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        航空無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)降噪分析

        2020-07-09 09:03:26于濤閻雷雨
        粘接 2020年6期
        關(guān)鍵詞:無(wú)人機(jī)

        于濤 閻雷雨

        摘要:為有效解決航空無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)噪聲過(guò)大問(wèn)題,設(shè)計(jì)了低噪聲無(wú)人機(jī)系統(tǒng)與動(dòng)力系統(tǒng)降噪裝置。由于噪聲是基于震動(dòng)生成的,因此低噪聲無(wú)人機(jī)系統(tǒng)利用震動(dòng)采集裝置采集電機(jī)震動(dòng)頻率,以逆壓電效應(yīng),控制器以震動(dòng)頻率控制裝置生成與其相反的反向震動(dòng),以此與電機(jī)震動(dòng)相互抵消,實(shí)現(xiàn)噪聲控制。而降噪裝置與無(wú)人機(jī)主體側(cè)端四個(gè)角度均衡等距銜接的連接桿頂端相互對(duì)接,風(fēng)扇固定安裝于其上端,固定板固定于其內(nèi)部,彈簧安設(shè)于固定板上端,減震板配置于彈簧上層,橡膠皮墊安置于減震板上端?;陲L(fēng)扇裝置可實(shí)現(xiàn)降噪整體性能優(yōu)化,基于降噪裝置可實(shí)現(xiàn)減振綜合性能提升,以此使得航空無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效降噪。

        關(guān)鍵詞:航空;無(wú)人機(jī);動(dòng)力系統(tǒng);降噪

        中圖分類(lèi)號(hào):V279

        文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        文章編號(hào):1001-5922(2020)06-0176-03

        既有航空無(wú)人機(jī)由于結(jié)構(gòu)與材料等各種客觀因素,在飛行時(shí)極易生產(chǎn)過(guò)大噪聲,然而在現(xiàn)代化無(wú)人機(jī)實(shí)際應(yīng)用中,其中部分對(duì)于無(wú)人機(jī)噪聲的要求十分明確嚴(yán)格,即需基于低噪聲環(huán)境采集圖像,無(wú)人機(jī)飛行位置過(guò)高,圖像采集清晰度將會(huì)降低,飛行位置過(guò)低,則會(huì)生成較大噪聲。航空無(wú)人機(jī)噪聲的主要來(lái)源是動(dòng)力系統(tǒng)的電機(jī),電機(jī)高速運(yùn)行導(dǎo)致其艙內(nèi)出現(xiàn)震動(dòng)現(xiàn)象,以此引發(fā)過(guò)大噪聲[1]。據(jù)此,面向電機(jī)噪聲,設(shè)計(jì)了低噪聲無(wú)人機(jī)系統(tǒng)與降噪裝置,以期能在不影響無(wú)人機(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上,有效實(shí)現(xiàn)降噪目標(biāo)。

        1 航空無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)分析

        1.1 動(dòng)力系統(tǒng)特性

        電動(dòng)固旋翼無(wú)人機(jī)任務(wù)剖面主要分為垂直起降、過(guò)渡轉(zhuǎn)換和水平飛行3個(gè)階段。垂直起降階段只有四旋翼動(dòng)力系統(tǒng)起動(dòng),過(guò)渡轉(zhuǎn)換階段固定翼推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)起動(dòng)并逐漸增大電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速用以無(wú)人機(jī)的水平加速,四旋翼動(dòng)力系統(tǒng)維持無(wú)人機(jī)的姿態(tài)穩(wěn)定且電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸降低,當(dāng)無(wú)人機(jī)水平速度達(dá)到巡航速度時(shí),四旋翼電動(dòng)機(jī)徹底關(guān)閉,進(jìn)入水平飛行階段。

        航空無(wú)人機(jī)的飛行剖面,即垂直起降、過(guò)渡轉(zhuǎn)換、水平飛行。其中,垂直起降階段只涉獵四旋翼動(dòng)力系統(tǒng)起動(dòng),過(guò)度轉(zhuǎn)換階段可促使動(dòng)力系統(tǒng)起動(dòng),且逐步加大電機(jī)轉(zhuǎn)速,以無(wú)人機(jī)水平加速度,動(dòng)力系統(tǒng)維持無(wú)人機(jī)姿勢(shì)穩(wěn)定性,動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐步下降,在無(wú)人機(jī)水平速度逐漸上升到巡航速度,電機(jī)則完全關(guān)閉,開(kāi)始水平飛行。由此可知,垂直起降與水平飛行環(huán)節(jié),航空無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行處于彼此獨(dú)立形態(tài),而過(guò)渡階段時(shí)動(dòng)力系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行,但此階段耗時(shí)非常短。為避免推進(jìn)槳轉(zhuǎn)動(dòng)受干擾,電機(jī)系統(tǒng)一般分散分布,其中槳盤(pán)范圍不會(huì)重合,且為防止機(jī)體結(jié)構(gòu)影響螺旋槳升力,槳盤(pán)圓柱面所處范圍一般會(huì)與機(jī)體結(jié)構(gòu)相分離[2]。

        1.2 動(dòng)力系統(tǒng)噪聲組成

        無(wú)人機(jī)即通過(guò)無(wú)線電遙控設(shè)施與程序控制裝置操控不載人的人機(jī)。在無(wú)人機(jī)行業(yè)快速發(fā)展趨勢(shì)下,其需求順勢(shì)增大,無(wú)人機(jī)使用環(huán)境復(fù)雜,覆蓋范圍與人群較廣,安全穩(wěn)定防范要求較高。航空無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)噪聲主要是由旋翼氣動(dòng)噪聲與電機(jī)噪聲所構(gòu)成,就電機(jī)噪聲而言,主要是螺旋槳與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)造成震動(dòng)頻率,以此嚴(yán)重影響飛機(jī)控制系統(tǒng),極易導(dǎo)致接收錯(cuò)誤信號(hào),造成無(wú)人機(jī)失控,從而損壞或者墜毀。其降噪處理集中于電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與機(jī)械震動(dòng)噪聲降低層面[3]。

        2 低噪聲航空無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        低噪聲航空無(wú)人機(jī)主要是機(jī)架與機(jī)臂構(gòu)成,基于機(jī)臂安設(shè)電機(jī)艙,艙內(nèi)電機(jī)以驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng),且內(nèi)壁與底部設(shè)置震動(dòng)采集裝置,其以傳輸線為載體銜接控制器,控制器的作用即驅(qū)動(dòng)采集裝置發(fā)生自振,與電機(jī)震動(dòng)相互抵消。震動(dòng)采集裝置通過(guò)采集電機(jī)震動(dòng)頻率,并將其傳輸于控制器,控制器基于震動(dòng)頻率控制裝置生成與震動(dòng)頻率相反頻率的震動(dòng),以此抵消電機(jī)震動(dòng)。通過(guò)低噪聲航空無(wú)人機(jī),可有效降低航空無(wú)人機(jī)電機(jī)噪聲,且不會(huì)影響其質(zhì)量輕重。低噪聲航空無(wú)人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[4]具體如圖1所示。

        2.2 震動(dòng)采集裝置

        震動(dòng)采集裝置基于壓電效應(yīng)感應(yīng)轉(zhuǎn)換電機(jī)機(jī)械震動(dòng)為電壓信號(hào),不會(huì)受環(huán)境噪聲等的影響。控制器通過(guò)電壓信號(hào)頻譜分析,獲得電機(jī)震動(dòng)頻率,據(jù)此生成反向頻率??刂破饕苑聪蝾l率為載體生成對(duì)應(yīng)電壓信號(hào),裝置通過(guò)逆壓電效應(yīng)生成反向震動(dòng),以與電機(jī)震動(dòng)相互抵消,實(shí)現(xiàn)噪聲控制。

        震動(dòng)采集裝置主要?jiǎng)澐譃榈谝徽饎?dòng)采集裝置與第二震動(dòng)采集裝置,前者安裝于電機(jī)與電機(jī)艙底部間;后者安裝于電機(jī)與電機(jī)艙側(cè)壁間,二者輸出端分別銜接于控制器。

        2.3 壓電薄膜

        由于單塊壓電薄膜生成的電壓、電荷信號(hào)過(guò)小,多塊壓電薄膜(聚偏氟乙烯制成)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)可獲取較大電荷信號(hào),且放大器可充分發(fā)揮作用放大壓電薄膜生成的微小信號(hào)。因此,選用多塊壓電薄膜,以并聯(lián)與放大器為載體,放大電壓、電荷信號(hào),以實(shí)現(xiàn)控制器有效控制噪聲。

        聚偏氟乙烯制成壓電薄膜,溫度穩(wěn)定,使得電機(jī)高溫不會(huì)造成嚴(yán)重影響,且其機(jī)械性能強(qiáng)度高度,難以損壞,質(zhì)量輕,可避免影響航空無(wú)人機(jī)整體重量。

        2.4 電機(jī)艙

        電機(jī)艙側(cè)壁開(kāi)設(shè)過(guò)線孔,震動(dòng)采集裝置傳輸線基于此與控制器相互對(duì)接,且便于艙內(nèi)電機(jī)與震動(dòng)采集裝置之間的合理布線。在艙底與側(cè)壁開(kāi)設(shè)兩個(gè)過(guò)線孔,兩個(gè)震動(dòng)采集裝置傳輸線分別穿過(guò)過(guò)線孔,以銜接于控制器。同時(shí),在頂部開(kāi)設(shè)多個(gè)散熱孔,其可排除電機(jī)熱量,降低艙內(nèi)溫度。而且頂部設(shè)有軸承,傳動(dòng)軸基于其銜接于螺旋槳,以此可有效降低傳動(dòng)軸與電機(jī)艙之間的摩擦損耗,控制噪聲[5-6]。

        2.5 噪聲控制流程

        低噪聲航空無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)電機(jī)生成噪聲的有效控制流程[7]具體如圖2所示。

        3 降噪裝置設(shè)計(jì)

        3.1 降噪裝置結(jié)構(gòu)

        航空無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)降噪裝置包含航空無(wú)人機(jī)主體,側(cè)端4個(gè)角度均衡等距配置連接桿;頂端安設(shè)降噪裝置;上端設(shè)置風(fēng)扇裝置;底端安裝支撐桿,支撐桿的底端配備滑輪。

        降噪裝置內(nèi)部主要包含彈簧、底座、固定板、減震板、固定螺絲、電機(jī)、橡膠皮墊等,其中,固定板基于裝置內(nèi)部固定;固定螺絲則銜接于板上端4個(gè)角度;彈簧固定于板上端面;減震板固定于彈簧上端面;橡膠皮墊固定于減震板上端面;底座貫穿皮墊始終,固定于減震板上端面。

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