混合驱动水下滑翔机自噪声测量及分析

刘璐1，2，肖灵 1 1 100190中国科学院 声学研究所，北京2 100049中国科学院大学，北京

摘 要：［目的］混合驱动水下滑翔机是一种融合了传统自主式无人潜航器（AUV）和水下滑翔机（AUG）驱动方式的新型水下航行器。为研究混合驱动水下滑翔机自噪声的噪声源分布及基本特征，［方法］首先进行自噪声2016 8 1000m采集系统的设计与研制，并在消声水池中进行噪声分析实验。以 年 月南海某海域 深度范围内的观测数据为研究对象，通过分步运转法，得到实航下滑翔机平台不同工作状态下的自噪声数据。［结果］试验分析与研究结果表明，设计和研制的自噪声采集系统工作稳定，在滑翔工作模式下水下滑翔机的机械噪声对自噪声的贡献最大，500 Hz 1 kHz以上的高频段时自噪声与浮力调节单元工作密切相关，在 达到峰值。［结论］所得

结论对水下滑翔机减振降噪措施的实施和性能的改进可提供一些指导。关键词：混合驱动水下滑翔机；自噪声；数据采集；减振降噪中图分类号：U661.44；TB56 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2017.04.021

Measurement and analysis of self-noise in hybrid-driven underwater gliders LIU Lu1，2，XIAO Ling1

1 Institute of Acoustics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China 2 University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

Abstract：The Hybrid-driven Underwater Glider (HUG） is a new type of submersible vehicle which combines the functions of traditional Autonomous Underwater Vehicles（AUV）and Autonomous Underwater Gliders （AUG）. In order to study its noise source distribution and basic self-noise characteristics，a self-noise acquisition system based on the HUG was designed and developed，and a noise analysis test carried out in a free-field pool. In August 2016，the sea trial of the Petrel II glider was conducted in the South China Sea，with observation data at a depth range of 1 000 m as the research object. The self-noise data of the glider platform under different working conditions was obtained through the step-by-step operation method. The experimental analysis and results show that the self-noise acquisition system is stable. The contribution of mechanical noise to self-noise is greatest when the glider works in the gliding mode，while the self-noise band above 500 Hz is closely related to the work of the buoyancy adjustment unit，and peaks at 1 kHz. According to the analysis of the basic characteristics of self-noise，this provides some guidance for the implementation of vibration and noise reduction. Key words：Hybrid-driven Underwater Gliders（HUG）；self-noise；data acquisition；vibration and noise control

0引言

水下滑翔机（Autonomous Underwater Gliders， AUG ）是一种新型潜航器，其依靠自身的浮力驱动，具有使用费用低、续航能力强、隐蔽性高和控制灵活等特点。与传统的观测手段相比，利用水下滑翔机对海洋环境进行观测具有无法比拟的优势：适于长时间、大范围、连续垂直剖面的海洋环境观测［1-3］。而水声隐身性是海洋观测设备最基本的技术性能之一，滑翔机平台本体噪声的大小不仅直接决定着海洋背景声场测量的成败，而且还会影响滑翔机被敌方声呐探测到的几率。对其自噪声进行有效的测量和分析是保证滑翔机进行海洋观测的前提，而且，还可用于指导滑翔机减振降噪措施的正确实施与辅助水下噪声系统的声学设计和噪声预报［4］。Henry水下滑翔机的概念由美国海洋学家Stommel 90 1995于上世纪 年代提出。 年以来，美Slocum，Seaglider Spray国先后研制出 和 等多种水下滑翔机，并逐步实现了产品化［5-7］。传统水下滑翔机受其自身结构的限制，具有速度慢、机动性差、运动形式单一等缺点，很难进行特殊场合的海洋探测任务。为了提高滑翔机在较强海流下的抗流能力和机动能力，混合驱动水下滑翔机（Hybriddriven Underwater Gliders，HUG ）逐渐成为当前的研究热点［8］。2007年，美国佛罗里达大学研制了一AUV Powered Glider，其工台混合驱动水下滑翔机4 000 m作深度可达 ，可携带侧扫声呐、声通信设备和取样设备等多种传感器，主要用于各种物理ACSA或化学海洋参数的观测［9］。法国 公司研制SeaExplorer的 滑翔机结合水下声学定位系统，能够在不浮出水面的情况下完成自定位［10］。国内对水下滑翔机的相关理论研究和技术研发起步于21世纪初，天津大学、沈阳自动化研究所和中国海洋大学等均研制出了海试样机，现正处于湖试和海试试验阶段。2007年，天津大学成功研制出1 2014第 台混合驱动水下滑翔机， 年又研制出Petrel滑翔机，并完成了一系列的海试试验［11］。沈阳自动化研究所自主研发的“海翼”号深海滑翔机在马里亚纳海沟完成了大深度下潜观测任务并安6 329 m全回收，其最大下潜深度达 ，刷新了水下6000m滑翔机最大下潜深度 的世界记录。将水下滑翔机用于海洋观测首先要对其本体自噪声展开研究。基于水下滑翔机独特的驱动方式，一般的研究都突出了滑翔机的低噪声，但有关滑翔机本体自噪声的噪声源分布和基本特征的专 项研究却较少。Ferguson等［12］将搭载了水听器的滑翔机用于监测水下声环境，简单说明了在低于0.5 m/s的滑翔速度下水动力噪声可以忽略，而浮力调节单元和姿态调节单元的工作则只在短暂的2013 5时刻对水听器的测量有干扰。 年 月，葡萄SR-1牙阿尔加维大学在葡萄牙海岸布放了搭载Slocum水听器的 水下滑翔机，用于探测水下噪声，结果表明滑翔机可对水下噪声进行时间和空间尺度上的有效探测。2015年，中国海洋大学将水下滑翔机用于湍流的观测，通过实验，证明滑翔机本体的自噪声对湍流能的测量影响很小，滑翔机平台的振动主要来源于油泵、电池包的移动和俯仰调节时比较大的振荡［13］。对其自噪声进行有效的测量和分析是保证滑翔机进行海洋探测的前提，而且还可用于指导滑翔机减振降噪措施的正确实施。Petrel II本文的研究平台是天津大学研制的水下滑翔机，该滑翔机是目前我国自主研发的多型水下滑翔机中工作深度较深、航程较远、在位工Petrel II作时间较长的一种滑翔机系统。基于 不利的水下工作环境对体积、重量、功耗、可移植性等方面的要求，本文将首先设计并实现对滑翔机平台自噪声采集系统的研制，包括深水水听器和2数据采集系统 个部分。水听器及阵列对滑翔机平台的自噪声非常敏感，系统回油、排油、姿态调整、螺旋桨推进及滑翔机周围流体的流动等均会产生噪声并被水听器接收到。然后，在消声水池中进行噪声分析实验，并在南海某海域进行实航下滑翔机平台自噪声数据的采集。通过对采集到的不同电机启动状态下的数据进行分析，最终得到该混合驱动水下滑翔机自噪声的基本特性。深入分析滑翔机平台的自噪声特点对研究滑翔机平台的减振降噪技术具有很好的指导意义。

1 水下滑翔机自噪声组成

对水下滑翔机自噪声进行有效的测量与分析是保证滑翔机进行海洋观测的前提，而且还可用于指导滑翔机减振降噪措施的正确实施及辅助水下噪声系统的声学设计与噪声预报。当滑翔机出现故障时，其声信号特性会发生一定的改变，对滑翔机自噪声的检测将有助于对机器设备进行状态监测和故障诊断，这对于及时发现和消除滑翔机在使用过程中出现的声学故障，确保其声隐身性能基本不变具有重要意义。明确混合驱动水下滑翔机自噪声的主要来源是实现其振动噪声控制、声学特征隐蔽的先决条

件。通常意义上讲，水下航行体自噪声主要分为3机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声 大类。其中机械噪声指由壳体内部机械设备振动引起的水下辐射噪声，主要由机械设备振动通过支撑结构与非支撑结构激励壳体振动产生；螺旋桨噪声由螺旋桨在非均匀、非定常水流中旋转产生；水动力噪声由水介质流经附体、开孔等而形成［14-17］。1 Petrel II图 所示为 系统内部布局结构示意图，其中系统俯仰与横滚调节单元动作、螺旋桨推Petrel II进系统工作以及系统周围的流体流动均是Petrel II 3系统自噪声的主要来源。 系统有 种工作模式。在进行海洋观测时，Petrel II系统设定为滑翔工作模式，因只有在遇到突发状况时其才会开启螺旋桨，所以在海洋观测任务中进行自噪声分析时可以忽略螺旋桨噪声的贡献。Petrel II系统0.5 m/s，处于滑翔工作模式时最大水平滑翔速度为并且自噪声采集系统的水听器放置在流线型的导流罩内，可有效防止空化噪声的产生并降低水流的直接撞击，从而将水动力噪声控制到很小。在低速状态下，机械噪声对水下潜航器的影响最大，其中辅机是产生机械噪声的主要来源。从实现的功能进行划分，Petrel II系统可以分为耐压主体、浮力调节单元、姿态调节单元、尾部推进单元、应急抛载单元、通信与定位单元、任务传感单元及控制单元。其中，浮力调节单元和姿态调节单元对机械噪声的贡献最大。Petrel II系统的姿态调节2单元包括俯仰和横滚 个部分。俯仰电机通过沿轴线前后移动来俯仰调节重块（电池），以完成下潜或上浮时的滑翔控制，以及从下潜至上浮时的过渡控制。而横滚电机则通过绕轴线转动来横滚调节重块（电池），以调整滑翔机的横滚姿态，使其做螺旋运动，完成滑翔与推进时的航向控制。当滑翔机下潜到设定深度时，泵电机开始工作，将液油排到外皮囊来增加滑翔机的浮力，以使之下潜速度降低并开始上浮。需要进一步进行噪声分析实验和出海试验以对滑翔机平台机械噪声的组成进行深入分析，从而确定泵电机、横滚电机和俯仰电机等对自噪声的贡献。

2 水下滑翔机自噪声测量 2.1 自噪声采集系统

Petrel II基于 水下滑翔机不利的水下工作环境对体积、重量、功耗、可移植性等的要求，设计并实现了混合驱动水下滑翔机平台自噪声采集系统。自噪声采集系统包括深水水听器和数据采集2系统 个部分。由于各种自噪声声源相互交错，传播途径多变，且测量点离声源距离很近，导致要准确测量自噪声比较困难，测量结果受水听器安装位置、安装方式、指向性和通道增益设置等的影响较大，因此在设计时需要综合考虑各种因素。其中，数据采集系统的设计需要考虑多通道、功耗、噪声、体积和可扩展性等几个重要的性能参数。深水水听器负责采集声信号，并把声信号转化为电信号，因此其探测范围和接收数据的准确性将直接影响测量结果的好坏。所设计的水听器具有强耐压性和均匀的阻抗特性，灵敏度不低-160 dB，能够探测 0~50 kHz于 频率范围内的声音信号，具有全指向性。该水听器顺利通过了60 MPa Petrel II的高静水压力试验，能够满足现今水下滑翔机的深度要求，也有利于滑翔机性能的改进。通过测试发现，将水听器安装在滑翔机尾部，并放置在流线型的导流罩内可有效防止空化噪声的产生并降低水流的直接撞击，进而将水动力噪声控制到很小。通过耐压试验和水池试验，发现水听器均无漏水现象且工作性能稳定，能够Petrel II适应 水下滑翔机不利的工作环境，可满足用于自噪声测量的技术指标要求。数据采集系统负责将水听器及阵列采集和转换的电信号进行滤波、放大、添加时间标签、存储2并上传。数据采集系统的系统框图如图 所示，其可满足采集混合驱动水下滑翔机自噪声的技术要求。在数据采集系统的硬件部分，CPU使用ADI ADSP-BF518的是 公司的 芯片，是一款超低DSP功耗且功能强大的微处理器，特点介于传统ARM处理器与 处理器之间。其通过在上面移植uClinux SPORT DMA操作系统，经 接口以 传输的CPU，然 RTC方式将数据传输给 后以 实时时钟为SD文件名按照一定的格式将数据存储到 卡，从而完成信号的采集与存储。其通过串口和网口与上位机进行通信来满足水下滑翔机对数据传输速度的要求。在整个数据采集系统的设计和驱动程序的开发中，AD的选择和使用是最为关键的部分。AD 6通道、高精度、16部分选择了 位串行可编程