潜艇振动控制技术研究进展

姜海龙，艾夏禹，刘丽滨，杨理华

（海军潜艇学院，山东青岛 266199）

0 引言

潜艇的隐蔽性和机动性使其具有巨大威慑力量和攻击力量。但其在航行过程中，机械设备运行会产生振动，并通过壳体对外形成辐射噪声，这将极大地影响潜艇声隐身性能。因此，降低潜艇辐射噪声、提高隐身能力是各军事大国都极为重视和大力发展的关键技术。美国海军还在《2000—2035年海军技术——潜艇平台技术》报告中将潜艇声隐身技术列为重点发展技术之首。随着我海军战略转型和远洋航行需求，也亟待快速加强潜艇隐身性能建设。

目前，潜艇对外辐射噪声来源主要有：潜艇结构所致水动力噪声；潜艇螺旋桨旋转产生噪声；潜艇内部机械设备运行所致艇体噪声。前两种噪声与结构设计直接相关，一旦结构定型，对其不易实时控制。实际上，艇用设备一般为旋转或往复式机械，由其所致的振动信号低频线谱特征明显，辐射噪声传递较远，具有较大危害，是影响潜艇隐身性能的主要因素之一。因此，当前研究主要聚焦于内部机械设备振动噪声控制，是潜艇声隐身技术研究的热点问题之一。然而，该方式虽在一定程度上抑制了振动传递，但不能完全有效降低潜艇壳体结构振动，若激振信号与壳体模态频率接近还有可能放大振动，进而通过潜艇壳体向外更严重地辐射噪声。此外，现有研究评价指标主要以减小传递至基础振动为目标，受海洋环境效应影响，潜艇辐射噪声应以近场/远场声目标强度为指标，这是亟待需解决的问题之一。

随着减振降噪工作深入开展，前期研究已为解决上述问题提供良好基础和积累，也为从全局角度开展潜艇壳体结构振动辐射噪声控制提供了思路。为此，本文从被动隔振、主动控制、隔振执行机构以及控制策略4个方面，涵盖了振动传递路径各过程环节，较为系统地阐述了潜艇振动噪声控制方法、途径及研究现状，以期为潜艇设计和研究人员提供有益参考和借鉴，具有重要的理论研究和工程应用价值。

1 隔振技术研究现状

隔振作为降低设备振动的有效措施，可分为被动隔振和主动控制。传统被动隔振以容易设计、不需外置能源、方便安装且价格经济等优点，在舰船、车辆等领域有广泛应用，但低频隔振效果还不够理想。主动控制是在被动隔振中引入次级能量，通过执行装置与隔振器串联或并联实现能量消减，主动控制往往具有较好的中低频振动控制效果，由于其包含执行机构、控制算法等环节，相对较为复杂，但其工程应用前景十分广泛。

1.1 被动隔振现状

目前，实艇上应用较多的被动隔振主要为单层隔振、双层隔振及浮筏隔振。单层隔振通过在振源设备和基座间安装具有弹性的隔振器实现能量耗散，减少传递至基础的振动。单层被动隔振原理如图1所示。

图1 单层隔振原理Fig.1 The principle diagram of the single layer vibration isolation

与之相比，双层隔振隔振效果更好，但是对实艇安装空间要求较为苛刻。浮筏隔振是将多个振源设备通过单层隔振安装在一个中间筏架上，然后中间筏架再通过隔振装置固定于船体。浮筏隔振可有效节省船体空间且整体控制效果较好，但在振源设备较少且分散时不太实用。浮筏隔振本质上属于双层隔振，其低频隔振效果仍有所不足[1]。20 世纪60 年代初，美国核潜艇在推进系统中使用浮筏隔振后，艇体结构噪声降低15～20 dB。20世纪80年代中期，“洛杉矶”级攻击型核潜艇辐射噪声已降至118 dB，而“海狼”级攻击型核潜艇噪声达到90～100 dB，己低于三级海况海洋背景噪声（110～120 dB）。20世纪90年代，俄罗斯在潜艇上使用工字梁框架式浮筏系统，也取得了较好隔振效果。此外，英国“机敏”号核潜艇和“特拉法尔加”级潜艇动力装置上使用弹性筏架结构后，其声隐身性能大幅提升。

被动隔振优点较多但仍有不足，例如存在低动刚度和失稳的矛盾。目前，被动隔振在理论及试验方面已较为成熟，Snowdon[2]在理论上较为全面地描述被动隔振原理，即当激励频率与固有频率之比大于1.4倍时才有隔振效果。Rivin EI[3]还针对隔振问题中动态特性、隔振器设计等方面进行了深入地研究。严济宽[4]还系统探索了隔振基本理论与设计方法。廖道训[5]建立了主辅机隔振系统动力学模型。实际上，被动隔振已在船舶、航空航天、车辆等领域有成熟应用[6]。

1.2 主动控制现状

1936 年Lueg 在一项专利中首次展示了有源噪声控制设计，这为振动主动控制技术研究提供了基本思想。该应用是在管道中对声波进行调控，如图2所示。使用1个执行器（扬声器）和2 个传感器（该应用中为2 个麦克风）。传感器A 为参考传感器，用于测量在管道扰动声波信息，传感器B 为误差传感器，用于监测有源声控制系统性能，主要为控制算法提供反馈信息。假设传感器A 不与执行器耦合，传感器A 仅测量扰动。图2所示结构称为“前馈”，因为控制器根据从传感器A 处获得前馈信息向执行器提供信号。若控制器工作正常，执行器将产生调制声波，用于抵消传感器B 处的扰动声波。在较小管道中可考虑平面波传递，管道内任何截面上声场均匀分布，且传感器B 到管道末端之间声音将会衰减。尽管该方案十分简单，但提出后一段时间内没有较大发展。

图2 管路中的声波主动控制Fig.2 Active control of sound waves in pipes

根据上述原理，随着数字信号处理技术发展，振动主动控制技术也日趋成熟，其涵盖了多个复杂的学科领域，如结构动力学、信号处理、材料科学、机械振动、执行器和传感器等知识。目前，该技术备受关注，特别是针对低频振动噪声控制需求。

实际上，振动主动控制是一种利用次级能量来抵消系统原始振动的控制方法[7]。该方法解决了被动隔振矛盾，如器件运行效率、低频振动、动态稳定性、刚度等问题。主动控制技术可有效改变系统参数，其常用控制方法包括自适应滤波控制、PID控制、模糊逻辑控制等等。主动控制是在被控系统中引入次级振源，并通过控制算法实现波形叠加抵消，可分为纯主动控制及混合隔振，原理如图3～4 所示。其中，纯主动控制需消耗较大能量同步控制静态力和动态力，而混合隔振仅需较少能量控制动态力即可。

图3 单纯的主动控制Fig.3 Pure active control

图4 混合隔振Fig.4 Hybrid vibration isolation

在振动控制领域，国外研究起步相对较早，发展也比较成熟，已有诸多成果用于工程[8－11]。例如，在机身中使用轻型振动源控制飞机内部噪声，对转子和变速箱进行主动控制减少直升机舱内噪声，利用电子消声器、发动机支架衰减汽车发动机噪音。通过结构振动主动控制抑制大风或地震所致建筑物振动，或用于防止大型桥梁颤振受损。此外，主动控制还可用于对振动比较敏感的仪器设备上，如外科显微镜、电子设备、激光及磁盘驱动器等。在军事上，美国新型海狼级核潜艇装备有源隔振系统后，具有良好的声隐身性能[12]，其还研发了浮筏智能弹簧和主动隔振缓冲装置，前者能抑制浮筏柔性中高频谐振效应，并提高低频隔振效果，而后者能降低核潜艇50%～70%的冲击载荷[13]。瑞典Karlskrona/Ronneby大学还设计了惯性主动隔振装置，可有效降低护卫舰壳体结构振动所致辐射噪声[14]。Winberg[15]还开展了Collins 级潜艇主动控制咨询项目研究。

与此同时，国内多个研究单位也在开展噪声及振动主动控制研究工作。例如：哈尔滨工程大学杨铁军团队[16]系统阐述了主动隔振研究与发展；华中科技大学李维嘉[17]对船舶振动主动控制进展进行了研究；海军工程大学苏攀[18]系统分析了国内外自适应振动主动控制策略和方法。目前，各国学者主动控制研究主要聚焦于两个方面：一是主动控制执行机构，其决定了振动控制可行性和效率；二是控制策略，这是主动控制核心所在，决定了控制系统稳健性和控制效果。

1.3 执行机构现状

舰船振动控制中使用的执行机构（或作动器）要求较高，一般需要输出力大、频带宽、结构紧凑、非线性度低等特点。目前，国内外研究常用执行机构主要有以下几种。

（1）气动/液压作动器[19]利用气体或液体压力进行传动，主要用于低频振动且对需较大输出力场合。其缺点是执行机构体积质量大、时滞较大、控制精度较低，另外在气动作动器中，空气的压缩将影响执行精度。

（2）电磁作动器[20]利用磁和铁相互作用产生电磁力，当将交流电引入激励线圈时，会产生变化磁场，使动子做往复运动。电磁作动器应用较广泛，具有时滞低、控制简单等特点，一般用在输出力不太大但对频率要求较高场合，例如飞机、船舶及实验室精密仪器设备振动控制等。

（3）压电作动器[21]主要靠电压产生压力，主要分为薄膜型和堆积型，其中堆积型更适用于主动隔振，具有结构简单、电压与压力转换率高等特点，常用于振动频率较高、输出力不需要太大场合。但输出存在时延、时滞和非线性等问题，对控制算法要求较高。

（4）磁致伸缩作动器[22]具有伸缩应变大、工作频带宽、输出力大、驱动电压低、速度快等优点，可在高频、需要大输出力等场合进行隔振工作，但输出也有时延和时滞等问题，故对控制器软硬件要求较高。

近年来，用于振动主动控制的执行机构正朝着材料新颖、性能更佳、集成度更高的方向发展。例如，在舰船隔振技术领域，海军工程大学何琳等[23]研制出基于磁悬浮－气囊的主被动混合隔振装置，该项隔振器控制力需求小，装置稳定性好，具有较好的宽频隔振和低频线谱振动控制效果。

1.4 振动控制策略现状

目前，在振动控制领域，控制策略主要包括两类[24]，一类需要较为精确的被控对象模型，如PID、鲁棒等基于状态空间的控制方法；另一类不需精确被控对象，直接利用算法寻优，如自适应控制、神经网络等。针对主动控制算法，研究人员还提出诸多自适应算法[25]，其中经典算法是基于LMS 最小均方的滤波自适应法，该算法具有结构简单、效果明显等优点[26]，应用十分广泛。

实际上，早在1987 年国外学者就将自适应算法引入主动控制领域。如Elliott S J[27]基于LMS 算法获得较好的振动噪声控制效果。Burdisso R A、Fuller C R等[28－29]提出基于LMS 算法自适应主动控制前馈型策略，可明显抑制结构振动所致噪声。随着LMS 自适应算法研究与发展，其改进算法相继被提出，例如归一化算法、符号算法、块LMS 算法、变步长算法等，应用也较为广泛[30－31]。国内学者也深入研究变步长LMS算法，武汉大学张红梅[32]提出变步长LMS 算法并用于水位监测，取得很好的监测效果。西安交通大学牛群[33]提出改进变步长LMS 算法，增强了算法抗噪抗干扰能力，在消噪系统中取得较好控制效果。Y He、R K Thenua[34－35]还分析了LMS及其改进型NLMS算法性能，结果表明新算法收敛速度更快。

此外，由于次级通道的存在[36]，LMS算法直接用于振动主动控制，会使参考信号和误差信号在时间上不一致，将造成系统不稳定。Morgan[37]在参考传感器到LMS 算法滤波器间加入次级通道估计模型，将参考信号延时操作，使参考信号和误差信号时序保持一致，也称为滤波自适应FxLMS 算法。目前，该算法受到极大关注，其经典型及改进型工程应用前景广泛。合肥工业大学苏雨[38]将反馈型FxLMS 算法用于空调室内柜机主动降噪，并引入非线性滤波器，结果表明非线性反馈FxLMS 算法的低频主动降噪效果优于线性反馈FxLMS 算法。Lei Luo[39]还提出改进PmLMS 算法，应用于车辆内部降噪，结果表明该算法降噪效果优于FxLMS 算法，工程应用潜在价值较大。

在提高算法收敛速度、稳定性和次级通道辨识准确度研究同时，还有诸多针对实际工程特定问题提出的主动控制算法。例如，刘锦春[40]针对主动控制中因条件限制无法获得精确参考信号、算法性能下降等问题，提出一种基于FXRLS算法的反馈式振动主动控策略，实验表明该算法具有更强鲁棒性，且可在精确参考信号无法获得时，取得较好控制效果。朱晓锦[41]针对前馈控制系统中需要输入参考信号的局限，提出一种摒弃参考信号的方法，从误差信号中提取与初级振动相关的变量取代参考信号，从而解决前馈控制系统参考信号不易获取等问题。楼京俊等[42]为补偿控制系统和执行机构时滞，提出移相控制算法，仿真表明该方法也可取得较好的控制效果。

尽管LMS 算法及改进形式已被广泛证明有效，但它主要针对线性控制系统，故应用还有局限性。实际上，当控制系统出现非线性时，基于LMS 算法的线性滤波控制器效果可能失效。振动控制系统中常见非线性环节就是作动器，在工作频率范围以外（或接近限制）时，通常存在非线性响应[43]。当控制系统包含是非线性环节时，也会产生非线性动力学特性。因此，在这些情况下需要设计非线性控制器，提高系统控制性能。

近年来，神经网络（ANN）等非线性方法以其泛化性能好等优点，越来越受到关注。K S Narendra[44]首先提出利用ANN 进行非线性前馈控制思想，随后其他学者对该问题进行了深入研究。Hassan Youserfi[45]提出基于神经网络算法的补偿器，并将其应用于同步电机振动主动控制，结果表明该方法抑制振动效果较好。邱志成[46]利用PD控制和自适应RBF模糊神经网络算法，研究旋转柔性铰接梁振动主动控制，结果表明该方法能够有效抑制铰接梁振动。杨庆超[47]提出一种柔性神经网络滑膜控制算法，双层隔振系统振动主动控制表明，该算法具有较强鲁棒性和控制效果。崔明月[48]针对双层隔振系统参数时变等问题，提出一种神经网络混合遗传算法控制策略，结果表明遗传算法提高了全局搜索速度、精度以及收敛速度。

2 结束语

目前，世界各海军强国在潜艇减振降噪及声隐身技术研究方面，已取得显著成果。与之相比，我国在该方面研究还相对较慢，虽然部分研究团队取得了一些成就，但与世界先进国家潜艇相比仍然存在差距。借力海军转型发展需求，大力开展潜艇减振降噪和声隐身新装备、新技术理论研究和应用探索工作，实现新型功能材料、高性能执行器件、被动隔振、主动控制等技术有机组合。未来潜艇声隐身技术，将从单台机械设备振动噪声控制向整艇全局控制发展，具体将是从刚性体结构向弹性体结构、从单点振动控制向多点振动控制、从单通道局部控制向多通道全局控制、从传统控制方法向智能控制方法、从点振动评价向声目标强度评价不断转变。因此，本研究工作具有重要的军事意义和应用价值，可为研究人员提供系统的知识参考和借鉴，能间接提升潜艇声隐身能力。