張明，馬驍晨，李建龍

(浙江大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

0 引 言

自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）是一種可以根據(jù)預(yù)設(shè)任務(wù)，在水下自主航行的無人潛水器，具有自主航行、自主導(dǎo)航、自主探測的功能[1-4]。近年來隨著AUV 能源、導(dǎo)航、自動控制技術(shù)等方面的提升，AUV 作為移動測量平臺逐漸被應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測、水下目標(biāo)識別、水底地形探測等領(lǐng)域[5-7]。由于AUV 平臺較小，其自噪聲嚴(yán)重制約搭載于平臺的聲吶系統(tǒng)性能。如何有效控制AUV 的自噪聲，對于平臺聲吶系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最佳性能具有重要實(shí)際意義。

AUV 的自噪聲主要由航行器舵機(jī)等產(chǎn)生的機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲幾部分組成[8-9]。文中的AUV 典型航速為3 kn，航速較低，噪聲主要由機(jī)械振動、螺旋槳噪聲產(chǎn)生[10]，本文主要對舵機(jī)等轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲進(jìn)行分析。通過AUV 平臺與聲吶系統(tǒng)一體化控噪設(shè)計(jì)，利用機(jī)械降噪、隔振材料、智能控制等手段，對AUV 進(jìn)行系統(tǒng)性噪聲控制。

1 AUV 自噪聲分析及控制

1.1 自噪聲分析

本文AUV 推進(jìn)系統(tǒng)采用單推進(jìn)器、4 個(gè)舵機(jī)驅(qū)動的方式，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。推進(jìn)器電機(jī)固定于艙體內(nèi)部，通過聯(lián)軸器、傳動軸驅(qū)動螺旋槳轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生推力；4 個(gè)舵機(jī)固定于艙體內(nèi)部，通過軸桿驅(qū)動舵板轉(zhuǎn)動，控制方向和升沉。

圖 1 AUV 推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1Propulsion system structure diagram

首先在室內(nèi)對推進(jìn)器噪聲、舵機(jī)噪聲進(jìn)行測試。推進(jìn)器噪聲分為電機(jī)噪聲、電機(jī)加傳動軸的噪聲，以及電機(jī)加傳動軸和螺旋槳的噪聲。電機(jī)噪聲指拆除傳動軸和螺旋槳，只將電機(jī)固定在艙體內(nèi)工作所產(chǎn)生的噪聲；電機(jī)加傳動軸噪聲指電機(jī)接上傳動軸后工作所產(chǎn)生的噪聲；電機(jī)加傳動軸和螺旋槳噪聲指電機(jī)接上傳動軸，并且安裝螺旋槳后工作所產(chǎn)生的噪聲。為了測試不同部件的噪聲，本文對這幾部分噪聲單獨(dú)測試。聲學(xué)測量設(shè)備為麥克風(fēng)和一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣頻率52 kHz。室內(nèi)噪聲測試結(jié)果已經(jīng)做歸一化處理。

圖2 為電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下（分別為300 ，400 和500 r/min）的噪聲，可以發(fā)現(xiàn)在15 kHz 附近有一個(gè)較強(qiáng)的單頻信號，其頻率值不隨轉(zhuǎn)速的改變而發(fā)生變化，其幅度會隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大。

圖3 比較了推進(jìn)系統(tǒng)電機(jī)噪聲、電機(jī)加傳動軸的噪聲，以及電機(jī)加傳動軸和螺旋槳的噪聲，電機(jī)轉(zhuǎn)速500 r/min。可以發(fā)現(xiàn)，3 種情況總體噪聲特性基本一致，加裝傳動軸、螺旋槳后在低頻處的噪聲會增大。由于在空氣中測試，螺旋槳轉(zhuǎn)動沒有與水體接觸的噪聲，所以相比于只安裝傳動軸，噪聲特性變化不大，需要在湖上進(jìn)一步測試。

對舵機(jī)噪聲進(jìn)行測試，如圖4 所示。這是轉(zhuǎn)舵18°的噪聲測量結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)噪聲頻帶較寬，并且在低頻區(qū)域（0.5～1 kHz）噪聲尤為明顯。

圖 2 不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)噪聲、幅度已歸一化處理Fig. 2The motor noise at different speeds, the amplitude has been normalized

圖 3 推進(jìn)系統(tǒng)電機(jī)噪聲、電機(jī)加傳動軸噪聲，以及電機(jī)加傳動軸和螺旋槳噪聲比較Fig. 3Comparison of propulsion system motor noise,motor plus drive shaft noise, and motor plus drive shaft and propeller noise

1.2 自噪聲控制

電機(jī)通過螺絲固定在艙體內(nèi)部，為了減小電機(jī)振動，并且減小振動噪聲通過殼體傳播，本文在電機(jī)固定面增加橡膠墊。此外，在電機(jī)艙內(nèi)壁包裹一圈隔音棉，以起到吸收噪聲、減小噪聲通過艙體向外輻射的效果。圖5 為對電機(jī)進(jìn)行降噪處理后的測量結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)降噪效果較為明顯，尤其是在15 kHz 處，噪聲下降約20 dB。

通過分析可知，電機(jī)安裝傳動軸后噪聲會變大，其中一個(gè)原因是傳動軸與電機(jī)安裝不夠緊密，對傳動軸連接件做改進(jìn)，使安裝間隙減小，以起到降噪的效果。

本文AUV 采用的是減速舵機(jī)，通過齒輪減速，以提高轉(zhuǎn)動扭矩，所以在轉(zhuǎn)舵過程中由于齒輪的轉(zhuǎn)動，會產(chǎn)生噪聲。1.1 節(jié)圖4 中舵機(jī)是快速轉(zhuǎn)舵18°，也就是驅(qū)動模塊在收到轉(zhuǎn)舵18°指令后，以最快的速度轉(zhuǎn)到18°的舵角。通過優(yōu)化舵機(jī)轉(zhuǎn)舵方式，降低轉(zhuǎn)舵速度，但又不影響控制效果，比如每20 ms 轉(zhuǎn)舵4°，100 ms 內(nèi)完成轉(zhuǎn)舵，這樣舵機(jī)齒輪轉(zhuǎn)動的噪聲就會降低。圖6 為優(yōu)化轉(zhuǎn)舵方式后的噪聲特性與未優(yōu)化時(shí)的噪聲特性比較結(jié)果，可以看到優(yōu)化轉(zhuǎn)舵方式后，噪聲明顯減小。

優(yōu)化轉(zhuǎn)舵方式能降低舵機(jī)的噪聲，根據(jù)測量任務(wù)，優(yōu)化推進(jìn)系統(tǒng)控制方式，也能進(jìn)一步降低噪聲，對此將在湖上試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖 4 舵機(jī)轉(zhuǎn)舵噪聲，背景噪聲，舵機(jī)轉(zhuǎn)動噪聲Fig. 4Steering gear rudder noise: background noise,steering gear rotating noise

圖 5 電機(jī)降噪處理后的噪聲，降噪前的電機(jī)轉(zhuǎn)動的噪聲，增加橡膠墊和隔音棉后的噪聲Fig. 5Noise after motor noise reduction processing; noise from motor rotation before noise reduction, noise after adding rubber pad and sound insulation cotton

2 湖上試驗(yàn)

AUV 首先在湖上利用水聽器進(jìn)行噪聲測試，圖7比較了AUV 靜止?fàn)顟B(tài)下電機(jī)轉(zhuǎn)動、電機(jī)安裝螺旋槳后轉(zhuǎn)動，以及舵機(jī)轉(zhuǎn)舵情況下的噪聲。電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)噪聲頻譜較寬，在15 kHz 處有一個(gè)明顯的噪聲，與室內(nèi)測試一致；當(dāng)安裝螺旋槳后，由于螺旋槳在水體中轉(zhuǎn)動，低頻處的噪聲會增大；轉(zhuǎn)舵時(shí)，低頻處的噪聲較大，與室內(nèi)測試一致。

圖 6 優(yōu)化轉(zhuǎn)舵方式的噪聲，背景噪聲，優(yōu)化轉(zhuǎn)舵方式后的噪聲，原始轉(zhuǎn)舵方式下的噪聲Fig. 6The noise of the optimized rudder mode; background noise;the noise after optimized rudder mode; noise in the original rudder mode

圖 7 AUV 靜止?fàn)顟B(tài)下湖上噪聲測試，背景噪聲，未安裝螺旋槳的噪聲，安裝螺旋槳后的噪聲；舵機(jī)轉(zhuǎn)動的噪聲Fig. 7AUV noise test on the lake in a static state, background noise, noise without propeller installed, noise after propeller installed; noise from steering gear rotation

湖上航行試驗(yàn)主要對AUV 工作狀態(tài)下總體噪聲進(jìn)行測試，即AUV 以平均航速3 kn 航行，航行深度10 m，利用搭載在AUV 上的水聽器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄噪聲，比較AUV 正常航行，以及經(jīng)過智能噪聲控制后的噪聲特性。智能噪聲控制指根據(jù)測量任務(wù)，優(yōu)化轉(zhuǎn)舵方式，優(yōu)化電機(jī)控制，但不影響整體航行及測量。噪聲測試結(jié)果如圖8 所示。在正常航行情況下，AUV 噪聲較大，在低頻處噪聲大于100 dB；當(dāng)進(jìn)行智能噪聲控制后，噪聲幅度明顯減小，1 kHz 以上頻率除個(gè)別頻點(diǎn)外基本控制在80 dB 以下。個(gè)別頻點(diǎn)可能是測試環(huán)境中有其他信號的干擾，需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

3 結(jié) 語

本文主要對AUV 推進(jìn)系統(tǒng)自噪聲進(jìn)行分析，提出自噪聲控制方法，通過隔振材料和吸聲材料的應(yīng)用，降低推進(jìn)器電機(jī)的噪聲；通過減小聯(lián)軸器與電機(jī)及螺旋槳的安裝間隙，降低聯(lián)軸器等傳動裝置引入的噪聲；通過優(yōu)化轉(zhuǎn)舵控制方式，減小舵機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)的噪聲；通過優(yōu)化推進(jìn)系統(tǒng)控制方式，降低AUV 工作時(shí)的噪聲。通過室內(nèi)及湖上測量，驗(yàn)證了降噪措施的有效性。湖上試驗(yàn)結(jié)果表明，在典型平均航速為3 kn 情況下，平臺自噪聲1 kHz 以上頻段可控制在80 dB 以下。

圖 8 AUV 湖上航行噪聲測試，背景噪聲，智能噪聲控制后的結(jié)果，正常航行的噪聲Fig. 8AUV noise test on the lake in sailing mode; background noise, the result of intelligent noise control,noise without intelligent noise control