潜艇噪声主动控制技术

今日闲来无事突然萌发一个想法，整理一下手里公开的学术论文等资料，用我掌握的浅薄的知识浅谈一下国外的潜艇噪声主动控制技术的现状和未来的发展趋势，欢迎大家补充和批判，让这个帖子变得更有营养。

随着20世纪60年代低频搜索与测距技术(LOFAR)的出现,使得潜艇的低频特征信号暴露无遗。而目前广泛采用的被动减振降噪技术恰恰在低频方面存在缺陷。例如,双层隔振与浮筏技术,由于加了浮筏,整个系统自由度增加,自振频率也随之增大,所以尽管对高频振动隔离比较有效,但低频性能并不好,而且低频隔振还存在静变形和稳定性要求的限制。关于阻尼材料,它的基本原理是利用变形吸收振动能量来减振,但它在低频时成为橡胶态,阻尼很小。在潜艇外部的消声瓦,根据其特性,在隔声以及抑制振动方面有其局限性,一般对20~30Hz以上的振动可抑制10dB左右,但对此频率以下的振动却没有效果。另外如一些推进电机的转速也越来越低。这些都要求低频减振降噪技术的提高。此外就是被动的减振降噪技术基本是基于线性理论进行设计,所以对周期激励的隔离效果较差,而目前被动声纳对水声中线谱成分的探测能力越来越强,因此现代舰艇急需一种能够有效抑制低频线谱噪声的控制技术。而振动噪声主动控制技术的优势恰恰在于低频线谱噪声的控制,且对一些偶发噪声也具有很好的控制效果。以下主要从几个方面来论述潜艇振动噪声主动控制技术：

1、舱室有源消声技术。有源消声技术对低频噪声效果很好，相对被动消声方法而言，还具有系统小、重量轻、控制易等优点，随着现代控制技术的发展和控制芯片成本的下降，有源消声的实现也越来越容易，已成为噪声控制的一个研究热点。有源消声技术又称为主动噪声控制技术，利用人为地发出次级噪声控制原始噪声，达到消除原始噪声的目的。有源消声也称有源降噪、有源噪声控制、有源噪声抵消、有源声衰减，英文名称也有多种，含义相差不大。目前学术界用得最多的还是有源消声（ANC）这一说法。就是根据两个声波相消性干涉或声辐射抑制的原理，通过抵消声源（次级声源）产生与被抵消声源（初级声源）的声波的频率和振幅必须相同，相位必须相反才能相互抵消，从而达到降低噪声的目的。这种方法适用于消除1500Hz以下低频无规噪声，以弥补被动隔音的不足。舱室有源消声多年来一直被认为是一项非常困难的工作。随着计算机处理能力的快速发展，舱室有源消声技术已经开始实用化。美国海狼级核潜艇除了配备最先进的武器装备和作战系统外，还集中了美国历年来在降噪研究方面所取得的各种最新成果，被称为真正安静型潜艇。海狼级潜艇努力降低噪声，除了在壳体内部和舱壁上大量地敷设吸声材料、在壳体外部敷设消声瓦、在噪声强的设备上加装隔声罩、消声器和设立隔声室外，还在舱室内部采用了新型的有源消声技术。在空气噪声较大的战位和其他工作空间，针对该处的空气噪声特性设计出一种声源系统。该系统能发出与原空气噪声振幅相同但相位相反的声音，来抵消该处原来的空气噪声，达到安静的目的。这种主动消声技术已在新建的洛杉矶级潜艇和英国的特拉法尔加级核潜艇上的空调部位和噪声较大的舱室获得应用。使用证明该技术对舱室空气噪声降噪效果明显。海狼级核潜艇采用以上安静化措施后，其噪声级降低了15dB，降至90～100dB，从而在噪声领域内使美国潜艇再次领先于世界，使海狼级潜艇成为21世纪最具威力的攻击型核潜艇。虽然现阶段舱室有源消声技术相对于之前取得很大进展，但是必须意识到其依旧存在着许多问题。比如对于水声领域，主要是时变噪声信号的控制：现在空间有源消声的实验大多数是针对单频或窄带噪声信号，一旦初级声源是非线性、时变信号，其自适应控制算法就不能保证消声系统的稳定性和较好的消声量，往往造成控制系统不能收敛，引起啸叫，所以针对实际应用中常常出现的时变噪声信号，如何有效地进行控制是空间有源消声走向实用的一个重要问题。




今日闲来无事突然萌发一个想法，整理一下手里公开的学术论文等资料，用我掌握的浅薄的知识浅谈一下国外的潜艇噪声主动控制技术的现状和未来的发展趋势，欢迎大家补充和批判，让这个帖子变得更有营养。

随着20世纪60年代低频搜索与测距技术(LOFAR)的出现,使得潜艇的低频特征信号暴露无遗。而目前广泛采用的被动减振降噪技术恰恰在低频方面存在缺陷。例如,双层隔振与浮筏技术,由于加了浮筏,整个系统自由度增加,自振频率也随之增大,所以尽管对高频振动隔离比较有效,但低频性能并不好,而且低频隔振还存在静变形和稳定性要求的限制。关于阻尼材料,它的基本原理是利用变形吸收振动能量来减振,但它在低频时成为橡胶态,阻尼很小。在潜艇外部的消声瓦,根据其特性,在隔声以及抑制振动方面有其局限性,一般对20~30Hz以上的振动可抑制10dB左右,但对此频率以下的振动却没有效果。另外如一些推进电机的转速也越来越低。这些都要求低频减振降噪技术的提高。此外就是被动的减振降噪技术基本是基于线性理论进行设计,所以对周期激励的隔离效果较差,而目前被动声纳对水声中线谱成分的探测能力越来越强,因此现代舰艇急需一种能够有效抑制低频线谱噪声的控制技术。而振动噪声主动控制技术的优势恰恰在于低频线谱噪声的控制,且对一些偶发噪声也具有很好的控制效果。以下主要从几个方面来论述潜艇振动噪声主动控制技术：

1、舱室有源消声技术。有源消声技术对低频噪声效果很好，相对被动消声方法而言，还具有系统小、重量轻、控制易等优点，随着现代控制技术的发展和控制芯片成本的下降，有源消声的实现也越来越容易，已成为噪声控制的一个研究热点。有源消声技术又称为主动噪声控制技术，利用人为地发出次级噪声控制原始噪声，达到消除原始噪声的目的。有源消声也称有源降噪、有源噪声控制、有源噪声抵消、有源声衰减，英文名称也有多种，含义相差不大。目前学术界用得最多的还是有源消声（ANC）这一说法。就是根据两个声波相消性干涉或声辐射抑制的原理，通过抵消声源（次级声源）产生与被抵消声源（初级声源）的声波的频率和振幅必须相同，相位必须相反才能相互抵消，从而达到降低噪声的目的。这种方法适用于消除1500Hz以下低频无规噪声，以弥补被动隔音的不足。舱室有源消声多年来一直被认为是一项非常困难的工作。随着计算机处理能力的快速发展，舱室有源消声技术已经开始实用化。美国海狼级核潜艇除了配备最先进的武器装备和作战系统外，还集中了美国历年来在降噪研究方面所取得的各种最新成果，被称为真正安静型潜艇。海狼级潜艇努力降低噪声，除了在壳体内部和舱壁上大量地敷设吸声材料、在壳体外部敷设消声瓦、在噪声强的设备上加装隔声罩、消声器和设立隔声室外，还在舱室内部采用了新型的有源消声技术。在空气噪声较大的战位和其他工作空间，针对该处的空气噪声特性设计出一种声源系统。该系统能发出与原空气噪声振幅相同但相位相反的声音，来抵消该处原来的空气噪声，达到安静的目的。这种主动消声技术已在新建的洛杉矶级潜艇和英国的特拉法尔加级核潜艇上的空调部位和噪声较大的舱室获得应用。使用证明该技术对舱室空气噪声降噪效果明显。海狼级核潜艇采用以上安静化措施后，其噪声级降低了15dB，降至90～100dB，从而在噪声领域内使美国潜艇再次领先于世界，使海狼级潜艇成为21世纪最具威力的攻击型核潜艇。虽然现阶段舱室有源消声技术相对于之前取得很大进展，但是必须意识到其依旧存在着许多问题。比如对于水声领域，主要是时变噪声信号的控制：现在空间有源消声的实验大多数是针对单频或窄带噪声信号，一旦初级声源是非线性、时变信号，其自适应控制算法就不能保证消声系统的稳定性和较好的消声量，往往造成控制系统不能收敛，引起啸叫，所以针对实际应用中常常出现的时变噪声信号，如何有效地进行控制是空间有源消声走向实用的一个重要问题。