劉璐，肖靈

1中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京100190 2中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049

混合驅(qū)動水下滑翔機自噪聲測量及分析

劉璐1，2，肖靈1

1中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京100190 2中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049

［目的］混合驅(qū)動水下滑翔機是一種融合了傳統(tǒng)自主式無人潛航器（AUV）和水下滑翔機（AUG）驅(qū)動方式的新型水下航行器。為研究混合驅(qū)動水下滑翔機自噪聲的噪聲源分布及基本特征，［方法］首先進行自噪聲采集系統(tǒng)的設(shè)計與研制，并在消聲水池中進行噪聲分析實驗。以2016年8月南海某海域1 000 m深度范圍內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)為研究對象，通過分步運轉(zhuǎn)法，得到實航下滑翔機平臺不同工作狀態(tài)下的自噪聲數(shù)據(jù)。［結(jié)果］試驗分析與研究結(jié)果表明，設(shè)計和研制的自噪聲采集系統(tǒng)工作穩(wěn)定，在滑翔工作模式下水下滑翔機的機械噪聲對自噪聲的貢獻最大，500 Hz以上的高頻段時自噪聲與浮力調(diào)節(jié)單元工作密切相關(guān)，在1 kHz達到峰值。［結(jié)論］所得結(jié)論對水下滑翔機減振降噪措施的實施和性能的改進可提供一些指導(dǎo)。

混合驅(qū)動水下滑翔機；自噪聲；數(shù)據(jù)采集；減振降噪

0 引 言

水下滑翔機（Autonomous Underwater Gliders，AUG）是一種新型潛航器，其依靠自身的浮力驅(qū)動，具有使用費用低、續(xù)航能力強、隱蔽性高和控制靈活等特點。與傳統(tǒng)的觀測手段相比，利用水下滑翔機對海洋環(huán)境進行觀測具有無法比擬的優(yōu)勢：適于長時間、大范圍、連續(xù)垂直剖面的海洋環(huán)境觀測［1-3］。而水聲隱身性是海洋觀測設(shè)備最基本的技術(shù)性能之一，滑翔機平臺本體噪聲的大小不僅直接決定著海洋背景聲場測量的成敗，而且還會影響滑翔機被敵方聲吶探測到的幾率。對其自噪聲進行有效的測量和分析是保證滑翔機進行海洋觀測的前提，而且，還可用于指導(dǎo)滑翔機減振降噪措施的正確實施與輔助水下噪聲系統(tǒng)的聲學(xué)設(shè)計和噪聲預(yù)報［4］。

水下滑翔機的概念由美國海洋學(xué)家Henry Stommel于上世紀(jì)90年代提出。1995年以來，美國先后研制出Slocum，Seaglider和Spray等多種水下滑翔機，并逐步實現(xiàn)了產(chǎn)品化［5-7］。傳統(tǒng)水下滑翔機受其自身結(jié)構(gòu)的限制，具有速度慢、機動性差、運動形式單一等缺點，很難進行特殊場合的海洋探測任務(wù)。為了提高滑翔機在較強海流下的抗流能力和機動能力，混合驅(qū)動水下滑翔機（Hybriddriven Underwater Gliders，HUG）逐漸成為當(dāng)前的研究熱點［8］。2007年，美國佛羅里達大學(xué)研制了一臺混合驅(qū)動水下滑翔機AUV Powered Glider，其工作深度可達4 000 m，可攜帶側(cè)掃聲吶、聲通信設(shè)備和取樣設(shè)備等多種傳感器，主要用于各種物理或化學(xué)海洋參數(shù)的觀測［9］。法國ACSA公司研制的SeaExplorer滑翔機結(jié)合水下聲學(xué)定位系統(tǒng)，能夠在不浮出水面的情況下完成自定位［10］。國內(nèi)對水下滑翔機的相關(guān)理論研究和技術(shù)研發(fā)起步于21世紀(jì)初，天津大學(xué)、沈陽自動化研究所和中國海洋大學(xué)等均研制出了海試樣機，現(xiàn)正處于湖試和海試試驗階段。2007年，天津大學(xué)成功研制出第1臺混合驅(qū)動水下滑翔機，2014年又研制出Petrel滑翔機，并完成了一系列的海試試驗［11］。沈陽自動化研究所自主研發(fā)的“海翼”號深?；铏C在馬里亞納海溝完成了大深度下潛觀測任務(wù)并安全回收，其最大下潛深度達6 329 m，刷新了水下滑翔機最大下潛深度6 000 m的世界記錄。

將水下滑翔機用于海洋觀測首先要對其本體自噪聲展開研究?；谒禄铏C獨特的驅(qū)動方式，一般的研究都突出了滑翔機的低噪聲，但有關(guān)滑翔機本體自噪聲的噪聲源分布和基本特征的專項研究卻較少。Ferguson等［12］將搭載了水聽器的滑翔機用于監(jiān)測水下聲環(huán)境，簡單說明了在低于0.5 m/s的滑翔速度下水動力噪聲可以忽略，而浮力調(diào)節(jié)單元和姿態(tài)調(diào)節(jié)單元的工作則只在短暫的時刻對水聽器的測量有干擾。2013年5月，葡萄牙阿爾加維大學(xué)在葡萄牙海岸布放了搭載SR-1水聽器的Slocum水下滑翔機，用于探測水下噪聲，結(jié)果表明滑翔機可對水下噪聲進行時間和空間尺度上的有效探測。2015年，中國海洋大學(xué)將水下滑翔機用于湍流的觀測，通過實驗，證明滑翔機本體的自噪聲對湍流能的測量影響很小，滑翔機平臺的振動主要來源于油泵、電池包的移動和俯仰調(diào)節(jié)時比較大的振蕩［13］。對其自噪聲進行有效的測量和分析是保證滑翔機進行海洋探測的前提，而且還可用于指導(dǎo)滑翔機減振降噪措施的正確實施。

本文的研究平臺是天津大學(xué)研制的Petrel II水下滑翔機，該滑翔機是目前我國自主研發(fā)的多型水下滑翔機中工作深度較深、航程較遠、在位工作時間較長的一種滑翔機系統(tǒng)?；赑etrel II不利的水下工作環(huán)境對體積、重量、功耗、可移植性等方面的要求，本文將首先設(shè)計并實現(xiàn)對滑翔機平臺自噪聲采集系統(tǒng)的研制，包括深水水聽器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2個部分。水聽器及陣列對滑翔機平臺的自噪聲非常敏感，系統(tǒng)回油、排油、姿態(tài)調(diào)整、螺旋槳推進及滑翔機周圍流體的流動等均會產(chǎn)生噪聲并被水聽器接收到。然后，在消聲水池中進行噪聲分析實驗，并在南海某海域進行實航下滑翔機平臺自噪聲數(shù)據(jù)的采集。通過對采集到的不同電機啟動狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進行分析，最終得到該混合驅(qū)動水下滑翔機自噪聲的基本特性。深入分析滑翔機平臺的自噪聲特點對研究滑翔機平臺的減振降噪技術(shù)具有很好的指導(dǎo)意義。

1 水下滑翔機自噪聲組成

對水下滑翔機自噪聲進行有效的測量與分析是保證滑翔機進行海洋觀測的前提，而且還可用于指導(dǎo)滑翔機減振降噪措施的正確實施及輔助水下噪聲系統(tǒng)的聲學(xué)設(shè)計與噪聲預(yù)報。當(dāng)滑翔機出現(xiàn)故障時，其聲信號特性會發(fā)生一定的改變，對滑翔機自噪聲的檢測將有助于對機器設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，這對于及時發(fā)現(xiàn)和消除滑翔機在使用過程中出現(xiàn)的聲學(xué)故障，確保其聲隱身性能基本不變具有重要意義。

明確混合驅(qū)動水下滑翔機自噪聲的主要來源是實現(xiàn)其振動噪聲控制、聲學(xué)特征隱蔽的先決條件。通常意義上講，水下航行體自噪聲主要分為機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲3大類。其中機械噪聲指由殼體內(nèi)部機械設(shè)備振動引起的水下輻射噪聲，主要由機械設(shè)備振動通過支撐結(jié)構(gòu)與非支撐結(jié)構(gòu)激勵殼體振動產(chǎn)生；螺旋槳噪聲由螺旋槳在非均勻、非定常水流中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生；水動力噪聲由水介質(zhì)流經(jīng)附體、開孔等而形成［14-17］。

圖1所示為Petrel II系統(tǒng)內(nèi)部布局結(jié)構(gòu)示意圖，其中系統(tǒng)俯仰與橫滾調(diào)節(jié)單元動作、螺旋槳推進系統(tǒng)工作以及系統(tǒng)周圍的流體流動均是Petrel II系統(tǒng)自噪聲的主要來源。Petrel II系統(tǒng)有3種工作模式。在進行海洋觀測時，Petrel II系統(tǒng)設(shè)定為滑翔工作模式，因只有在遇到突發(fā)狀況時其才會開啟螺旋槳，所以在海洋觀測任務(wù)中進行自噪聲分析時可以忽略螺旋槳噪聲的貢獻。Petrel II系統(tǒng)處于滑翔工作模式時最大水平滑翔速度為0.5 m/s，并且自噪聲采集系統(tǒng)的水聽器放置在流線型的導(dǎo)流罩內(nèi)，可有效防止空化噪聲的產(chǎn)生并降低水流的直接撞擊，從而將水動力噪聲控制到很小。在低速狀態(tài)下，機械噪聲對水下潛航器的影響最大，其中輔機是產(chǎn)生機械噪聲的主要來源。從實現(xiàn)的功能進行劃分，Petrel II系統(tǒng)可以分為耐壓主體、浮力調(diào)節(jié)單元、姿態(tài)調(diào)節(jié)單元、尾部推進單元、應(yīng)急拋載單元、通信與定位單元、任務(wù)傳感單元及控制單元。其中，浮力調(diào)節(jié)單元和姿態(tài)調(diào)節(jié)單元對機械噪聲的貢獻最大。Petrel II系統(tǒng)的姿態(tài)調(diào)節(jié)單元包括俯仰和橫滾2個部分。俯仰電機通過沿軸線前后移動來俯仰調(diào)節(jié)重塊（電池），以完成下潛或上浮時的滑翔控制，以及從下潛至上浮時的過渡控制。而橫滾電機則通過繞軸線轉(zhuǎn)動來橫滾調(diào)節(jié)重塊（電池），以調(diào)整滑翔機的橫滾姿態(tài)，使其做螺旋運動，完成滑翔與推進時的航向控制。當(dāng)滑翔機下潛到設(shè)定深度時，泵電機開始工作，將液油排到外皮囊來增加滑翔機的浮力，以使之下潛速度降低并開始上浮。需要進一步進行噪聲分析實驗和出海試驗以對滑翔機平臺機械噪聲的組成進行深入分析，從而確定泵電機、橫滾電機和俯仰電機等對自噪聲的貢獻。

圖1 Petrel II內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Internal structure of Petrel II

2 水下滑翔機自噪聲測量

2.1 自噪聲采集系統(tǒng)

基于Petrel II水下滑翔機不利的水下工作環(huán)境對體積、重量、功耗、可移植性等的要求，設(shè)計并實現(xiàn)了混合驅(qū)動水下滑翔機平臺自噪聲采集系統(tǒng)。自噪聲采集系統(tǒng)包括深水水聽器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2個部分。由于各種自噪聲聲源相互交錯，傳播途徑多變，且測量點離聲源距離很近，導(dǎo)致要準(zhǔn)確測量自噪聲比較困難，測量結(jié)果受水聽器安裝位置、安裝方式、指向性和通道增益設(shè)置等的影響較大，因此在設(shè)計時需要綜合考慮各種因素。其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮多通道、功耗、噪聲、體積和可擴展性等幾個重要的性能參數(shù)。

深水水聽器負責(zé)采集聲信號，并把聲信號轉(zhuǎn)化為電信號，因此其探測范圍和接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性將直接影響測量結(jié)果的好壞。所設(shè)計的水聽器具有強耐壓性和均勻的阻抗特性，靈敏度不低于-160 dB，能夠探測0～50 kHz頻率范圍內(nèi)的聲音信號，具有全指向性。該水聽器順利通過了60 MPa的高靜水壓力試驗，能夠滿足現(xiàn)今Petrel II水下滑翔機的深度要求，也有利于滑翔機性能的改進。通過測試發(fā)現(xiàn)，將水聽器安裝在滑翔機尾部，并放置在流線型的導(dǎo)流罩內(nèi)可有效防止空化噪聲的產(chǎn)生并降低水流的直接撞擊，進而將水動力噪聲控制到很小。通過耐壓試驗和水池試驗，發(fā)現(xiàn)水聽器均無漏水現(xiàn)象且工作性能穩(wěn)定，能夠適應(yīng)Petrel II水下滑翔機不利的工作環(huán)境，可滿足用于自噪聲測量的技術(shù)指標(biāo)要求。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負責(zé)將水聽器及陣列采集和轉(zhuǎn)換的電信號進行濾波、放大、添加時間標(biāo)簽、存儲并上傳。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖2所示，其可滿足采集混合驅(qū)動水下滑翔機自噪聲的技術(shù)要求。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件部分，CPU使用的是ADI公司的ADSP-BF518芯片，是一款超低功耗且功能強大的微處理器，特點介于傳統(tǒng)DSP處理器與ARM處理器之間。其通過在上面移植uClinux操作系統(tǒng)，經(jīng)SPORT接口以DMA傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)傳輸給CPU，然后以RTC實時時鐘為文件名按照一定的格式將數(shù)據(jù)存儲到SD卡，從而完成信號的采集與存儲。其通過串口和網(wǎng)口與上位機進行通信來滿足水下滑翔機對數(shù)據(jù)傳輸速度的要求。在整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計和驅(qū)動程序的開發(fā)中，AD的選擇和使用是最為關(guān)鍵的部分。AD部分選擇了6通道、高精度、16位串行可編程的AD73360。采樣率、輸入信號增益和通道數(shù)都是可編程的，采樣率可設(shè)置為64，32，16和8 kHz，增益可在0～38 dB之間選擇。AD73360能保證6路模擬信號同時采樣，且在變換過程中延遲很小。系統(tǒng)中，使用3片AD73360級聯(lián)到ADSP-BF518上可以實現(xiàn)18通道同步采集，但此時串口速率和采樣率會受到級聯(lián)的限制，采樣頻率最高不能超過 32 kHz，可以滿足需求［18］。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖Fig.2 Diagram of data acquisition system

基于水聲學(xué)研究和水聲工程設(shè)計試驗成本高、耗時長的特點，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)移植了uClinux操作系統(tǒng)，在一定程度上提高了系統(tǒng)的可靠性和隱蔽性，使得系統(tǒng)具有很好的擴展性，可以有效降低開發(fā)成本并減少資源的浪費。而針對系統(tǒng)的高帶寬需求，若直接用SPORT接口中斷去接收18個通道的數(shù)據(jù)流勢必會造成數(shù)據(jù)丟失。為此，本文設(shè)計了基于DMA的乒乓緩存數(shù)據(jù)接收模塊，在降低內(nèi)核資源使用的同時可有效避免數(shù)據(jù)丟失，保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的高速、可靠傳輸。

2.2 出海試驗布置

混合驅(qū)動水下滑翔機上，某些自噪聲的采集比較困難，且測試信號也易受環(huán)境干擾的影響，因此在出海試驗之前，先在消聲水池中進行了噪聲分析實驗，噪聲測試結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，姿態(tài)調(diào)節(jié)單元的電池滑動對背景噪聲的影響很小，而浮力調(diào)節(jié)單元的泵電機的工作則嚴(yán)重影響到了背景噪聲的測量，其頻率主要分布在500 Hz以上的高頻段，至1 kHz時達到峰值。2016年8月，在南海某海域進行了海洋背景聲場的試驗。在該試驗中，通過分步運轉(zhuǎn)法進行了實航下Petrel II水下滑翔機自噪聲數(shù)據(jù)的采集。這里的分步運轉(zhuǎn)法是指在不同時間、相同外部條件下，逐個啟動或關(guān)閉系統(tǒng)的不同組成部分，并逐次測量其輻射聲功率，然后進行比較，該方法簡單且直接。

圖3 消聲水池條件下的系統(tǒng)噪聲測量分析結(jié)果Fig.3 The noise measurement results in anechoic tank

試驗海域如圖4所示，水深約1 100 m。將Petrel II水下滑翔機航速設(shè)定為1 kn，為了測試需要，在33 h內(nèi)連續(xù)不間斷地采集了不同深度的16個連續(xù)剖面，其中最大下潛深度是1 040 m，每3 min以一個bin文件格式將采集到的噪聲數(shù)據(jù)存儲到SD卡中，總的數(shù)據(jù)量是14.5 GB。Petrel II選擇滑翔工作模式，以避免螺旋槳噪聲的干擾?；铏C在水下以鋸齒狀軌跡滑翔，并在下潛和上浮的過程中對不同工作狀態(tài)下的自噪聲進行測量。當(dāng)浮出水面時，滑翔機通過尾部天線與衛(wèi)星進行通信，接收新的指令并上傳數(shù)據(jù)?；铏C攜帶的任務(wù)傳感器CTD儀可以測量水體的溫度、鹽度和深度信息。在此次南海試驗中，獲取了海洋1 000 m深度范圍內(nèi)水下滑翔機正常工作時的自噪聲和連續(xù)海洋環(huán)境噪聲實驗數(shù)據(jù)，其中包括Petrel II滑翔機在不同工作狀態(tài)下的自噪聲情況。

3 自噪聲分析及控制

3.1 測量噪聲分析

混合驅(qū)動水下滑翔機平臺的自噪聲很大程度上與滑翔機自身的物理特性和工作狀態(tài)有關(guān)，其大小直接決定了海洋背景聲場測量的成敗。雖然已在消聲水池中對Petrel II滑翔機進行了噪聲分析，并分析了其姿態(tài)調(diào)節(jié)單元工作時電池滑動和浮力調(diào)節(jié)單元工作時泵電機啟動對消聲水池背景聲場的影響，但滑翔機在實際海試應(yīng)用中，在不同海況下，以不同航速航行于不同海域、不同深度時的自噪聲水平都不盡相同，需要結(jié)合湖試和海試的實際數(shù)據(jù)來對Petrel II系統(tǒng)的自噪聲特性進行進一步的驗證和分析，以輔助對滑翔機減振降噪技術(shù)的改進?；旌向?qū)動水下滑翔機的自噪聲是一個隨機的過程，其重要特征就是功率譜。傳統(tǒng)的功率譜估計方法為周期圖譜估計法，因平滑性不好且分辨率不高，故通過采用漢明窗（Hamming）消除由矩形窗旁瓣帶來的譜失真的方法對周期圖譜估計法進行改進。分析中，給出了1/3倍頻程譜估計，并考察了噪聲的譜形狀和譜級。

試驗中，Petrel II水下滑翔機在運行中自動記錄了海水溫度、鹽度和滑翔機的深度數(shù)據(jù)、電機的工作狀態(tài)以及相應(yīng)的噪聲數(shù)據(jù)。通過對不同電機工作狀態(tài)下噪聲數(shù)據(jù)的分析，獲取了俯仰電機、橫滾電機和泵電機等工作時對自噪聲的貢獻，并對上文中分析的問題進行了驗證。圖5所示為姿態(tài)調(diào)整示意圖，圖中：mr為橫滾調(diào)節(jié)重塊質(zhì)量，kg；mp為俯仰調(diào)節(jié)重塊質(zhì)量，kg；er為橫滾調(diào)節(jié)重塊的偏心距，m；φ為橫滾調(diào)節(jié)重塊的角度，（°）。

圖4 試驗海域Fig.4 Area for sea trial

圖5 姿態(tài)調(diào)節(jié)示意圖Fig.5 Sketch of attitude adjustment

選取2016年8月海試中第5個剖面的數(shù)據(jù)對水下滑翔機平臺自噪聲進行相關(guān)分析。在第5個剖面的測量過程中，海況平穩(wěn)，該剖面的最大下潛深度是1 040 m，附近沒有船舶干擾。分析中，分別選取只有俯仰電機、橫滾電機或泵電機工作時的數(shù)據(jù)，并選取相應(yīng)深度且沒有任何電機工作狀態(tài)下的數(shù)據(jù)作為參考，忽略聲學(xué)測量系統(tǒng)時鐘的誤差和幾十米深度上海洋環(huán)境噪聲的差異，并分析俯仰電機、橫滾電機和泵電機對自噪聲的貢獻。

圖6和圖7分別為俯仰電機與橫滾電機的工作狀態(tài)信號頻譜及1/3倍頻程聲壓譜級變化。與無電機工作狀態(tài)的噪聲數(shù)據(jù)相比，由信號頻譜可以看出，俯仰電機和橫滾電機工作時產(chǎn)生的自噪聲比較低，1/3倍頻程聲壓譜級的變化量一般也都控制在5 dB范圍內(nèi)。所得結(jié)果與上文中振動噪聲測試顯示的結(jié)果一致：姿態(tài)調(diào)節(jié)單元中的俯仰電機和橫滾電機工作會對自噪聲有所貢獻，但貢獻較小。不過，滑翔機在進行海洋環(huán)境觀測時，仍應(yīng)降低姿態(tài)調(diào)節(jié)電機的動作頻率，這樣就需要有針對性的優(yōu)化姿態(tài)調(diào)節(jié)方案。圖8所示為泵電機的工作狀態(tài)信號頻譜及1/3倍頻程聲壓譜級變化。由圖可見，與無電機工作狀態(tài)的噪聲數(shù)據(jù)相比，其結(jié)果與上文中振動噪聲測試結(jié)果也一致，即浮力調(diào)節(jié)單元泵電機工作產(chǎn)生的自噪聲很高且占據(jù)的頻段很寬。不過，浮力調(diào)節(jié)單元的泵電機是在滑翔機到達設(shè)定深度、在實現(xiàn)下潛和上浮時才會工作，因此可以優(yōu)化采樣策略，在浮力系統(tǒng)工作時，采用停止采集的方法來避免泵電機工作產(chǎn)生的自噪聲的影響。

3.2 減振降噪措施

滑翔機在實際海試應(yīng)用中，在不同海況下，以不同航速航行于不同海域、不同深度時的自噪聲水平不盡相同，結(jié)合消聲水池噪聲測試結(jié)果和2016年8月在南海的試驗結(jié)果，驗證了自噪聲采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而1 000 m深度范圍內(nèi)的連續(xù)剖面采樣得到的滑翔機平臺自噪聲數(shù)據(jù)則可用于指導(dǎo)滑翔機減振降噪措施的正確實施。水下滑翔機平臺自噪聲的有效控制不僅可以減小對水聽器及陣列的測量干擾，而且對維持內(nèi)部機械電子設(shè)備的正常運作有一定的益處，同時還能減小被敵方聲吶探測到的幾率，是關(guān)系到海洋觀測任務(wù)成敗的關(guān)鍵。

圖6 俯仰電機的工作狀態(tài)信號頻譜及1/3倍頻程聲壓譜級變化Fig.6 The signal spectrum and 1/3 octave spectrum changes when pitch motor works

圖7 橫滾電機的工作狀態(tài)信號頻譜及1/3倍頻程聲壓譜級變化Fig.7 The signal spectrum and 1/3 octave spectrum changes when roll motor works

圖8 泵電機的工作狀態(tài)信號頻譜及1/3倍頻程聲壓譜級變化Fig.8 The signal spectrum and 1/3 octave spectrum changes when pump motor works

自噪聲的控制技術(shù)可以按如圖9所示的滑翔機平臺自噪聲控制技術(shù)展開優(yōu)化：

圖9 滑翔機平臺自噪聲控制優(yōu)化Fig.9 Optimization of self-noise control for glider platform

1）在進行海洋觀測時，應(yīng)將滑翔機設(shè)定為滑翔工作模式，并在開啟螺旋槳時停止采樣。

2）優(yōu)化姿態(tài)調(diào)整方案和采樣策略，盡量降低姿態(tài)調(diào)節(jié)電機的動作頻率并在浮力調(diào)整單元處于工作狀態(tài)時停止采集。

3）結(jié)合測試結(jié)果對滑翔機的機身外形和機翼設(shè)計進行優(yōu)化，進一步減小系統(tǒng)阻力。

另外，當(dāng)機器或設(shè)備出現(xiàn)故障時，水下滑翔機的聲信號特性一般會發(fā)生改變，而對自噪聲的研究則有助于對機器設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，這對及時發(fā)現(xiàn)和消除水下滑翔機在使用過程中出現(xiàn)的聲學(xué)故障，確保其聲隱身性能基本不變具有重要的意義。

4 結(jié) 語

文章通過在消聲水池中進行的噪聲分析試驗，對混合驅(qū)動水下滑翔機自噪聲的基本特征有了基本的認(rèn)識。在2016年8月在南海的試驗中，通過采用分步運轉(zhuǎn)法對不同電機啟動狀態(tài)下的自噪聲進行實航測量，得到了1 000 m深度范圍內(nèi)的噪聲數(shù)據(jù)。經(jīng)分析，驗證了自噪聲采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性，得到了浮力調(diào)節(jié)單元和姿態(tài)調(diào)整單元對自噪聲的貢獻。其中，橫滾電機和俯仰電機工作時產(chǎn)生的噪聲比較小，一般控制在5 dB以下；而浮力調(diào)節(jié)單元的泵電機及其排油回油過程產(chǎn)生的噪聲則比較大，最大可以增加50 dB，且頻段影響很寬。結(jié)合自噪聲測量結(jié)果的分析，對滑翔機的減振降噪措施提出了一定的建議：設(shè)定為滑翔工作模式；優(yōu)化姿態(tài)調(diào)整方案和采樣策略；優(yōu)化外形設(shè)計等。優(yōu)化并測試完畢的混合驅(qū)動水下滑翔機將作為海洋中的一個節(jié)點，可實現(xiàn)長時間、大范圍、連續(xù)垂直剖面的海洋環(huán)境觀測。

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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

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.

Hybrid-driven Underwater Gliders（HUG）；self-noise；data acquisition；vibration and noise control

U661.44；TB56

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.04.021

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170727.1035.042.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

劉璐，肖靈.混合驅(qū)動水下滑翔機自噪聲測量及分析［J］.中國艦船研究，2017，12（4）：132-139.

LIU L，XIAO L .Measurement and analysis of self-noise in hybrid-driven underwater gliders［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（4）：132-139.

2017-02-28< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間：

時間：2017-7-27 10:35

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFC0301100，2016YFB0201100）

劉璐（通信作者），女，1990年生，博士生。研究方向：信號與信息處理。

E-mail：13398625258@163.com

肖靈，男，1968年生，博士，研究員。研究方向：信號處理，水聲物理。

E-mail：xling@mail.ioa.ac.cn