【作者简介】文章作者张明，博士，工程师，研究方向为水下智能装备。本篇文章节选自论文《自主水下航行器自噪声控制及实验验证》，发表于《舰船科学技术》，2020年12月第42卷第12期。
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【摘要】自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)是一种可以根据预设任务，在水下自主航行的无人潜水器，其作为移动测量平台逐渐被应用于海洋环境监测、水下目标识别、水底地形探测等领域。由于AUV平台较小，其自噪声严重制约搭载于平台的声呐系统性能，如何有效控制AUV的自噪声，对于平台声呐系统实现最佳性能具有重要实际意义。AUV的自噪声主要由航行器舵机等产生的机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声几部分组成。本文通过AUV平台与声呐系统一体化控噪设计，利用机械降噪、隔振材料、智能控制等手段，对AUV进行系统性噪声控制。通过室内和湖上实验，测试平台不同部件、不同工况下的噪声特性，以及降噪效果。搭载声呐系统的平台湖上自噪声测量试验结果表明，在典型平均航速为3kn情况下，平台自噪声1kHz以上频段可控制在80dB以下。
【关键词】自主水下航行器；自噪声；降噪；智能控制
0.引言
自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)是一种可以根据预设任务，在水下自主航行的无人潜水器，具有自主航行、自主导航、自主探测的功能[1–4]。近年来随着AUV能源、导航、自动控制技术等方面的提升，AUV作为移动测量平台逐渐被应用于海洋环境监测、水下目标识别、水底地形探测等领域[5–7]。由于AUV平台较小，其自噪声严重制约搭载于平台的声呐系统性能。如何有效控制AUV的自噪声，对于平台声呐系统实现最佳性能具有重要实际意义。
AUV的自噪声主要由航行器舵机等产生的机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声几部分组成[8–9]。文中的AUV典型航速为3kn，航速较低，噪声主要由机械振动、螺旋桨噪声产生[10]，本文主要对舵机等转动产生的机械噪声、螺旋桨噪声进行分析。通过AUV平台与声呐系统一体化控噪设计，利用机械降噪、隔振材料、智能控制等手段，对AUV进行系统性噪声控制。
1.AUV自噪声分析及控制
1.1 自噪声分析
本文AUV推进系统采用单推进器、4个舵机驱动的方式，其结构如图1所示。推进器电机固定于舱体内部，通过联轴器、传动轴驱动螺旋桨转动，产生推力；4个舵机固定于舱体内部，通过轴杆驱动舵板转动，控制方向和升沉。
图1 AUV推进系统结构图
首先在室内对推进器噪声、舵机噪声进行测试。推进器噪声分为电机噪声、电机加传动轴的噪声，以及电机加传动轴和螺旋桨的噪声。电机噪声指拆除传动轴和螺旋桨，只将电机固定在舱体内工作所产生的噪声；电机加传动轴噪声指电机接上传动轴后工作所产生的噪声；电机加传动轴和螺旋桨噪声指电机接上传动轴，并且安装螺旋桨后工作所产生的噪声。为了测试不同部件的噪声，本文对这几部分噪声单独测试。声学测量设备为麦克风和一套数据采集系统，其中数据采集系统采样频率 52 kHz。室内噪声测试结果已经做归一化处理。
图2为电机在不同转速下(分别为300，400和500r/min)的噪声，可以发现在15kHz附近有一个较强的单频信号，其频率值不随转速的改变而发生变化，其幅度会随着转速的增大而增大。
图2 不同转速下电机噪声、幅度已归一化处理
图3比较了推进系统电机噪声、电机加传动轴的噪声，以及电机加传动轴和螺旋桨的噪声，电机转速500r/min。可以发现，3 种情况总体噪声特性基本一致，加装传动轴、螺旋桨后在低频处的噪声会增大。由于在空气中测试，螺旋桨转动没有与水体接触的噪声，所以相比于只安装传动轴，噪声特性变化不大，需要在湖上进一步测试。
图3 推进系统电机噪声、电机加传动轴噪声，以及电机加传动轴和螺旋桨噪声比较
对舵机噪声进行测试，如图4所示。这是转舵18°的噪声测量结果，可以发现噪声频带较宽，并且在低频区域(0.5～1kHz)噪声尤为明显。
图4 舵机转舵噪声，背景噪声，舵机转动噪声
1.2 自噪声控制
电机通过螺丝固定在舱体内部，为了减小电机振动，并且减小振动噪声通过壳体传播，本文在电机固定面增加橡胶垫。此外，在电机舱内壁包裹一圈隔音棉，以起到吸收噪声、减小噪声通过舱体向外辐射的效果。图5为对电机进行降噪处理后的测量结果，可由于在空气中测试，螺旋桨转动没有与水体接触的噪以发现降噪效果较为明显，尤其是在15kHz处，噪声下降约20dB。
图5 电机降噪处理后的噪声，降噪前的电机转动的噪声，增加橡胶垫和隔音棉后的噪声
通过分析可知，电机安装传动轴后噪声会变大，其中一个原因是传动轴与电机安装不够紧密，对传动轴连接件做改进，使安装间隙减小，以起到降噪的效果。
本文AUV采用的是减速舵机，通过齿轮减速，以提高转动扭矩，所以在转舵过程中由于齿轮的转动，会产生噪声。1.1节图4中舵机是快速转舵18°，也就是驱动模块在收到转舵18°指令后，以最快的速度转到18°的舵角。通过优化舵机转舵方式，降低转舵速度，但又不影响控制效果，比如每20ms转舵4°，100ms内完成转舵，这样舵机齿轮转动的噪声就会降低。图6为优化转舵方式后的噪声特性与未优化时的噪声特性比较结果，可以看到优化转舵方式后，噪声明显减小。
图6 优化转舵方式的噪声，背景噪声，优化转舵方式后的噪声，原始转舵方式下的噪声
优化转舵方式能降低舵机的噪声，根据测量任务，优化推进系统控制方式，也能进一步降低噪声，对此将在湖上试验进行验证。
2.湖上试验
AUV 首先在湖上利用水听器进行噪声测试，图7比较了AUV静止状态下电机转动、电机安装螺旋桨后转动，以及舵机转舵情况下的噪声。电机转动时噪声频谱较宽，在15kHz 处有一个明显的噪声，与室内测试一致；当安装螺旋桨后，由于螺旋桨在水体中转动，低频处的噪声会增大；转舵时，低频处的噪声较大，与室内测试一致。
图7 AUV 静止状态下湖上噪声测试，背景噪声，未安装螺旋桨的噪声，安装螺旋桨后的噪声；舵机转动的噪声
湖上航行试验主要对AUV工作状态下总体噪声进行测试，即AUV以平均航速3kn航行，航行深度10m，利用搭载在AUV上的水听器及数据采集系统记录噪声，比较AUV正常航行，以及经过智能噪声控制后的噪声特性。智能噪声控制指根据测量任务，优化转舵方式，优化电机控制，但不影响整体航行及测量。噪声测试结果如图8所示。在正常航行情况下，AUV噪声较大，在低频处噪声大于100dB；当进行智能噪声控制后，噪声幅度明显减小，1kHz以上频率除个别频点外基本控制在80dB以下。个别频点可能是测试环境中有其他信号的干扰，需要进一步验证。
图8 AUV湖上航行噪声测试，背景噪声，智能噪声控制后的结果，正常航行的噪声3.结语
本文主要对AUV推进系统自噪声进行分析，提出自噪声控制方法，通过隔振材料和吸声材料的应用，降低推进器电机的噪声；通过减小联轴器与电机及螺旋桨的安装间隙，降低联轴器等传动装置引入的噪声；通过优化转舵控制方式，减小舵机转动时的噪声；通过优化推进系统控制方式，降低AUV工作时的噪声。通过室内及湖上测量，验证了降噪措施的有效性。湖上试验结果表明，在典型平均航速为3kn情况下，平台自噪声1kHz以上频段可控制在80dB以下。
【参考文献】
[1] ALLEN B, STOKEY R, AUSTIN T, et al. REMUS: a small, low cost AUV; system description, field trials and performance results [C]. Oceans conference, Halifax, 1997:994–1000.
[2] CRUZ N, MATOS A. The MARES AUV, a modular Autonomous robot for environment sampling [C]. Oceans conference, Quebec City, 2008:1–6.
[3] MOLINE M A, BLACK WELL S M, VON Alt C, et al. Remote environmental monitoring units: an autonomous vehicle for characterizing coastal environments [J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2005,22(11): 1797–1808.
[4] ZHANG Ming, XU Yuan-xin, LI Bo, et al. A modular autonomous underwater vehicle for environmental sampling: system design and preliminary experimental results [C]. Oceans conference, Taipei, 2014:1–5.
[5-10] 略.
