CN114664279A - 一种水下航行器推进器噪声主动控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种水下航行器推进器噪声主动控制方法，涉及水下航行器降噪领域。该水下航行器推进器噪声主动控制方法包括以下步骤：分析水下航行器的推进器噪声源声场，确定需控制的频率范围；根据需控制的频率范围确定换能器的规格、尺寸；将水下航行器的推进器的螺旋桨位置设为原点，根据水下航行器的艉部结构特点和选定换能器的尺寸，通过仿真寻优确定换能器、水声信号传感器的布放位置和布放数量；将换能器和水声信号传感器按确定数量和位置布置于水下航行器艉部，对水下航行器的远场声源控制效果进行检测以判断噪声主动控制效果。水下航行器推进器噪声主动控制方法能够有效的控制水下航行器推进器的低频线谱噪声。
Description
技术领域
本申请涉及水下航行器降噪领域，具体而言，涉及一种水下航行器推进器噪声主动控制方法。
背景技术
目前水下航行器对于水下噪声的控制方法主要有：减阻降噪、使用低噪声设备或减少噪声源、采用隔振装置和浮筏等隔离手段减少振动向船体的传递、使用设备隔声罩等隔离空气噪声、运用管路消声器和挠性接管等降低管路噪声等方法，这些被动消声的方法在高频段噪音降噪方面取得了显著的效果，中高频噪声使用上述被动控制技术也能够起到较好的控制效果，但是被动控制手段对于低频线谱噪声的效果不明显。
目前开始应用主动控制技术对水下航行器的低频线谱噪声进行处理，其实经由次级声源发出振动或声信号对初级声源进行干涉抵消，例如使用智能减振器、主被动气囊隔振装置等主动降噪设备以控制设备振动的低频线谱。但是在某些情况下，由于噪声源的特殊性导致内部的主动控制手段无法取得理想的降噪效果，例如螺旋桨等与海水接触的外部构件运转所产生的噪声。
因此需要一种能够对水下航行器舱外产生的低频线谱进行主动控制降噪的方法。
发明内容
本申请的目的在于提供一种水下航行器推进器噪声主动控制方法，其能够有效的控制水下航行器的推进器的低频线谱噪声。
本申请的实施例是这样实现的：
本申请实施例提供一种水下航行器推进器噪声主动控制方法，其包括以下步骤：
分析水下航行器的推进器噪声源声场，根据噪声源声场的实测值或计算值确定噪声主动控制的频率范围；
根据噪声主动控制的频率范围确定换能器的规格、尺寸；
将水下航行器的推进器的螺旋桨位置设为原点，根据水下航行器的艉部结构特点和选定换能器的尺寸确定换能器的布放位置和布放数量，并确定水声信号传感器的布放位置和布放数量；
将换能器和水声信号传感器按确定数量和位置布置于水下航行器艉部，对水下航行器的远场声源控制效果进行检测以判断噪声主动控制效果。
在一些可选的实施方案中，确定换能器的布放位置后，对换能器的布置位置进行寻优，其包括以下步骤：
通过仿真求出螺旋桨和换能器分别单独工作时，在位置误差点处的声压P0和P1，以及远场球面上的声压信息[p0]和[p1]；
由位置误差点处的声压P0和P1，求得系数α使螺旋桨和换能器同时工作时位置误差点处的声压值为P＝P0+(α×P1)＝0；
利用计算得到的系数α对远场声压进行线性叠加，得到干涉声场中远场球面处的声压[p]＝[p0]+(α×[p1])；
由得到的声压数据计算求出总辐射声功率变化量dW的值，分析位置误差点位于不同点位处的dW，dW最小时对应的位置误差点的位置即为最优的换能器布放位置。
在一些可选的实施方案中，对水下航行器的远场声源控制效果进行检测包括以下步骤：
选定近场处某一点作为测试误差点，读取近场处的声场和声压时域信号，作为测试误差信号，对测试误差信号进行20Hz～100Hz的带通滤波并保留低频段信号；
利用近场处的声场和声压时域信号采用自适应LMS算法计算换能器的发射信号形式；
结合换能器与远场各点处的位置关系，按照球面波衰减规律计算换能器产生的远场声压；
将推进器动模型计算结果与换能器产生的远场声压进行干涉处理，得到控制后的远场测点总声压；
对比使用换能器前后的远场声压级，分析不同情况下的控制效果。
在一些可选的实施方案中，至少两个换能器对称布置于水下航行器的尾尖舱。
在一些可选的实施方案中，至少一个水声信号传感器布置在螺旋桨的正上方或以螺旋桨位置为原点的YOZ平面内。
在一些可选的实施方案中，至少一个水声信号传感器布置在螺旋桨的轴向平面内。
在一些可选的实施方案中，水下航行器的尾尖舱、艉部压载水舱或纵倾调整水舱设有至少一个换能器。
本申请的有益效果是：本申请提供的水下航行器推进器噪声主动控制方法包括以下步骤：分析水下航行器的推进器噪声源声场，根据噪声源声场的实测值或计算值确定噪声主动控制的频率范围；根据噪声主动控制的频率范围确定换能器的规格、尺寸；将水下航行器的推进器的螺旋桨位置设为原点，根据水下航行器的艉部结构特点和选定换能器的尺寸确定换能器的布放位置和布放数量，并确定水声信号传感器的布放位置和布放数量；将换能器和水声信号传感器按确定数量和位置布置于水下航行器艉部，对水下航行器的远场声源控制效果进行检测以判断噪声主动控制效果。本申请提供的水下航行器推进器噪声主动控制方法能够有效的控制水下航行器的推进器的低频线谱噪声。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的水下航行器推进器噪声主动控制方法中换能器和水声信号传感器安装于水下航行器的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的水下航行器推进器噪声主动控制方法中水下航行器的螺旋桨的辐射声场的仿真示意图；
图3为本申请实施例提供的水下航行器推进器噪声主动控制方法中换能器的辐射声场仿身示意图；
图4为本申请实施例提供的水下航行器推进器噪声主动控制方法中计算得到的螺旋桨的初始声场与换能器施加的声场叠加后的干涉声场的示意图；
图5为本申请实施例提供的水下航行器推进器噪声主动控制方法中施加了主动控制后远场声场的声压级变化量的示意图。
图中：100、水下航行器；110、螺旋桨；200、换能器；210、水声信号传感器。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以下结合实施例对本申请的水下航行器推进器噪声主动控制方法的特征和性能作进一步的详细描述。
本申请实施例提供一种水下航行器推进器噪声主动控制方法，其包括以下步骤：
S1、分析水下航行器100的推进器噪声源声场，根据噪声源声场的实测值或计算值确定噪声主动控制的频率范围；
S2、根据噪声主动控制的频率范围确定换能器200的规格、尺寸；
S3、将水下航行器100的推进器的螺旋桨110位置设为原点，根据水下航行器100的艉部结构特点和选定换能器200的尺寸确定换能器200的布放位置和布放数量，并确定水声信号传感器210的布放位置和布放数量；确定换能器200的布放位置后，对换能器200的布置位置进行寻优，寻优包括以下步骤：
A、如图2和图3所示，通过仿真求出螺旋桨110和换能器200分别单独工作时，在位置误差点处的声压P0和P1，以及远场球面(300m)上的声压信息[p0]和[p1]；
B、如图4所示，由位置误差点处的声压P0和P1，求得系数α使螺旋桨110和换能器200同时工作时位置误差点处的声压值为P＝P0+(α×P1)＝0；
C、如图5所示，利用计算得到的系数α对远场声压进行线性叠加，得到干涉声场中远场球面处的声压[p]＝[p0]+(α×[p1])；
D、由得到的声压数据计算求出总辐射声功率变化量dW的值，分析位置误差点位于不同点位处的dW，dW最小时对应的位置误差点的位置即为最优的换能器200布放位置。
S4、如图1所示，将两个换能器200模拟偶极子源对称布置于水下航行器100的尾尖舱，将一个水听器作为水声信号传感器210布置于布置在螺旋桨110轴向平面内，对水下航行器100的远场声源控制效果进行检测以判断噪声主动控制效果；对水下航行器100的远场声源控制效果进行检测包括以下步骤：
a、选定近场处某一点作为测试误差点，读取近场处的声场和声压时域信号，作为测试误差信号，对测试误差信号进行20Hz～100Hz的带通滤波并保留低频段信号；
b、利用近场处的声场和声压时域信号采用自适应LMS算法计算换能器200的发射信号形式；
c、结合换能器200与远场各点处的位置关系，按照球面波衰减规律计算换能器200产生的远场声压；
d、将推进器动模型计算结果与换能器200产生的远场声压进行干涉处理，得到控制后的远场测点总声压；
e、对比使用换能器200前后的远场声压级，分析不同情况下的控制效果。
本申请实施例提供的水下航行器推进器噪声主动控制方法利用水下航行器100艉部的非水密空间布置偶极子源换能器200作为主动控制的次级声源，并设置水声信号传感器210作为误差传感器，通过控制换能器200发出与螺旋桨110声场信号相位相反的次级声抵消原有的声场，从而实现主动控制。在布置换能器200时，计算得到螺旋桨110本身的辐射声场和不同情况下的次级声源的辐射声场，利用水声信号传感器210的声压信号，分析次级声源源级和相位信息，进而计算螺旋桨110本身辐射噪声与次级声源耦合干涉后的声场声压级分布，并根据远场降噪量选择远场中有限点位置处的声压平方和为有源控制的目标函数(其中远场声压根据数值仿真获取)，选取最优的次级声源和误差传感器的布放位置，从而提高主动降噪效果。
以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
Claims (7)
1.一种水下航行器推进器噪声主动控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：
分析水下航行器的推进器噪声源声场，根据所述噪声源声场的实测值或计算值确定噪声主动控制的频率范围；
根据所述噪声主动控制的频率范围确定换能器的规格、尺寸；
将所述水下航行器的推进器的螺旋桨位置设为原点，根据所述水下航行器的艉部结构特点和选定所述换能器的尺寸确定所述换能器的布放位置和布放数量，并确定水声信号传感器的布放位置和布放数量；
将换能器和水声信号传感器按确定数量和位置布置于水下航行器艉部，对所述水下航行器的远场声源控制效果进行检测以判断噪声主动控制效果。
2.根据权利要求1所述的水下航行器推进器噪声主动控制方法，其特征在于，确定所述换能器的布放位置后，对所述换能器的布置位置进行寻优，其包括以下步骤：
通过仿真求出螺旋桨和换能器分别单独工作时，在位置误差点处的声压P0和P1，以及远场球面上的声压信息[p0]和[p1]；
由位置误差点处的声压P0和P1，求得系数α使螺旋桨和换能器同时工作时位置误差点处的声压值为P＝P0+(α×P1)＝0；
利用计算得到的系数α对远场声压进行线性叠加，得到干涉声场中远场球面处的声压[p]＝[p0]+(α×[p1])；
由得到的声压数据计算求出总辐射声功率变化量dW的值，分析位置误差点位于不同点位处的dW，dW最小时对应的位置误差点的位置即为最优的换能器布放位置。
3.根据权利要求1所述的水下航行器推进器噪声主动控制方法，其特征在于，对所述水下航行器的远场声源控制效果进行检测包括以下步骤：
选定近场处某一点作为测试误差点，读取近场处的声场和声压时域信号，作为测试误差信号，对测试误差信号进行20Hz～100Hz的带通滤波并保留低频段信号；
利用近场处的声场和声压时域信号采用自适应LMS算法计算换能器的发射信号形式；
结合换能器与远场各点处的位置关系，按照球面波衰减规律计算换能器产生的远场声压；
将推进器动模型计算结果与换能器产生的远场声压进行干涉处理，得到控制后的远场测点总声压；
对比使用换能器前后的远场声压级，分析不同情况下的控制效果。
4.根据权利要求1所述的水下航行器推进器噪声主动控制方法，其特征在于，至少两个所述换能器对称布置于所述水下航行器的尾尖舱。
5.根据权利要求1所述的水下航行器推进器噪声主动控制方法，其特征在于，至少一个所述水声信号传感器布置在所述螺旋桨的正上方或以所述螺旋桨位置为原点的YOZ平面内。
6.根据权利要求1所述的水下航行器推进器噪声主动控制方法，其特征在于，至少一个所述水声信号传感器布置在所述螺旋桨的轴向平面内。
7.根据权利要求1所述的水下航行器推进器噪声主动控制方法，其特征在于，所述水下航行器的尾尖舱、艉部压载水舱或纵倾调整水舱设有至少一个所述换能器。
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