蘇常偉，梁 冉，王雪仁,，周 濤，李海超,

(1.中國人民解放軍92578部隊，北京 100161；2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

隨著信號處理技術(shù)與電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，現(xiàn)有被動聲吶識別與目標(biāo)跟蹤能力實現(xiàn)了較大提升，工作頻帶也逐漸趨近于低頻段（如拖曳陣聲吶工作頻率為50 Hz～1 kHz），探測距離逐漸變遠，精度顯著提升[1]。聲吶系統(tǒng)利用噪聲探測識別水聲目標(biāo)，水下航行器的聲輻射場強度每降低10 dB，被敵方聲吶、聲自導(dǎo)魚雷探測發(fā)現(xiàn)的距離就降低約32%[2]，從而顯著提高其隱蔽性與生存能力；而聲吶平臺自噪聲每減少5 dB，對敵方目標(biāo)的探測和追蹤距離就提高60%左右[3]，搜索海區(qū)面積將擴大3倍，充分發(fā)揮其隱蔽性實施先敵發(fā)現(xiàn)、先敵攻擊。因此，降低水下航行器振動噪聲，顯著提高水下航行器隱蔽性，對提高其生命力與戰(zhàn)斗力具有重大意義[4]。

然而水下航行器降噪技術(shù)大幅降低的只是數(shù)百赫茲以上頻段的輻射噪聲，在低頻段仍存在難以消除的線譜特征。線譜振動噪聲承載著水下航行器的重要信息，能使航行器被遠距離識別，是水聲設(shè)備探測水下航行器的重要途徑。世界各海軍強國紛紛將線譜振動噪聲控制作為水下航行器減振降噪的牽引性指標(biāo)，針對水下航行器線譜振動噪聲的問題，本文圍繞水下航行器結(jié)構(gòu)線譜振動噪聲進行回顧總結(jié)，從水下航行器線譜振動噪聲特性、預(yù)報及控制三方面展開研究，并提出降低水下航行器線譜振動噪聲的未來發(fā)展方向。

1 水下航行器線譜振動噪聲特性

水下航行器輻射噪聲的線譜分布是其“聲指紋”特征，包含著被探測、識別的重要信息。水下航行器輻射噪聲聲源集中且豐富，頻譜成分復(fù)雜，耦合嚴(yán)重，噪聲強度大，聲傳遞路徑繁瑣[5]。因此，梳理水下航行器線譜噪聲形成機理，分析水下航行器線譜噪聲頻譜特性，了解水下航行器線譜振動噪聲主要傳遞路徑，對于水下航行器線譜噪聲預(yù)報與控制具有指導(dǎo)性意義。

1.1 水下航行器線譜振動噪聲形成機理

水下航行器在航行或作業(yè)時，機械設(shè)備、推進系統(tǒng)、流固耦合面等產(chǎn)生的振動能量通過殼體向水中輻射聲波，即水下輻射噪聲，其功率譜包括連續(xù)譜和線譜兩部分[6]。

1）線譜

線譜是由頻率離散成分組成的譜，從數(shù)學(xué)角度看，一個信號若能用傅里葉級數(shù)表示，該信號的頻譜就是線譜。水下線譜噪聲通常超出連續(xù)譜噪聲約3～6 dB或以上，存在多條明顯的窄帶峰值。

2）連續(xù)譜

噪聲水平是頻率的連續(xù)函數(shù)，頻率范圍從幾赫茲到幾萬赫茲。

水下航行器線譜噪聲聲源主要有螺旋槳葉片速率線譜、機械噪聲線譜、葉片結(jié)構(gòu)唱音線譜，圖1為典型水下航行器輻射噪聲譜。

圖1 典型水下航行器輻射噪聲線譜[7]Fig.1 Line spectrum of radiated noise from typical underwater vehicles

1）螺旋槳葉片速率線譜

由渦槳驅(qū)動的水下航行體在湍流中高速航行時，螺旋槳葉片周期性切割周圍流體引起的低頻線譜諧波噪聲。其線譜噪聲與頻率系數(shù)滿足：

式中：fm為葉片做m次諧波的頻率；f0為螺旋槳軸頻；n為螺旋槳葉片數(shù)。

水下航行器高速航行時，軸頻變高，實際應(yīng)用中常將軸頻作為識別水下目標(biāo)運動速度的依據(jù)。

2）機械噪聲線譜

機械不平衡產(chǎn)生的噪聲、重復(fù)不連續(xù)的工作部件噪聲、電磁力脈沖噪聲、機械零部件碰撞噪聲、往復(fù)機活塞拍擊噪聲、軸承噪聲大都為線譜噪聲[8]。前4種線譜噪聲的主要成分是振動的基頻及其諧波分量，后2種噪聲聲譜中含有線譜分量，主要來源于曲軸旋轉(zhuǎn)頻率的諧波。

3）葉片結(jié)構(gòu)唱音線譜

當(dāng)Karman漩渦脫落頻率與槳葉固有頻率耦合時，螺旋槳葉片發(fā)生渦激共振[9]，頻率范圍在100 Hz～1 kHz，是一種低頻的強線譜。唱音發(fā)生后，唱音頻率處的螺旋槳噪聲譜級提高10～20 dB，并在較大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)持續(xù)[9]，唱音頻率幾乎不受螺旋槳轉(zhuǎn)速影響，還會引起螺旋槳周圍的水下航行器殼板劇烈振動。

除上述噪聲源外，當(dāng)航行器結(jié)構(gòu)或孔腔，尤其是表面的開孔腔體結(jié)構(gòu)作為強線譜噪聲的諧振源時，線譜噪聲的主要成分為水動力噪聲的線譜分量[10]。水下航行器總體振動和局部振動也會通過船殼輻射到水中，產(chǎn)生幾赫茲到幾百赫茲的船體結(jié)構(gòu)線譜噪聲。

1.2 水下航行器線譜振動噪聲頻譜特性

水下航行器的流激噪聲隨航速增大而冪增長，這部分線譜噪聲主要由推進系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)機械產(chǎn)生，其頻譜特性呈現(xiàn)出在10 Hz～100 Hz頻率范圍內(nèi)弱線譜與強線譜的疊加，幅值與頻率隨水下航行器的速度而改變，具有諧波形式的頻率分量[11,12]。如圖2所示，當(dāng)水下航行器處于高航速狀態(tài)時，輻射噪聲以水動力噪聲與螺旋槳噪聲為主，頻譜表現(xiàn)為寬帶連續(xù)譜；當(dāng)水下航行器處于低航速狀態(tài)時，其輻射噪聲主要為機械噪聲，頻譜表現(xiàn)為窄帶線譜[13]。中、高頻段振動噪聲衰減較快，對水下航行器整體隔聲性能的影響不大，而低頻振動噪聲能量集中，衰減緩慢，傳播距離遠，不易被其他信號調(diào)制，是水下探測的重要目標(biāo)[14]。

圖2 水下航行器噪聲頻譜圖Fig.2 Noise spectrum of underwater vehicle

1.3 水下航行器線譜振動噪聲傳遞路徑及影響

水下航行器低頻線譜振動噪聲傳遞主要路徑非常復(fù)雜，主要有以下方面[14]：

1）航行器內(nèi)機械設(shè)備周期往復(fù)運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的聲振能量經(jīng)由基座傳遞至殼體。

2）航行器螺旋槳推力脈動經(jīng)由傳動系統(tǒng)激勵艇體振動，并向周圍流體介質(zhì)輻射低頻線譜噪聲。

3）航行器內(nèi)機械設(shè)備振動引起管路振動，振動能量經(jīng)由支撐銷與海管傳遞至基座、船體。

4）管道內(nèi)液體脈動將直接在海管口形成低頻線譜輻射噪聲。

線譜振動噪聲對水下航行器有巨大危害。在軍用領(lǐng)域，降低水下航行器線譜振動噪聲能提高其聲隱身性能，提高生存力和戰(zhàn)斗力。首先，水下航行器噪聲的線譜分布是其“聲指紋”特征，包含水下航行器槳軸頻率特征以及槳葉頻率特征，低頻中還有將船體尺度作為沖激響應(yīng)系統(tǒng)的信號特征[15]，能為水聲探測器材提供詳細的搜索、探測和跟蹤信息，直接決定其在復(fù)雜海洋環(huán)境中的生命力。其次，水下航行器線譜噪聲可能引爆某些水下武器，如裝有聲引信的魚雷、水雷，或者引起聲制導(dǎo)魚雷的跟蹤攻擊，嚴(yán)重威脅自身安全。再次，水下航行器線譜噪聲會干擾本體聲吶等精密儀器設(shè)備，從而嚴(yán)重影響本體的水聲觀通作業(yè)，導(dǎo)致“耳目”失靈。同時，線譜振動會使航行器結(jié)構(gòu)和設(shè)備等長期受交變載荷作用，引起結(jié)構(gòu)疲勞損傷。最后，線譜振動引起的結(jié)構(gòu)噪聲經(jīng)船伺結(jié)構(gòu)傳播到艙室，導(dǎo)致工作和居住環(huán)境惡化。開展水下航行器結(jié)構(gòu)減振降噪研究，著重關(guān)注中低頻線譜振動噪聲，能有效提高水下航行器隱身性能。

2 水下航行器線譜振動噪聲預(yù)報

為了提高水下航行器聲隱身性能，研究線譜振動噪聲控制方案。首先要有先進的噪聲預(yù)報方法快速計算出不同方案的降噪量值，特別是線譜噪聲預(yù)報技術(shù)。水下航行器線譜噪聲預(yù)報方法可大致分為兩類，一類是解析法，另一類是數(shù)值法[16]。

解析法基于結(jié)構(gòu)、邊界條件和激勵特性，根據(jù)嚴(yán)格的公式推導(dǎo)，求得結(jié)構(gòu)水下振動聲輻射的理論解析解的方法[17]。這種方法具有較高的精度和求解效率，能對簡單結(jié)構(gòu)進行機理分析和參數(shù)化研究，但難以定量分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)。解析法包括基于聲學(xué)Helmholtz方程的頻域分析和以聲學(xué)波動方程為基礎(chǔ)時域分析，前者適用于穩(wěn)態(tài)聲場的研究，后者適用于瞬態(tài)聲場的分析。高聰[18 – 20]基于時域波動分析法，實現(xiàn)時間域和空間域的聲場物理量離散，提出了水下航行器結(jié)構(gòu)線譜振動噪聲預(yù)報方法及應(yīng)用研究。

數(shù)值法利用數(shù)值分析方法求解結(jié)構(gòu)振動聲輻射。數(shù)值法[17]主要分為：1）適用于結(jié)構(gòu)高頻段噪聲預(yù)報的統(tǒng)計能量法（SEA）；2）應(yīng)用于結(jié)構(gòu)中低頻段噪聲預(yù)報的離散法，包括有限元法（FEM）、邊界元法（BEM）、有限元/邊界元法等。此外，還有無限元法（IEM）、匹配層技術(shù)（PML，AML）、矩陣傳遞法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等也相繼被提出。相比解析法，數(shù)值法可實現(xiàn)相對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振動噪聲預(yù)報。

在結(jié)構(gòu)高頻段噪聲預(yù)報領(lǐng)域，20世紀(jì)60年代，Lyon[21]和Smith[22]首次提出統(tǒng)計能量分析法（SEA）。盛美萍[23]在統(tǒng)計能量法（SEA）的基礎(chǔ)上，逐一分析了雙結(jié)構(gòu)保守、非保守系統(tǒng)振動噪聲特性，以及復(fù)雜耦合結(jié)構(gòu)的聲振傳遞特性，并采用導(dǎo)納方法探究水下航行器聲振特性，通過試驗驗證有效性。李天勻等[24]基于SEA方法深入分析聲吶自噪聲，搭建基于VB的軟件預(yù)報系統(tǒng)，并應(yīng)用于多型潛艇聲吶自噪聲預(yù)報。李玉慧[25]基于加筋柱殼模型，運用統(tǒng)計能量法分析其輻射噪聲特性，試驗表明中高頻段具有較高的預(yù)報精度，低頻段精度較差。張波[26?27]運用VA-One軟件，先后建立基于雙層圓柱殼與油船的SEA模型與FESEA模型，結(jié)果表明，SEA方法能有效計算高頻區(qū)振動及聲輻射。

在結(jié)構(gòu)中低頻段噪聲預(yù)報領(lǐng)域，龔丞[28]利用大渦模擬技術(shù)計算湍流脈動壓力，運用聲學(xué)FEM預(yù)報雙體船水下輻射噪聲，結(jié)果顯示，該方法在低頻段噪聲預(yù)報結(jié)果高于統(tǒng)計能量法，而高頻與統(tǒng)計能量法趨于一致。杜奎[29]將有限元法和邊界元法結(jié)合起來，通過Sysnoise軟件計算魚雷輻射噪聲級，并得到聲壓級云圖。孫啟[30]則采用直接聲振耦合FEM+AML（有限元和自動匹配層）技術(shù)，對船舶海底門不同工作狀態(tài)下噪聲進行預(yù)報分析，從而對比不同海底門方案對流噪聲輻射的影響。吳闖[31]根據(jù)聲振傳遞函數(shù)不變性，基于聲波能量疊加原理，提出艦船水下輻射噪聲快速預(yù)報方法，通過試驗驗證有效性，設(shè)計開發(fā)了艦船水下輻射噪聲快速預(yù)報/在線監(jiān)測軟件。

針對頻域預(yù)報方法計算規(guī)模大、易出現(xiàn)“峰值遺漏”現(xiàn)象，龐福振等[32 – 34]基于波動理論，采用有限元/邊界元建立了船舶結(jié)構(gòu)振動噪聲時域預(yù)報方法，該時域分析方法與頻域分析結(jié)果在低頻段吻合良好，且頻率成分更為豐富，提高了結(jié)構(gòu)振動噪聲預(yù)報精度和效率。葉金銘等[35]運用時域法，將噪聲源分布在槳葉表面積分，預(yù)報螺旋槳的低頻線譜噪聲。宋紅寶[36]對船舶結(jié)構(gòu)振動噪聲時頻激勵載荷分析方法、振動噪聲時頻預(yù)報模型共用方法及時頻數(shù)值分析方法展開研究，總結(jié)建立了船舶結(jié)構(gòu)線譜振動噪聲時頻預(yù)報系統(tǒng)化方法。

高宇航等[37]則從水下結(jié)構(gòu)振動設(shè)備多且復(fù)雜的角度出發(fā)，提出基于LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水下結(jié)構(gòu)振動噪聲預(yù)報方法，預(yù)報結(jié)果合格率達到98.24%。呂曜輝等[38]從數(shù)字孿生體的模擬角度出發(fā)，利用RAM模型對低頻聲傳播進行模擬，得到復(fù)雜海洋環(huán)境下的動態(tài)聲場預(yù)報結(jié)果，這一顛覆性技術(shù)將驅(qū)動船海噪聲預(yù)報的發(fā)展。

3 水下航行器線譜振動噪聲控制

振動是引起水下航行器噪聲的根本原因，其內(nèi)在本質(zhì)都是能量。減振降噪就是將機械振動的能量轉(zhuǎn)化為熱能或其他易耗散的能量[39]。常見的減振降噪技術(shù)，大多從振源/聲源、聲振傳遞路徑、振動響應(yīng)等維度出發(fā)，采用隔離、吸收等措施實現(xiàn)減振降噪[40]。振動控制方法根據(jù)是否引入外部能量、是否考慮結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)大致分為被動控制、主動控制和其他控制等[41]。

3.1 被動控制

被動控制[40]在振動控制中不需要外界能量的輸入，通過在適當(dāng)?shù)牟课辉O(shè)置耗能裝置或改變結(jié)構(gòu)本身的力學(xué)性能實現(xiàn)振動噪聲控制。常見的振動被動控制技術(shù)包括消振、隔振、吸振、抑振、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等[41]，如圖3所示。

現(xiàn)有水下航行器隔振技術(shù)大致分為單層隔振、雙層隔振、浮筏隔振技術(shù)。

單層隔振技術(shù)是運用撓性軟管將機械設(shè)備經(jīng)由隔振裝置彈性布置于航行器基座上。這種隔振技術(shù)在1～3 kHz頻段的隔振效果只有20 dB左右，只用于隔振要求較低的船舶。

雙層隔振技術(shù)是在機械設(shè)備和水下航行器殼體間設(shè)置2層隔振裝置，利用中間基座減弱上層隔振裝置傳遞來的振動。德國最早將其用于潛艇柴油發(fā)電機組。我國第1臺用于雙層隔振裝置于1984年成功[42]，并用于船舶動力設(shè)備?，F(xiàn)有水下航行器的通風(fēng)裝置、動力設(shè)備、發(fā)電機等大多運用該隔振裝置，通常能實現(xiàn)30 dB以上的隔振效果。

浮筏隔振技術(shù)是通過一個浮筏平臺實現(xiàn)多個設(shè)備隔振的技術(shù)，能實現(xiàn)多激勵源隔振，應(yīng)用于水下航行器上振動較大但無法承受普通隔振技術(shù)帶來質(zhì)量增加的設(shè)備，整體控制效果較好，但在振源設(shè)備較少且分散時不太實用，低頻段的性能欠佳[43]。

上述被動隔振主要針對中高頻，低頻控制效果差，為提高低頻隔振性能，Alabuzhev[44]提出準(zhǔn)零剛度隔振器，在平衡位置附近兼具低動態(tài)剛度和高靜態(tài)支撐能力，實現(xiàn)低頻乃至超低頻隔振。許多學(xué)者通過儲存一定能量的機構(gòu)、幾何非線性機構(gòu)、微小擾動后減小回復(fù)力機構(gòu)等實現(xiàn)負剛度[45]構(gòu)造準(zhǔn)零剛度隔振器。潘煒[46]設(shè)計了基于模糊滑?？刂频拇帕髯兏粽窨箾_系統(tǒng)。

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計領(lǐng)域，夏齊強[47?48]基于阻抗失配和波形轉(zhuǎn)換原理，巧妙采用阻抗增強環(huán)肋和金屬聚氨酯層疊復(fù)合肋板，設(shè)計了一種弱輻射雙層加肋圓柱殼結(jié)構(gòu)，有效降低了線譜噪聲。

吸振則是從抑制或減小結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的角度出發(fā)，基于共振原理，在主系統(tǒng)中增設(shè)能量耗散體以消耗振動能量，使得主系統(tǒng)振動減小。王禹[49]基于動力吸振理論，研究了螺旋槳激勵引起的海洋平臺低頻線譜振動問題。杜圓[50?51]針對多線譜振動控制難題，基于結(jié)構(gòu)耦合動力吸振原理，改進傅里葉級數(shù)建立復(fù)雜邊界條件動力吸振模型，并與最有同調(diào)設(shè)計方法結(jié)合，提出了低頻多線譜振動控制流程。

3.2 主動控制

傳統(tǒng)的被動減振降噪方法可以大幅減小全頻段振動總量級，但無法根除低頻線譜振動。噪聲主動控制技術(shù)基于“反相抵消”原理，利用恰當(dāng)?shù)目刂撇呗则?qū)動次級振動噪聲源，抵消初級振動噪聲源傳遞到船體的低頻線譜振動噪聲，使噪聲源至船體實現(xiàn)“絕緣”。

噪聲主動控制思想起源于1936年，德國物理學(xué)家Lueg提出有源降噪理論，運用聲波相消干涉理論，針對原有噪聲聲波，引入頻率、幅值相同，相位相反的聲波（見圖4），達到波形疊加、抵消噪聲的目的。

圖4 Lueg原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of lueg

20世紀(jì)80年代以來，這項技術(shù)逐漸應(yīng)用于船舶領(lǐng)域。美國最早將主動隔振系統(tǒng)應(yīng)用于“海狼”級攻擊核潛艇，之后研發(fā)了有源噪聲振動控制系統(tǒng)，主要針對設(shè)備的低頻振動進行控制[52]。90年代，美國嘗試在海軍艦艇上應(yīng)用高速商業(yè)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建潛艇分布式傳感器測量網(wǎng)絡(luò)以及基于ATM和光纖通道網(wǎng)絡(luò)的主動噪聲和振動控制系統(tǒng)[53]。英國BAE SYSTEMS公司和ALSTOM公司針對機械設(shè)備安裝臺架與船體共振的問題，基于多模態(tài)控制策略，聯(lián)合研制了主動控制系統(tǒng)技術(shù)，其中包括智能彈簧安裝臺架和主動結(jié)構(gòu)阻尼控制系統(tǒng)，兩者的結(jié)合大大降低了船舶的振動噪聲水平[54]。

同時，國內(nèi)的學(xué)者也相繼投入噪聲及振動主動控制的研究中。王加春[55]提出了振動主動控制方法的基本思路，基于實時采集的振動反饋量，通過控制算法輸出適當(dāng)?shù)目刂谱饔?，動態(tài)改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。李維嘉[56]從設(shè)備主動隔振、動力吸振、整船減振等角度，闡述了船舶振動主動控制技術(shù)的實際應(yīng)用。楊鐵軍[57]介紹了艦船設(shè)備雙層有源隔振、電動式/電磁式吸振等方法，創(chuàng)新性地提出了基于蘭切斯特自調(diào)諧消振器，可實現(xiàn)17.66dB的減振效果。

振動噪聲主動控制核心的部分就是控制算法。根據(jù)對精確的控制對象模型的依賴程度，控制算法大致分為2種：一種要求詳盡的控制對象參數(shù)，即以魯棒控制、PID控制等為代表的一系列基于狀態(tài)空間的算法；另一種以自適應(yīng)控制為代表，對控制對象模型精度要求不高，充分考慮其他相關(guān)條件變化，自動修正控制系統(tǒng)以適應(yīng)控制對象動態(tài)變化。自適應(yīng)控制通過算法自尋優(yōu)找到控制律的最優(yōu)解，反饋信號為系統(tǒng)的狀態(tài)或響應(yīng)，以處理對象的不確定性。LMS最小均方濾波算法及其改進算法是最經(jīng)典的自適應(yīng)算法，具有計算復(fù)雜度低、效果顯著等優(yōu)點，應(yīng)用十分廣泛。

在Widrow[58]研發(fā)的自適應(yīng)噪聲消除器（ANC）基礎(chǔ)上，噪聲主動控制技術(shù)進入蓬勃發(fā)展階段。美國通用電氣公司的Morgan[59]和貝爾實驗室的Burgess[60]最早提出著名的FxLMS算法。Burgess[61]率先運用FxLMS算法開展管道有源線譜噪聲控制試驗，但傳統(tǒng)的FxLMS算法難以有效控制多線譜復(fù)雜激勵等情況。毛富哲[62]針對FxLMS算法收斂速度慢且線譜數(shù)量多時無法顧及每根線譜噪聲能力的問題，提出運算量更小、收斂速度快的頻率合成法。Gong Chen[63]提出一種基于FxLMS算法的多通道線譜有源噪聲控制（NANC）系統(tǒng)，巧妙地將交叉二次路徑與不同頻率耦合，驗證了理論分析的準(zhǔn)確性。Li[64]利用誤差信號的微分項作為反饋控制函數(shù)，提出一種誤差信號微分項反饋變步長FxLMS算法（DVS FxLMS），由壓電疊堆執(zhí)行器對懸臂梁進行主動振動控制仿真和實驗可知，該算法比傳統(tǒng)的FxLMS算法具有更快的收斂速度、更小的穩(wěn)態(tài)誤差，以及較強的抗噪能力和自適應(yīng)控制能力，能夠快速跟蹤可變的外部擾動。

針對密頻窄帶和頻率波動等問題，多參考信號算法和頻率波動補償算法[65]應(yīng)運而生。在船用柴油發(fā)電機組主被動隔振裝置上，低頻線譜控制效果達10～30 dB；在船用空壓機組主被動隔振裝置上，對雙振源密頻線譜取得了14 dB左右的控制效果。高偉鵬[66]針對激勵信號頻率復(fù)雜的問題，提出一種變步長的小波包自適應(yīng)算法（WPx?LMS），將信號分解到互不重疊的帶頻上，實現(xiàn)多頻信號控制，并研制雙層隔振試驗臺架。

但是上述算法均依賴于精準(zhǔn)的參考信號，但工程中存在傳感器不易安裝、通道耦合等問題，導(dǎo)致參考信號失配，影響控制效果。為此，張志誼[67]提出了通過測量信號自相關(guān)序列獲得信號頻率，翟曉軍[68]等提出了利用快速傅里葉變換（FFT）方法對信號進行頻譜估計。但是均存在估計誤差較大的問題，難以合成信噪比較高的參考信號[69]。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因其較強的逼近與自適應(yīng)能力，良好的泛化性能在振動控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。Hassan Youserfi[70]研制了一種用于抑制柔性結(jié)構(gòu)機械振動的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補償器，并利用差分進化策略與卡爾曼濾波方法提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，仿真與試驗結(jié)果表明該方法減振效果良好。曹群[71]以柔性懸臂梁作為控制對象，建立懸臂梁主動控制仿真模型，基于模糊控制理論與徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提出運用改進的樽海鞘群算法抑制懸臂梁振動，系統(tǒng)減振性能顯著提高。Hui Ma[72]針對導(dǎo)管架式海上平臺，運用Morison方程和波動理論描述不規(guī)則波動力，將振動控制轉(zhuǎn)化為最優(yōu)控制問題，設(shè)計了一種基于前饋反饋帶記憶最優(yōu)控制律（FFOCLM）的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，仿真結(jié)果驗證了該控制器用于海洋平臺振動衰減的可行性和有效性。

3.3 其他控制

當(dāng)前，除上述線譜振動噪聲控制方法外，還有混沌隔振和反共振隔振2個方向。

針對線性隔振能力有限的問題，運用非線性系統(tǒng)在混沌狀態(tài)下，離散的線譜重構(gòu)為連續(xù)譜的特性，將線譜頻率的能量分散到各個諧波頻率中（見圖5)[73]，基于線譜重構(gòu)的混沌隔振應(yīng)運而生。混沌隔振系統(tǒng)在降低水下航行器線譜振動和提高水下航行器隱蔽性有很大潛力。左兆倫[74]基于廣義同步控制與遷移控制理論，將系統(tǒng)控制在小振幅混沌狀態(tài)，實現(xiàn)線譜重構(gòu)并降低振幅，從而隱匿船舶輻射噪聲中線譜信息。王嘉瑞[75]提出一種應(yīng)用艦船智能基座結(jié)構(gòu)的線譜振動特征非線性控制方法，將低頻線譜振動輸入轉(zhuǎn)化為寬頻段輸出，從而控制振動以達到抑制相應(yīng)低頻線譜噪聲的目的，但這種方法仍面臨小能量控制、大參數(shù)范圍、穩(wěn)定時間、高混沌品質(zhì)等挑戰(zhàn)[76]。

圖5 線譜重構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of line spectrum reconstruction

反共振隔振充分結(jié)合了隔振和吸振的優(yōu)點。在隔振器中加入兩節(jié)點慣性單元，利用慣性力抵消彈性力。線譜振動能量被吸收并傳遞給儲能元件形成反共振，在滿足剛度要求的條件下實現(xiàn)低頻隔振。反共振隔振最初應(yīng)用于直升機旋翼―機身隔振，之后逐漸向船舶領(lǐng)域進軍。儲煒[77]建立了共振轉(zhuǎn)換器的動力學(xué)模型，求解了隔振器的力傳遞率，并將共振轉(zhuǎn)換器應(yīng)用于船舶軸系縱向減振。試驗結(jié)果表明，總體上能夠滿足船舶軸系縱向減振的目標(biāo)。杜甫[78]將儲能、支撐、耗能等元件排列組合得到21種可行的懸架結(jié)構(gòu)，通過動力學(xué)建模與函數(shù)優(yōu)化，對比傳統(tǒng)懸架的振動特性，得到較優(yōu)的新型結(jié)構(gòu)。張贛波[79]基于機械阻抗原理，通過力-電類比，深入探究“慣容―彈簧―阻尼”匹配規(guī)律，提出了一種滿足線譜和寬帶一體化隔振技術(shù)條件的隔振器結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上拓展了雙層隔振器、多周期結(jié)構(gòu)反共振隔振器等。

4 未來發(fā)展方向

科學(xué)合理的總體聲學(xué)設(shè)計、先進的振動噪聲預(yù)報手段、日趨智能的減隔振裝置、新型聲學(xué)覆蓋層材料等新技術(shù)的應(yīng)用，水下航行器的減振降噪技術(shù)逐漸多元化。實現(xiàn)噪聲智能識別監(jiān)測系統(tǒng)、基于態(tài)勢感知的噪聲快速預(yù)報技術(shù)、噪聲動態(tài)控制技術(shù)一體化，將成為未來水下航行器聲隱身技術(shù)發(fā)展的重點。

1）噪聲智能識別監(jiān)測系統(tǒng)。線譜振動噪聲識別與監(jiān)測系統(tǒng)對實時掌握水下航行器聲學(xué)狀態(tài)、評估聲隱身性能具有重要意義。運用麥克風(fēng)陣列等采集系統(tǒng)，在現(xiàn)有近場聲全息和波束形成法的基礎(chǔ)上，結(jié)合空時頻三維信息的線譜噪聲特征，充分考慮輻射噪聲幅度和相位起伏、多普勒頻移和頻率模糊等因素，充分運用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分解、建模，進而提高線譜噪聲識別精度與速度，實現(xiàn)水下航行器線譜噪聲智能監(jiān)測。

2）基于態(tài)勢感知的噪聲快速預(yù)報技術(shù)。根據(jù)復(fù)雜海洋環(huán)境中水下航行器的聲隱身問題，采用多傳感器信息融合技術(shù)，結(jié)合海洋環(huán)境特征以及實船振動噪聲測試結(jié)果等數(shù)據(jù)，利用機器學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生等先進技術(shù)對水下航行器線譜振動噪聲預(yù)報模型進行仿真，將虛擬聲場與物理聲場不斷交互，實時更新水下航行器噪聲預(yù)報結(jié)果。

3）噪聲動態(tài)控制技術(shù)。水下航行器不同狀態(tài)下的噪聲是動態(tài)變化的，降噪的要點就是抓住各工況下的主要噪聲源進行控制，如兵器發(fā)射設(shè)備引發(fā)的瞬態(tài)噪聲、水下航行器航行引發(fā)的動態(tài)噪聲等。開展水下航行器主動降噪機理研究，提出線譜噪聲主動控制方法，設(shè)計具有感知、智能邏輯判斷與響應(yīng)內(nèi)外環(huán)境變化能力的多通道線譜噪聲主動控制系統(tǒng)，從而有效降低線譜噪聲水平。

5 結(jié) 語

傳統(tǒng)的單一降噪技術(shù)已經(jīng)無法解決現(xiàn)有的噪聲問題，水下航行器線譜減振降噪技術(shù)是一項復(fù)雜的綜合性工程，多學(xué)科降噪技術(shù)將越來越受到重視。未來水下航行器的聲隱身技術(shù)將從單通道局部控制向多通道整體控制發(fā)展，從傳統(tǒng)控制方法向智能控制方法發(fā)展，從單一機械設(shè)備的振動噪聲控制向全局控制發(fā)展，充分結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、態(tài)勢感知等技術(shù)，基于先進的噪聲預(yù)報方案，自主尋優(yōu)得出最佳噪聲控制方案。隨著減振降噪技術(shù)的進一步提升，未來水下航行器將向著低噪聲、安靜型方向發(fā)展。