蘇常偉，梁 冉，王雪仁,，周 濤，李海超,

(1.中國人民解放軍92578部隊(duì)，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(dòng)聲吶識(shí)別與目標(biāo)跟蹤能力實(shí)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(yuǎn)，精度顯著提升[1]。聲吶系統(tǒng)利用噪聲探測識(shí)別水聲目標(biāo)，水下航行器的聲輻射場強(qiáng)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(tái)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(kuò)大3倍，充分發(fā)揮其隱蔽性實(shí)施先敵發(fā)現(xiàn)、先敵攻擊。因此，降低水下航行器振動(dòng)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(dòng)噪聲承載著水下航行器的重要信息，能使航行器被遠(yuǎn)距離識(shí)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(qiáng)國紛紛將線譜振動(dòng)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(dòng)噪聲的問題，本文圍繞水下航行器結(jié)構(gòu)線譜振動(dòng)噪聲進(jìn)行回顧總結(jié)，從水下航行器線譜振動(dòng)噪聲特性、預(yù)報(bào)及控制三方面展開研究，并提出降低水下航行器線譜振動(dòng)噪聲的未來發(fā)展方向。

1 水下航行器線譜振動(dòng)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(shí)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(qiáng)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(jī)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(dòng)噪聲主要傳遞路徑，對于水下航行器線譜噪聲預(yù)報(bào)與控制具有指導(dǎo)性意義。

1.1 水下航行器線譜振動(dòng)噪聲形成機(jī)理

水下航行器在航行或作業(yè)時(shí)，機(jī)械設(shè)備、推進(jìn)系統(tǒng)、流固耦合面等產(chǎn)生的振動(dòng)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(gè)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(jī)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(dòng)的水下航行體在湍流中高速航行時(shí)，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(shí)，軸頻變高，實(shí)際應(yīng)用中常將軸頻作為識(shí)別水下目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度的依據(jù)。

2）機(jī)械噪聲線譜

機(jī)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(jī)械零部件碰撞噪聲、往復(fù)機(jī)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(dòng)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(shí)，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(qiáng)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(huì)引起螺旋槳周圍的水下航行器殼板劇烈振動(dòng)。

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(qiáng)線譜噪聲的諧振源時(shí)，線譜噪聲的主要成分為水動(dòng)力噪聲的線譜分量[10]。水下航行器總體振動(dòng)和局部振動(dòng)也會(huì)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(dòng)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(jìn)系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)機(jī)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(qiáng)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(shí)，輻射噪聲以水動(dòng)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(shí)，其輻射噪聲主要為機(jī)械噪聲，頻譜表現(xiàn)為窄帶線譜[13]。中、高頻段振動(dòng)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(dòng)噪聲能量集中，衰減緩慢，傳播距離遠(yuǎn)，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(dòng)噪聲傳遞路徑及影響

水下航行器低頻線譜振動(dòng)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(jī)械設(shè)備周期往復(fù)運(yùn)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(dòng)經(jīng)由傳動(dòng)系統(tǒng)激勵(lì)艇體振動(dòng)，并向周圍流體介質(zhì)輻射低頻線譜噪聲。

3）航行器內(nèi)機(jī)械設(shè)備振動(dòng)引起管路振動(dòng)，振動(dòng)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(dòng)將直接在海管口形成低頻線譜輻射噪聲。

線譜振動(dòng)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(dòng)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(xì)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(huì)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(shí)，線譜振動(dòng)會(huì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)噪聲預(yù)報(bào)

為了提高水下航行器聲隱身性能，研究線譜振動(dòng)噪聲控制方案。首先要有先進(jìn)的噪聲預(yù)報(bào)方法快速計(jì)算出不同方案的降噪量值，特別是線譜噪聲預(yù)報(bào)技術(shù)。水下航行器線譜噪聲預(yù)報(bào)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(lì)特性，根據(jù)嚴(yán)格的公式推導(dǎo)，求得結(jié)構(gòu)水下振動(dòng)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(jìn)行機(jī)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(dòng)方程為基礎(chǔ)時(shí)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(shí)域波動(dòng)分析法，實(shí)現(xiàn)時(shí)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(dòng)噪聲預(yù)報(bào)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(dòng)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(bào)的統(tǒng)計(jì)能量法（SEA）；2）應(yīng)用于結(jié)構(gòu)中低頻段噪聲預(yù)報(bào)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(shí)現(xiàn)相對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲預(yù)報(bào)。

在結(jié)構(gòu)高頻段噪聲預(yù)報(bào)領(lǐng)域，20世紀(jì)60年代，Lyon[21]和Smith[22]首次提出統(tǒng)計(jì)能量分析法（SEA）。盛美萍[23]在統(tǒng)計(jì)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(dòng)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(yàn)驗(yàn)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(bào)系統(tǒng)，并應(yīng)用于多型潛艇聲吶自噪聲預(yù)報(bào)。李玉慧[25]基于加筋柱殼模型，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)能量法分析其輻射噪聲特性，試驗(yàn)表明中高頻段具有較高的預(yù)報(bào)精度，低頻段精度較差。張波[26?27]運(yùn)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(jì)算高頻區(qū)振動(dòng)及聲輻射。

在結(jié)構(gòu)中低頻段噪聲預(yù)報(bào)領(lǐng)域，龔丞[28]利用大渦模擬技術(shù)計(jì)算湍流脈動(dòng)壓力，運(yùn)用聲學(xué)FEM預(yù)報(bào)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(bào)結(jié)果高于統(tǒng)計(jì)能量法，而高頻與統(tǒng)計(jì)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(jì)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(dòng)匹配層）技術(shù)，對船舶海底門不同工作狀態(tài)下噪聲進(jìn)行預(yù)報(bào)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(bào)方法，通過試驗(yàn)驗(yàn)證有效性，設(shè)計(jì)開發(fā)了艦船水下輻射噪聲快速預(yù)報(bào)/在線監(jiān)測軟件。

針對頻域預(yù)報(bào)方法計(jì)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(dòng)理論，采用有限元/邊界元建立了船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲時(shí)域預(yù)報(bào)方法，該時(shí)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(dòng)噪聲預(yù)報(bào)精度和效率。葉金銘等[35]運(yùn)用時(shí)域法，將噪聲源分布在槳葉表面積分，預(yù)報(bào)螺旋槳的低頻線譜噪聲。宋紅寶[36]對船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲時(shí)頻激勵(lì)載荷分析方法、振動(dòng)噪聲時(shí)頻預(yù)報(bào)模型共用方法及時(shí)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(dòng)噪聲時(shí)頻預(yù)報(bào)系統(tǒng)化方法。

高宇航等[37]則從水下結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(dòng)噪聲預(yù)報(bào)方法，預(yù)報(bào)結(jié)果合格率達(dá)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(jìn)行模擬，得到復(fù)雜海洋環(huán)境下的動(dòng)態(tài)聲場預(yù)報(bào)結(jié)果，這一顛覆性技術(shù)將驅(qū)動(dòng)船海噪聲預(yù)報(bào)的發(fā)展。

3 水下航行器線譜振動(dòng)噪聲控制

振動(dòng)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(jī)械振動(dòng)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(dòng)響應(yīng)等維度出發(fā)，采用隔離、吸收等措施實(shí)現(xiàn)減振降噪[40]。振動(dòng)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(dòng)響應(yīng)大致分為被動(dòng)控制、主動(dòng)控制和其他控制等[41]。

3.1 被動(dòng)控制

被動(dòng)控制[40]在振動(dòng)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(shí)現(xiàn)振動(dòng)噪聲控制。常見的振動(dòng)被動(dòng)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(jì)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(yùn)用撓性軟管將機(jī)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(jī)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(dòng)。德國最早將其用于潛艇柴油發(fā)電機(jī)組。我國第1臺(tái)用于雙層隔振裝置于1984年成功[42]，并用于船舶動(dòng)力設(shè)備?，F(xiàn)有水下航行器的通風(fēng)裝置、動(dòng)力設(shè)備、發(fā)電機(jī)等大多運(yùn)用該隔振裝置，通常能實(shí)現(xiàn)30 dB以上的隔振效果。

浮筏隔振技術(shù)是通過一個(gè)浮筏平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備隔振的技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)多激勵(lì)源隔振，應(yīng)用于水下航行器上振動(dòng)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(shí)不太實(shí)用，低頻段的性能欠佳[43]。

上述被動(dòng)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(dòng)態(tài)剛度和高靜態(tài)支撐能力，實(shí)現(xiàn)低頻乃至超低頻隔振。許多學(xué)者通過儲(chǔ)存一定能量的機(jī)構(gòu)、幾何非線性機(jī)構(gòu)、微小擾動(dòng)后減小回復(fù)力機(jī)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)負(fù)剛度[45]構(gòu)造準(zhǔn)零剛度隔振器。潘煒[46]設(shè)計(jì)了基于模糊滑模控制的磁流變隔振抗沖系統(tǒng)。

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，夏齊強(qiáng)[47?48]基于阻抗失配和波形轉(zhuǎn)換原理，巧妙采用阻抗增強(qiáng)環(huán)肋和金屬聚氨酯層疊復(fù)合肋板，設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)能量，使得主系統(tǒng)振動(dòng)減小。王禹[49]基于動(dòng)力吸振理論，研究了螺旋槳激勵(lì)引起的海洋平臺(tái)低頻線譜振動(dòng)問題。杜圓[50?51]針對多線譜振動(dòng)控制難題，基于結(jié)構(gòu)耦合動(dòng)力吸振原理，改進(jìn)傅里葉級數(shù)建立復(fù)雜邊界條件動(dòng)力吸振模型，并與最有同調(diào)設(shè)計(jì)方法結(jié)合，提出了低頻多線譜振動(dòng)控制流程。

3.2 主動(dòng)控制

傳統(tǒng)的被動(dòng)減振降噪方法可以大幅減小全頻段振動(dòng)總量級，但無法根除低頻線譜振動(dòng)。噪聲主動(dòng)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(dòng)次級振動(dòng)噪聲源，抵消初級振動(dòng)噪聲源傳遞到船體的低頻線譜振動(dòng)噪聲，使噪聲源至船體實(shí)現(xiàn)“絕緣”。

噪聲主動(dòng)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(yùn)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(dá)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(xiàng)技術(shù)逐漸應(yīng)用于船舶領(lǐng)域。美國最早將主動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)，主要針對設(shè)備的低頻振動(dòng)進(jìn)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(dòng)噪聲和振動(dòng)控制系統(tǒng)[53]。英國BAE SYSTEMS公司和ALSTOM公司針對機(jī)械設(shè)備安裝臺(tái)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(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)，其中包括智能彈簧安裝臺(tái)架和主動(dòng)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(dòng)噪聲水平[54]。

同時(shí)，國內(nèi)的學(xué)者也相繼投入噪聲及振動(dòng)主動(dòng)控制的研究中。王加春[55]提出了振動(dòng)主動(dòng)控制方法的基本思路，基于實(shí)時(shí)采集的振動(dòng)反饋量，通過控制算法輸出適當(dāng)?shù)目刂谱饔?，?dòng)態(tài)改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。李維嘉[56]從設(shè)備主動(dòng)隔振、動(dòng)力吸振、整船減振等角度，闡述了船舶振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。楊鐵軍[57]介紹了艦船設(shè)備雙層有源隔振、電動(dòng)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(shí)現(xiàn)17.66dB的減振效果。

振動(dòng)噪聲主動(dòng)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(dòng)修正控制系統(tǒng)以適應(yīng)控制對象動(dòng)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(jìn)算法是最經(jīng)典的自適應(yīng)算法，具有計(jì)算復(fù)雜度低、效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)控制技術(shù)進(jìn)入蓬勃發(fā)展階段。美國通用電氣公司的Morgan[59]和貝爾實(shí)驗(yàn)室的Burgess[60]最早提出著名的FxLMS算法。Burgess[61]率先運(yùn)用FxLMS算法開展管道有源線譜噪聲控制試驗(yàn)，但傳統(tǒng)的FxLMS算法難以有效控制多線譜復(fù)雜激勵(lì)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(shí)無法顧及每根線譜噪聲能力的問題，提出運(yùn)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(yàn)證了理論分析的準(zhǔn)確性。Li[64]利用誤差信號的微分項(xiàng)作為反饋控制函數(shù)，提出一種誤差信號微分項(xiàng)反饋?zhàn)儾介LFxLMS算法（DVS FxLMS），由壓電疊堆執(zhí)行器對懸臂梁進(jìn)行主動(dòng)振動(dòng)控制仿真和實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(dòng)。

針對密頻窄帶和頻率波動(dòng)等問題，多參考信號算法和頻率波動(dòng)補(bǔ)償算法[65]應(yīng)運(yùn)而生。在船用柴油發(fā)電機(jī)組主被動(dòng)隔振裝置上，低頻線譜控制效果達(dá)10～30 dB；在船用空壓機(jī)組主被動(dòng)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(lì)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(shí)現(xiàn)多頻信號控制，并研制雙層隔振試驗(yàn)臺(tái)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(jìn)行頻譜估計(jì)。但是均存在估計(jì)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(qiáng)的逼近與自適應(yīng)能力，良好的泛化性能在振動(dòng)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(jī)械振動(dòng)的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償器，并利用差分進(jìn)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(yàn)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(dòng)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(yùn)用改進(jìn)的樽海鞘群算法抑制懸臂梁振動(dòng)，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(tái)，運(yùn)用Morison方程和波動(dòng)理論描述不規(guī)則波動(dòng)力，將振動(dòng)控制轉(zhuǎn)化為最優(yōu)控制問題，設(shè)計(jì)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(yàn)證了該控制器用于海洋平臺(tái)振動(dòng)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(dòng)噪聲控制方法外，還有混沌隔振和反共振隔振2個(gè)方向。

針對線性隔振能力有限的問題，運(yùn)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(gè)諧波頻率中（見圖5)[73]，基于線譜重構(gòu)的混沌隔振應(yīng)運(yùn)而生?；煦绺粽裣到y(tǒng)在降低水下航行器線譜振動(dòng)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(shí)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(dòng)特征非線性控制方法，將低頻線譜振動(dòng)輸入轉(zhuǎn)化為寬頻段輸出，從而控制振動(dòng)以達(dá)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(shí)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(diǎn)。在隔振器中加入兩節(jié)點(diǎn)慣性單元，利用慣性力抵消彈性力。線譜振動(dòng)能量被吸收并傳遞給儲(chǔ)能元件形成反共振，在滿足剛度要求的條件下實(shí)現(xiàn)低頻隔振。反共振隔振最初應(yīng)用于直升機(jī)旋翼―機(jī)身隔振，之后逐漸向船舶領(lǐng)域進(jìn)軍。儲(chǔ)煒[77]建立了共振轉(zhuǎn)換器的動(dòng)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(yàn)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(chǔ)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(dòng)力學(xué)建模與函數(shù)優(yōu)化，對比傳統(tǒng)懸架的振動(dòng)特性，得到較優(yōu)的新型結(jié)構(gòu)。張贛波[79]基于機(jī)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(jì)、先進(jìn)的振動(dòng)噪聲預(yù)報(bào)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(shí)現(xiàn)噪聲智能識(shí)別監(jiān)測系統(tǒng)、基于態(tài)勢感知的噪聲快速預(yù)報(bào)技術(shù)、噪聲動(dòng)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(diǎn)。

1）噪聲智能識(shí)別監(jiān)測系統(tǒng)。線譜振動(dòng)噪聲識(shí)別與監(jiān)測系統(tǒng)對實(shí)時(shí)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(yùn)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(shí)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(yùn)用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分解、建模，進(jìn)而提高線譜噪聲識(shí)別精度與速度，實(shí)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(bào)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(shí)船振動(dòng)噪聲測試結(jié)果等數(shù)據(jù)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生等先進(jìn)技術(shù)對水下航行器線譜振動(dòng)噪聲預(yù)報(bào)模型進(jìn)行仿真，將虛擬聲場與物理聲場不斷交互，實(shí)時(shí)更新水下航行器噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果。

3）噪聲動(dòng)態(tài)控制技術(shù)。水下航行器不同狀態(tài)下的噪聲是動(dòng)態(tài)變化的，降噪的要點(diǎn)就是抓住各工況下的主要噪聲源進(jìn)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(dòng)態(tài)噪聲等。開展水下航行器主動(dòng)降噪機(jī)理研究，提出線譜噪聲主動(dòng)控制方法，設(shè)計(jì)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(dòng)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(xiàng)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(jī)械設(shè)備的振動(dòng)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(jìn)的噪聲預(yù)報(bào)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(jìn)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。