳動軸和螺旋槳的噪聲，電機轉速500 r/min。可以發現，3 種情況總體噪聲特性基本一致，加裝傳動軸、螺旋槳后在低頻處的噪聲會增大。由于在空氣中測試，螺旋槳轉動沒有與水體接觸的噪聲，所以相比于只安裝傳動軸，噪聲特性變化不大，需要在湖上進一步測試。

對舵機噪聲進行測試，如圖4 所示。這是轉舵18°的噪聲測量結果，可以發現噪聲頻帶較寬，并且在低頻區域（0.5～1 kHz）噪聲尤為明顯。

圖 2 不同轉速下電機噪聲、幅度已歸一化處理Fig. 2The motor noise at different speeds, the amplitude has been normalized

圖 3 推進系統電機噪聲、電機加傳動軸噪聲，以及電機加傳動軸和螺旋槳噪聲比較Fig. 3Comparison of propulsion system motor noise,motor plus drive shaft noise, and motor plus drive shaft and propeller noise

1.2 自噪聲控制

電機通過螺絲固定在艙體內部，為了減小電機振動，并且減小振動噪聲通過殼體傳播，本文在電機固定面增加橡膠墊。此外，在電機艙內壁包裹一圈隔音棉，以起到吸收噪聲、減小噪聲通過艙體向外輻射的效果。圖5 為對電機進行降噪處理后的測量結果，可以發現降噪效果較為明顯，尤其是在15 kHz 處，噪聲下降約20 dB。

通過分析可知，電機安裝傳動軸后噪聲會變大，其中一個原因是傳動軸與電機安裝不夠緊密，對傳動軸連接件做改進，使安裝間隙減小，以起到降噪的效果。

本文AUV 采用的是減速舵機，通過齒輪減速，以提高轉動扭矩，所以在轉舵過程中由于齒輪的轉動，會產生噪聲。1.1 節圖4 中舵機是快速轉舵18°，也就是驅動模塊在收到轉舵18°指令后，以最快的速度轉到18°的舵角。通過優化舵機轉舵方式，降低轉舵速度，但又不影響控制效果，比如每20 ms 轉舵4°，100 ms 內完成轉舵，這樣舵機齒輪轉動的噪聲就會降低。圖6 為優化轉舵方式后的噪聲特性與未優化時的噪聲特性比較結果，可以看到優化轉舵方式后，噪聲明顯減小。

優化轉舵方式能降低舵機的噪聲，根據測量任務，優化推進系統控制方式，也能進一步降低噪聲，對此將在湖上試驗進行驗證。

圖 4 舵機轉舵噪聲，背景噪聲，舵機轉動噪聲Fig. 4Steering gear rudder noise: background noise,steering gear rotating noise

圖 5 電機降噪處理后的噪聲，降噪前的電機轉動的噪聲，增加橡膠墊和隔音棉后的噪聲Fig. 5Noise after motor noise reduction processing; noise from motor rotation before noise reduction, noise after adding rubber pad and sound insulation cotton

2 湖上試驗

AUV 首先在湖上利用水聽器進行噪聲測試，圖7比較了AUV 靜止狀態下電機轉動、電機安裝螺旋槳后轉動，以及舵機轉舵情況下的噪聲。電機轉動時噪聲頻譜較寬，在15 kHz 處有一個明顯的噪聲，與室內測試一致；當安裝螺旋槳后，由于螺旋槳在水體中轉動，低頻處的噪聲會增大；轉舵時，低頻處的噪聲較大，與室內測試一致。

圖 6 優化轉舵方式的噪聲，背景噪聲，優化轉舵方式后的噪聲，原始轉舵方式下的噪聲Fig. 6The noise of the optimized rudder mode; background noise;the noise after optimized rudder mode; noise in the original rudder mode

圖 7 AUV 靜止狀態下湖上噪聲測試，背景噪聲，未安裝螺旋槳的噪聲，安裝螺旋槳后的噪聲；舵機轉動的噪聲Fig. 7AUV noise test on the lake in a static state, background noise, noise without propeller installed, noise after propeller installed; noise from steering gear rotation

湖上航行試驗主要對AUV 工作狀態下總體噪聲進行測試，即AUV 以平均航速3 kn 航行，航行深度10 m，利用搭載在AUV 上的水聽器及數據采集系統記錄噪聲，比較AUV 正常航行，以及經過智能噪聲控制后的噪聲特性。智能噪聲控制指根據測量任務，優化轉舵方式，優化電機控制，但不影響整體航行及測量。噪聲測試結果如圖8 所示。在正常航行情況下，AUV 噪聲較大，在低頻處噪聲大于100 dB；當進行智能噪聲控制后，噪聲幅度明顯減小，1 kHz 以上頻率除個別頻點外基本控制在80 dB 以下。個別頻點可能是測試環境中有其他信號的干擾，需要進一步驗證。

3 結 語

本文主要對AUV 推進系統自噪聲進行分析，提出自噪聲控制方法，通過隔振材料和吸聲材料的應用，降低推進器電機的噪聲；通過減小聯軸器與電機及螺旋槳的安裝間隙，降低聯軸器等傳動裝置引入的噪聲；通過優化轉舵控制方式，減小舵機轉動時的噪聲；通過優化推進系統控制方式，降低AUV 工作時的噪聲。通過室內及湖上測量，驗證了降噪措施的有效性。湖上試驗結果表明，在典型平均航速為3 kn 情況下，平臺自噪聲1 kHz 以上頻段可控制在80 dB 以下。

圖 8 AUV 湖上航行噪聲測試，背景噪聲，智能噪聲控制后的結果，正常航行的噪聲Fig. 8AUV noise test on the lake in sailing mode; background noise, the result of intelligent noise control,noise without intelligent noise control