潛艇振動控制技術研究進展

姜海龍，艾夏禹，劉麗濱，楊理華

（海軍潛艇學院，山東青島 266199）

0 引言

潛艇的隱蔽性和機動性使其具有巨大威懾力量和攻擊力量。但其在航行過程中，機械設備運行會產生振動，并通過殼體對外形成輻射噪聲，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展的關鍵技術。美國海軍還在《2000—2035年海軍技術——潛艇平臺技術》報告中將潛艇聲隱身技術列為重點發展技術之首。隨著我海軍戰略轉型和遠洋航行需求，也亟待快速加強潛艇隱身性能建設。

目前，潛艇對外輻射噪聲來源主要有：潛艇結構所致水動力噪聲；潛艇螺旋槳旋轉產生噪聲；潛艇內部機械設備運行所致艇體噪聲。前兩種噪聲與結構設計直接相關，一旦結構定型，對其不易實時控制。實際上，艇用設備一般為旋轉或往復式機械，由其所致的振動信號低頻線譜特征明顯，輻射噪聲傳遞較遠，具有較大危害，是影響潛艇隱身性能的主要因素之一。因此，當前研究主要聚焦于內部機械設備振動噪聲控制，是潛艇聲隱身技術研究的熱點問題之一。然而，該方式雖在一定程度上抑制了振動傳遞，但不能完全有效降低潛艇殼體結構振動，若激振信號與殼體模態頻率接近還有可能放大振動，進而通過潛艇殼體向外更嚴重地輻射噪聲。此外，現有研究評價指標主要以減小傳遞至基礎振動為目標，受海洋環境效應影響，潛艇輻射噪聲應以近場/遠場聲目標強度為指標，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和積累，也為從全局角度開展潛艇殼體結構振動輻射噪聲控制提供了思路。為此，本文從被動隔振、主動控制、隔振執行機構以及控制策略4個方面，涵蓋了振動傳遞路徑各過程環節，較為系統地闡述了潛艇振動噪聲控制方法、途徑及研究現狀，以期為潛艇設計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用價值。

1 隔振技術研究現狀

隔振作為降低設備振動的有效措施，可分為被動隔振和主動控制。傳統被動隔振以容易設計、不需外置能源、方便安裝且價格經濟等優點，在艦船、車輛等領域有廣泛應用，但低頻隔振效果還不夠理想。主動控制是在被動隔振中引入次級能量，通過執行裝置與隔振器串聯或并聯實現能量消減，主動控制往往具有較好的中低頻振動控制效果，由于其包含執行機構、控制算法等環節，相對較為復雜，但其工程應用前景十分廣泛。

1.1 被動隔振現狀

目前，實艇上應用較多的被動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備和基座間安裝具有彈性的隔振器實現能量耗散，減少傳遞至基礎的振動。單層被動隔振原理如圖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，但是對實艇安裝空間要求較為苛刻。浮筏隔振是將多個振源設備通過單層隔振安裝在一個中間筏架上，然后中間筏架再通過隔振裝置固定于船體。浮筏隔振可有效節省船體空間且整體控制效果較好，但在振源設備較少且分散時不太實用。浮筏隔振本質上屬于雙層隔振，其低頻隔振效果仍有所不足[1]。20 世紀60 年代初，美國核潛艇在推進系統中使用浮筏隔振后，艇體結構噪聲降低15～20 dB。20世紀80年代中期，“洛杉磯”級攻擊型核潛艇輻射噪聲已降至118 dB，而“海狼”級攻擊型核潛艇噪聲達到90～100 dB，己低于三級海況海洋背景噪聲（110～120 dB）。20世紀90年代，俄羅斯在潛艇上使用工字梁框架式浮筏系統，也取得了較好隔振效果。此外，英國“機敏”號核潛艇和“特拉法爾加”級潛艇動力裝置上使用彈性筏架結構后，其聲隱身性能大幅提升。

被動隔振優點較多但仍有不足，例如存在低動剛度和失穩的矛盾。目前，被動隔振在理論及試驗方面已較為成熟，Snowdon[2]在理論上較為全面地描述被動隔振原理，即當激勵頻率與固有頻率之比大于1.4倍時才有隔振效果。Rivin EI[3]還針對隔振問題中動態特性、隔振器設計等方面進行了深入地研究。嚴濟寬[4]還系統探索了隔振基本理論與設計方法。廖道訓[5]建立了主輔機隔振系統動力學模型。實際上，被動隔振已在船舶、航空航天、車輛等領域有成熟應用[6]。

1.2 主動控制現狀

1936 年Lueg 在一項專利中首次展示了有源噪聲控制設計，這為振動主動控制技術研究提供了基本思想。該應用是在管道中對聲波進行調控，如圖2所示。使用1個執行器（揚聲器）和2 個傳感器（該應用中為2 個麥克風）。傳感器A 為參考傳感器，用于測量在管道擾動聲波信息，傳感器B 為誤差傳感器，用于監測有源聲控制系統性能，主要為控制算法提供反饋信息。假設傳感器A 不與執行器耦合，傳感器A 僅測量擾動。圖2所示結構稱為“前饋”，因為控制器根據從傳感器A 處獲得前饋信息向執行器提供信號。若控制器工作正常，執行器將產生調制聲波，用于抵消傳感器B 處的擾動聲波。在較小管道中可考慮平面波傳遞，管道內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衰減。盡管該方案十分簡單，但提出后一段時間內沒有較大發展。

圖2 管路中的聲波主動控制Fig.2 Active control of sound waves in pipes

根據上述原理，隨著數字信號處理技術發展，振動主動控制技術也日趨成熟，其涵蓋了多個復雜的學科領域，如結構動力學、信號處理、材料科學、機械振動、執行器和傳感器等知識。目前，該技術備受關注，特別是針對低頻振動噪聲控制需求。

實際上，振動主動控制是一種利用次級能量來抵消系統原始振動的控制方法[7]。該方法解決了被動隔振矛盾，如器件運行效率、低頻振動、動態穩定性、剛度等問題。主動控制技術可有效改變系統參數，其常用控制方法包括自適應濾波控制、PID控制、模糊邏輯控制等等。主動控制是在被控系統中引入次級振源，并通過控制算法實現波形疊加抵消，可分為純主動控制及混合隔振，原理如圖3～4 所示。其中，純主動控制需消耗較大能量同步控制靜態力和動態力，而混合隔振僅需較少能量控制動態力即可。

圖3 單純的主動控制Fig.3 Pure active control

圖4 混合隔振Fig.4 Hybrid vibration isolation

在振動控制領域，國外研究起步相對較早，發展也比較成熟，已有諸多成果用于工程[8－11]。例如，在機身中使用輕型振動源控制飛機內部噪聲，對轉子和變速箱進行主動控制減少直升機艙內噪聲，利用電子消聲器、發動機支架衰減汽車發動機噪音。通過結構振動主動控制抑制大風或地震所致建筑物振動，或用于防止大型橋梁顫振受損。此外，主動控制還可用于對振動比較敏感的儀器設備上，如外科顯微鏡、電子設備、激光及磁盤驅動器等。在軍事上，美國新型海狼級核潛艇裝備有源隔振系統后，具有良好的聲隱身性能[12]，其還研發了浮筏智能彈簧和主動隔振緩沖裝置，前者能抑制浮筏柔性中高頻諧振效應，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大學還設計了慣性主動隔振裝置，可有效降低護衛艦殼體結構振動所致輻射噪聲[14]。Winberg[15]還開展了Collins 級潛艇主動控制咨詢項目研究。

與此同時，國內多個研究單位也在開展噪聲及振動主動控制研究工作。例如：哈爾濱工程大學楊鐵軍團隊[16]系統闡述了主動隔振研究與發展；華中科技大學李維嘉[17]對船舶振動主動控制進展進行了研究；海軍工程大學蘇攀[18]系統分析了國內外自適應振動主動控制策略和方法。目前，各國學者主動控制研究主要聚焦于兩個方面：一是主動控制執行機構，其決定了振動控制可行性和效率；二是控制策略，這是主動控制核心所在，決定了控制系統穩健性和控制效果。

1.3 執行機構現狀

艦船振動控制中使用的執行機構（或作動器）要求較高，一般需要輸出力大、頻帶寬、結構緊湊、非線性度低等特點。目前，國內外研究常用執行機構主要有以下幾種。

（1）氣動/液壓作動器[19]利用氣體或液體壓力進行傳動，主要用于低頻振動且對需較大輸出力場合。其缺點是執行機構體積質量大、時滯較大、控制精度較低，另外在氣動作動器中，空氣的壓縮將影響執行精度。

（2）電磁作動器[20]利用磁和鐵相互作用產生電磁力，當將交流電引入激勵線圈時，會產生變化磁場，使動子做往復運動。電磁作動器應用較廣泛，具有時滯低、控制簡單等特點，一般用在輸出力不太大但對頻率要求較高場合，例如飛機、船舶及實驗室精密儀器設備振動控制等。

（3）壓電作動器[21]主要靠電壓產生壓力，主要分為薄膜型和堆積型，其中堆積型更適用于主動隔振，具有結構簡單、電壓與壓力轉換率高等特點，常用于振動頻率較高、輸出力不需要太大場合。但輸出存在時延、時滯和非線性等問題，對控制算法要求較高。

（4）磁致伸縮作動器[22]具有伸縮應變大、工作頻帶寬、輸出力大、驅動電壓低、速度快等優點，可在高頻、需要大輸出力等場合進行隔振工作，但輸出也有時延和時滯等問題，故對控制器軟硬件要求較高。

近年來，用于振動主動控制的執行機構正朝著材料新穎、性能更佳、集成度更高的方向發展。例如，在艦船隔振技術領域，海軍工程大學何琳等[23]研制出基于磁懸?。瓪饽业闹鞅粍踊旌细粽裱b置，該項隔振器控制力需求小，裝置穩定性好，具有較好的寬頻隔振和低頻線譜振動控制效果。

1.4 振動控制策略現狀

目前，在振動控制領域，控制策略主要包括兩類[24]，一類需要較為精確的被控對象模型，如PID、魯棒等基于狀態空間的控制方法；另一類不需精確被控對象，直接利用算法尋優，如自適應控制、神經網絡等。針對主動控制算法，研究人員還提出諸多自適應算法[25]，其中經典算法是基于LMS 最小均方的濾波自適應法，該算法具有結構簡單、效果明顯等優點[26]，應用十分廣泛。

實際上，早在1987 年國外學者就將自適應算法引入主動控制領域。如Elliott S J[27]基于LMS 算法獲得較好的振動噪聲控制效果。Burdisso R A、Fuller C R等[28－29]提出基于LMS 算法自適應主動控制前饋型策略，可明顯抑制結構振動所致噪聲。隨著LMS 自適應算法研究與發展，其改進算法相繼被提出，例如歸一化算法、符號算法、塊LMS 算法、變步長算法等，應用也較為廣泛[30－31]。國內學者也深入研究變步長LMS算法，武漢大學張紅梅[32]提出變步長LMS 算法并用于水位監測，取得很好的監測效果。西安交通大學牛群[33]提出改進變步長LMS 算法，增強了算法抗噪抗干擾能力，在消噪系統中取得較好控制效果。Y He、R K Thenua[34－35]還分析了LMS及其改進型NLMS算法性能，結果表明新算法收斂速度更快。

此外，由于次級通道的存在[36]，LMS算法直接用于振動主動控制，會使參考信號和誤差信號在時間上不一致，將造成系統不穩定。Morgan[37]在參考傳感器到LMS 算法濾波器間加入次級通道估計模型，將參考信號延時操作，使參考信號和誤差信號時序保持一致，也稱為濾波自適應FxLMS 算法。目前，該算法受到極大關注，其經典型及改進型工程應用前景廣泛。合肥工業大學蘇雨[38]將反饋型FxLMS 算法用于空調室內柜機主動降噪，并引入非線性濾波器，結果表明非線性反饋FxLMS 算法的低頻主動降噪效果優于線性反饋FxLMS 算法。Lei Luo[39]還提出改進PmLMS 算法，應用于車輛內部降噪，結果表明該算法降噪效果優于FxLMS 算法，工程應用潛在價值較大。

在提高算法收斂速度、穩定性和次級通道辨識準確度研究同時，還有諸多針對實際工程特定問題提出的主動控制算法。例如，劉錦春[40]針對主動控制中因條件限制無法獲得精確參考信號、算法性能下降等問題，提出一種基于FXRLS算法的反饋式振動主動控策略，實驗表明該算法具有更強魯棒性，且可在精確參考信號無法獲得時，取得較好控制效果。朱曉錦[41]針對前饋控制系統中需要輸入參考信號的局限，提出一種摒棄參考信號的方法，從誤差信號中提取與初級振動相關的變量取代參考信號，從而解決前饋控制系統參考信號不易獲取等問題。樓京俊等[42]為補償控制系統和執行機構時滯，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 算法及改進形式已被廣泛證明有效，但它主要針對線性控制系統，故應用還有局限性。實際上，當控制系統出現非線性時，基于LMS 算法的線性濾波控制器效果可能失效。振動控制系統中常見非線性環節就是作動器，在工作頻率范圍以外（或接近限制）時，通常存在非線性響應[43]。當控制系統包含是非線性環節時，也會產生非線性動力學特性。因此，在這些情況下需要設計非線性控制器，提高系統控制性能。

近年來，神經網絡（ANN）等非線性方法以其泛化性能好等優點，越來越受到關注。K S Narendra[44]首先提出利用ANN 進行非線性前饋控制思想，隨后其他學者對該問題進行了深入研究。Hassan Youserfi[45]提出基于神經網絡算法的補償器，并將其應用于同步電機振動主動控制，結果表明該方法抑制振動效果較好。邱志成[46]利用PD控制和自適應RBF模糊神經網絡算法，研究旋轉柔性鉸接梁振動主動控制，結果表明該方法能夠有效抑制鉸接梁振動。楊慶超[47]提出一種柔性神經網絡滑膜控制算法，雙層隔振系統振動主動控制表明，該算法具有較強魯棒性和控制效果。崔明月[48]針對雙層隔振系統參數時變等問題，提出一種神經網絡混合遺傳算法控制策略，結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 結束語

目前，世界各海軍強國在潛艇減振降噪及聲隱身技術研究方面，已取得顯著成果。與之相比，我國在該方面研究還相對較慢，雖然部分研究團隊取得了一些成就，但與世界先進國家潛艇相比仍然存在差距。借力海軍轉型發展需求，大力開展潛艇減振降噪和聲隱身新裝備、新技術理論研究和應用探索工作，實現新型功能材料、高性能執行器件、被動隔振、主動控制等技術有機組合。未來潛艇聲隱身技術，將從單臺機械設備振動噪聲控制向整艇全局控制發展，具體將是從剛性體結構向彈性體結構、從單點振動控制向多點振動控制、從單通道局部控制向多通道全局控制、從傳統控制方法向智能控制方法、從點振動評價向聲目標強度評價不斷轉變。因此，本研究工作具有重要的軍事意義和應用價值，可為研究人員提供系統的知識參考和借鑒，能間接提升潛艇聲隱身能力。