基于旁支式次级源的舰船液压管路低频脉动有源衰减

赵佳锡，何 琳，徐荣武，梁云栋

(1. 海军工程大学 振动与噪声研究所， 湖北 武汉 430033；2. 海军工程大学 船舶振动噪声重点实验室， 湖北 武汉 430033)

舰船液压系统加装隔振器、挠性接管及弹性支撑等可以抑制泵源结构振动的传递，但压力脉动将随液体传递出去，并产生结构振动的线谱。传统被动脉动衰减器对脉动的中、高频有较好控制效果，低频段的控制效果不理想[1]。

1967年美国Klees较早在专利中提出液体脉动的衰减实施方法[2]，原理与Herschel提出的空气噪声干涉衰减原理相同。有源降噪技术的基本原理是反向干涉相消，空气有源降噪现在已经得到了广泛的应用，但液体脉动有源衰减受到应用成本和需求的限制，仍未实际应用。

美国、英国、瑞典、日本和中国的一些学者对液压脉动有源衰减进行了理论和实验研究。目前提出的多种结构及方法各有优劣。本文针对舰船液压系统，分析并总结了脉动有源衰减的三种结构形式，对比采用了浸入式流量恒定型有源衰减的结构形式，设计了压电陶瓷驱动的旁支式次级源，接入液压管路中，进行了性能测试。最后，采用前馈自适应算法，进行了多线谱低频脉动的有源衰减实验。

1 基本原理

有源脉动衰减系统中，反相干涉脉动由次级源产生。依据次级源的形式不同，有三种有源脉动衰减结构：管路外非浸入型、浸入式流量恒定型及浸入式流量变化型。

1.1 管路外非浸入型

管路外非浸入型结构中，次级源直接作用于管路外壁，产生的管路变形或振动形成次级脉动，与初级脉动叠加实现有源衰减，如图1所示。瑞典Maillard，美国Fuller、Brevart，国内杨铁军、率志君和王震等[3-7]对该方法进行了理论和实验研究。因次级源工作时，需克服管路做功，对次级源要求较高。

图1 管路外非浸入型脉动有源衰减原理Fig.1 Non-immersed pulsation active control

1.2 浸入式流量恒定型

浸入式流量恒定型结构中，次级源与原管路共同构成一个局部的容腔，通过控制次级源的移动，容腔容积发生变化，从而实现初级脉动的衰减，如图2所示。美国Kartha，日本Kojima、Yokota，国内孙红灵、孙运平和荆慧强等[8-13]针对该方法设计了非平衡式和平衡式的次级源，通过实验取得了衰减效果。管路系统的直径及流量不同，需要设计不同要求的次级源。

图2 浸入式流量恒定型脉动有源衰减原理Fig.2 Constant-flow immersed pulsation active control

1.3 浸入式流量变化型

浸入式流量变化型结构中，次级源一般为高频响节流阀，通过驱动阀芯，溢流脉动波峰或者引入高压源补充脉动波谷，形成反相脉动，以抵消脉动能量，如图3所示。英国Wang、Pan，国内焦宗夏、邢科礼、周文和季晓伟等[14-19]设计了多种高频响阀，进行了实验研究。因流量会发生变化，对系统性能的影响相比前两种结构形式大。

舰船液压系统有极高的可靠性要求，且克服管路做功产生次级脉动较困难，因此，采用浸入式流量恒定型的脉动有源衰减结构形式。

图3 浸入式流量变化型脉动有源衰减原理Fig.3 Flow-changed immersed pulsation active control

2 旁支式次级源

2.1 次级源设计

浸入式流量恒定型结构中，次级脉动由控制区域容积变化产生。图4为所设计的旁支式次级源，由阀体、移动阀芯、压电陶瓷作动器、静压传感器及误差动压传感器等组成。有源脉动控制时，压电陶瓷作动器控制移动阀芯的振动幅值和频率，从而使旁支腔容积发生变化，产生次级脉动。因压电陶瓷可移动位移较小，且开口过大会不利于有源控制，故设计带过渡曲面的放大结构，以提高次级源响应特性。

图4 旁支式次级源Fig.4 By-pass secondary source

2.2 次级源响应特性测试

根据管路流体传递阻抗理论[20-21]，次级源沿管路的压力脉动响应特性满足：

ps=qsZs(ω,x)

(1)

式中：ps为压力，qs为质点速度，Zs(ω,x)为次级源阻抗，ω为频率，x为管路位置。

设误差传感器位于xe处，由式(1)可知，次级源在该位置的压力脉动响应特性与次级源在该位置的阻抗特性关系密切，压力脉动响应幅值与频率有较大的关系。脉动有源衰减时，泵源脉动的幅值应与次级源产生的脉动幅值相匹配，才能实现较好的衰减效果。图5为所研究舰船液压系统在误差传感器处的泵源压力脉动时域曲线，经频域分析，前三阶脉动及对应幅值分别为：100 Hz(3009 Pa)、200 Hz(2326 Pa)和300 Hz(3829 Pa)。

图5 时域泵源压力脉动Fig.5 Time-domain signal of pressure pulsation

次级源接入液压管路中，利用控制器及功放给压电陶瓷不同幅值与频率的驱动电压，并采集误差传感器的响应信号。图6为不同电压幅值时，压力脉动幅值随频率变化的曲线。由实验结果可知，电压幅值为±10 V时，旁支式次级源在100 Hz、200 Hz及300 Hz频率点处产生的次级脉动幅值大于泵源脉动的幅值，满足有源衰减的需求。

图6 次级源响应特性测试结果Fig.6 Secondary source response characteristic test results

3 液压管路有源衰减系统设计

3.1 系统组成

舰船液压系统包含非常多的组成部分，为方便研究，简化为包含电机-泵、压力调节阀、管路和油箱等。液体脉动有源控制系统的组成情况与结构振动及空气噪声的有源控制类似，包含次级源、传感器、控制系统硬件及程序等，如图7所示。

1—电机，2—泵，3—次级源，4—误差传感器，5—压力调节阀，6—油箱，7—控制系统硬件及软件图7 液压管路脉动有源衰减系统组成Fig.7 Hydraulic pulsation active control system

3.2 控制算法

液压系统的前三阶脉动能量占比最大，故针对前三阶脉动线谱的控制进行算法设计。控制算法采用前馈FxLMS自适应算法，图8为多线谱FxLMS控制算法框图。其中，W(z)为控制器，S(z)为次级源通道，x(n)、y(n)、d(n)、e(n)分别为参考信号、控制信号、期望信号、误差信号。

图8 多线谱FxLMS控制算法Fig.8 Multi-frequencies FxLMS control algorithm

控制器采用有限冲击响应(Finite Impulse Response, FIR)滤波器结构来实现，其权系数为wmi(i=0,1,…,N-1)，其中N为控制器阶数，m=1,2,3表示第m阶线谱，则有：

(2)

式中，控制器Wm(z)的更新公式为：

i=0,1，…,N-1

(3)

4 实验结果分析

4.1 实验系统

图9为液压管路脉动有源衰减的实验系统，管路均采用挠性接管，规格为DN25。液压系统在进行有源控制实验时，流量大小为28.3 L/min，工作压力恒定，调节为2 MPa。控制系统的程序算法中，调用电机的转速作为参考信号来源。

图9 实验系统组成Fig.9 Experiment system

4.2 脉动有源衰减效果

图10为脉动开始有源控制后时域变化的过程。图11为脉动控制前后功率谱变化的对比，从图中得到前三阶线谱的衰减效果，如表1所示。实验结果表明，所设计的旁支式次级源采用多线谱FxLMS自适应控制后，取得了较好的衰减效果。

图10 脉动有源衰减时域变化过程Fig.10 Pressure pulsation time-domain change process for active control

图11中，300 Hz处脉动线谱的功率谱幅值下降了22.7 dB，优于前两阶线谱。对比图6，次级源在相同的振荡幅值下，300 Hz处压力脉动的响应幅值大于100 Hz和200 Hz处的响应幅值，即300 Hz处次级源阻抗值较大。因此，脉动有源衰减时，次级源的阻抗特性和控制效果有较大关系，后续可对此进一步研究，有助于减小次级源功耗和提高控制效果。

图11 脉动控制前后功率谱Fig.11 Power spectrum of pressure pulsation before and after active control

表1 脉动线谱有源衰减效果

5 结论

基于旁支式次级源的脉动有源控制系统有效地衰减了舰船液压管路系统中的压力脉动，实现了前三阶主要脉动线谱的控制。所研究的脉动有源衰减系统原理具备通用性，在其他类型的液体管路系统中同样具备应用的可行性，为舰船液体管路系统低频脉动的衰减提供了一种解决途径。