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

Chinese Journal of Ship Research - - 中国舰船研究 -

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

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