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潜艇隔振与噪声控制的新进展
摘要--隔振和噪声控制技术用于潜艇上的多个系统，采用这些技术有很多原因，其中一个主要原因是尽量减少潜艇的声学特征，使其难以探测。本文描述了传统以及新兴的噪声和隔振技术，并有可能适用于潜艇。
一、引言
重要的是，潜艇具有潜行能力，以执行许多预期的任务。 为了实现隐蔽能力，潜艇应当最小化广播到水中的声学噪声。 此外，如果潜艇的存在不能通过主动声纳法检测，其中声纳信号从另一平台广播并监听反射信号，则将是有益的。 目前在研究机构中正在开发声学掩蔽技术，并且它能否在国防应用中实现是值得揣摩的。 最近开发的振动控制技术试图混淆由使用非线性隔离器的机械产生的音调振动，这通常导致音调噪声的辐射。
在潜艇上使用噪声和振动控制技术的另一个原因是最小化对人员的暴露，提供舒适的工作环境，从而减少人员的疲劳，减少机械部件的疲劳，提高了可靠性并且降低了维护的成本。
本文包含这些常规和新兴的振动和噪声控制技术的描述。
二、背景
1，潜艇噪音和振动的来源
在潜艇上有许多噪声和振动源，其振幅必须被控制以便为潜艇提供潜行能力。船上的几个振动和噪声源如图1所示，包括发动机排气，辅助机械，柴油发动机，发电机，驱动电动机，螺旋桨和船体外体上的流动噪声。其他噪声源包括管道中的流体传播压力脉冲导致的振动，弓形盖门打开，兵力的部署和收回等。
常规潜艇上的柴油发动机的功率超过100万瓦，并且通常是平台上最大的声学和振动源。在声学上隐藏一个这样大的振动源是很困难的工程挑战。，所以必须采用多种技术来衰减发动机的声学特征。
图1 潜艇上的噪声和振动源
2，控制理念
噪声和振动控制问题通常被分析为一个系统，这个系统包含了噪声和振动源，传输路径和接收器，如图2所示。
图2 从源，路径和接受者分析一个噪声和振动系统
一般来说，如果噪声或振动源可以在最初被最小化，则不需要改进系统来解决问题。 一些噪声和振动控制方法涉及通过使用振动隔离器或消音器来处理传输路径，以防止噪声或振动到达接收器。 在少数情况下，可以重新放置接收机以减少感知的问题。 常见的控制技术有改变源和传输路径。
以下部分描述了这两类的振动控制和噪声控制技术， 这些部分进一步细分为被动和主动控制技术。
三、振动控制
1，介绍
振动控制方法主要包括通过安装被动，自适应被动或主动隔振系统来改变传输路径。
控制柴油发动机产生的振动源的方法是使用平衡良好的发动机，例如本质上无力矩的V8配置[1]。 另一种方法涉及使用具有连续调节燃料量和输送正时的调节算法的先进电子柴油喷射系统，例如由Wauml;rtsilauml;[2]制造的系统，其用于减少船用柴油发动机产生的振动。
2，被动方法
用于衰减设备振动的最常见方法是将其安装在改变振动路径的隔振器上，被动隔振器的类型和组成很多，如金属弹簧，合成橡胶，卷绕钢丝绳等。 这些隔离器中的大多数被设计成在施加到隔离器的力的大小及其偏转之间具有恒定的线性关系，这被称为胡克弹性定律。
隔振器还以施加的力和其位移之间的非线性关系操作，这些类型的隔离器可用于冲击隔离，其中设计者可能需要随着偏转增加而增加反作用力。参考文献[3]提供了非线性被动隔振器的发展的全面总结，其中包含500多个参考文献。
非线性隔振器的特殊方面是使用它们来模糊音调振动的可能性，这将在稍后的反控制部分中进一步解释。
另一类被动振动控制可以在安装和操作时自动调谐隔离器的特性，并被称为自适应被动控制。
阿德莱德大学机械工程学院与国防科学技术组织联合开发了一种自适应无源调谐振动中和器，如图3所示，可以减少两级隔振器的振动[4]。自适应被动系统使用与调谐振动中和器相同的原理，只有它可以被调谐到干扰振动的频率。通过调整其上附接有刚性块的悬臂的长度，改变系统的有效刚度，从而改变装置的共振频率，实现调谐。该系统仅需要低功率（12伏）来操作微控制器和致动器。只有当该装置需要由自动控制系统重新调谐以匹配干扰振动的频率时，致动器才工作。
使用模拟的柯林斯类发动机振动隔离系统作为测试平台在设备上进行实验室测试，结果证明该技术能够显著减小中间质量的振动。这表示来自柴油发动机的振动在到达潜艇船体之前将被衰减，二这将将减小潜艇的声学特征。
图3 自适应无源调谐振动中和器的示意图
用于减少振动的另一种被动技术是调谐（质量）振动阻尼器，其由质量块，弹簧和阻尼元件组成，该装置附接到振动结构，并且振动通过阻尼而衰减。Wauml;rtsilauml;公司制造了一个调谐质量阻尼器，并将其连接到船用柴油发动机上的涡轮增压器[5]。他们发现振动水平显著减弱，并且至少有15个机组于2008年投入使用。
3，主动方法
主动隔振系统使用反作用力来减少来自源的振动，它们通常与被动振动隔离系统组合使用，所以如果主动系统失效，则被动系统仍将提供一些振动衰减。
阿德莱德大学机械工程学院研究了在模拟柯林斯级潜艇发动机隔振器上主动隔振的使用[6]，已经发现，有源隔离器沿平移轴和旋转轴提供非常好的振动衰减。
振动隔离系统的细微差别之一是识别从振动源通过隔离器并到接收结构中的平移和旋转振动功率传输的重要性，仅仅沿着单个平移轴作用的主动隔振系统有时可能由于忽略沿旋转轴的振动功率传递而导致振动水平的增加[7][8]。
衰减来自船用发动机支撑结构的振动主动隔振系统已经有先例了。MTU Friedrichshafen开发了一种组合的被动和主动隔振系统，用于衰减大型船用柴油发电机的振动[9]，主动隔振底座包括沿着三个轴定向的三个惯性电动振动器。他们的结果表明，可以实现显著的振动衰减。
韩国研究人员[10] [11]开发了一种惯性型主动隔振支架，结合了用于海洋应用的压电致动器。 该设备经过军用规格测试，发现其混合安装性能优于美国海军标准弹性安装的（SC）7E450。
较不复杂的主动振动控制系统是“振动补偿器”，其有时安装在大型水面船上。这些装置使用由电动机驱动的反向旋转质量产生反作用力，并且与麻烦的发动机频率同步[12]。
主动或自适应被动隔振的另一个有趣的研究发展是减少旋转螺旋桨产生的振动与潜水艇和船体上的推力轴承反应，从而最小化潜艇产生的噪声[13][14]。
已经进行了与前述情况相反的研究和实验测试，其中轴向力被施加到轴以衰减螺旋桨叶片的端部处的振动[15]。
海洋和海底应用的主动振动控制技术的发展正在学术和国防研究机构，商业和国防公司中进行。国防工业与大学之间合作的一个例子是与BAE系统公司和英国谢菲尔德大学合作，于2008年开始[16]开发主动控制技术。
4，混合控制
用于识别海上平台存在的一种方法是识别音调噪声，水下声音的傅立叶变换显示声音的振幅和频率含量，通过将不同的音调噪声（源自振动源）转换成混沌信号，这将减少声调噪声的振幅，并且可以改变信号的谐波或宽带噪声，可以掩盖声学特征。如图4所示。
可以通过使用非线性被动[17]或主动[18]振动隔离系统来实现遮蔽声学特征。2005年左右开始减少在线光谱领域的理论工作[17]，并已被提出作为一种可用于改善海洋平台隐蔽性的方法。
图4 线谱减少和宽带水平的增加
参考文献[17]描述了实验测试的被动非线性振动隔离系统的结果。由电动机驱动的反向旋转质量的机械平台被支撑在可以调节充气和排气的空气弹簧上。结果表明，当振动响应混乱时，与振动响应不混乱时相比，振动水平降低了14dB。
在这一领域的研究正在进行[19] [20] [21] [22] [23] [24]，但利用这种技术的商业隔离器不可用。
四、噪声控制
1，介绍
在潜艇中减少来自机械的声学噪声对于降低其声学特征是重要的。排气消声器用于减少来自柴油发动机动力装置的噪声，并且通常这些是不需要额外功率的被动噪声控制装置。主动噪声控制系统将噪声或声功率注入系统中，目的是衰减干扰噪声，下面进一步描述这些技术。
2，被动方法
通过对沿着排气管传播的噪声或声压提供阻抗来实现声衰减。与声学系统的良好类比是将声压波作为沿着绳索传播的横波来考虑，如图5所示。对于内衬有吸声材料的声学管道的第一种情况，类比是附接到阻尼的绳索当波到达阻尼器时吸收能量的元件。声学膨胀或收缩可以比作两个绳索之间的横截面面积的变化 - 当平移波到达其中横截面面积存在变化的接合处时，一小部分波将在接合处传播并且剩余的将被反映。亥姆霍兹共振器可以类似于连接到绳索的弹簧质量系统，其中亥姆霍兹共振器的颈部中的空气体积类似于质量，并且空气容器类似于可压缩的弹簧元件。
图5 声阻元件的力学类比
这些声学元件用于在每个汽车消音器和船用发动机柴油机排气中使用的标准排气消声器，这种技术是完全建立和理解的。
另一种用于排气消音器的技术被称为自适应被动谐振器消声器。 术语自适应意味着消声器能够将其自身重新调谐到干扰噪声的频率，从而保持对干扰噪声的频率变化的声衰减。
自适应被动声衰减器不向系统注入额外的声能，唯一需要的电源是用于为微处理器和声传感器（通常几瓦）供电的低压电源和用于改变设备的谐振频率的致动器，由于它们是被动设备，它们不能变得“不稳定”，这是主动噪声控制系统的可能性。
Howard 和 Craig [25]演示了一种使用记录的发动机排气噪声和转速计信号的自适应 被动四分之一波长管。四分之一波长管谐振器消声器提供器件基频的奇数倍的声衰减。这意味着该装置将衰减在基频处的噪声及其奇数谐波，这是用于衰减来自柴油发动机的噪声的非常期望的特征。线性致动器用于将活塞定位在连接到主管道的四分之一波长管中，管道排气噪声由 V6 三菱发动机（6G74M）记录并通过扬声器重放，如图6所示。自适应控制系统可以调整到发动机转速变化和其周围的声衰减25db在基本点火频率的奇数倍。
除了减弱潜艇中的排气噪声之外，出于职业健康和安全原因，吸收由潜艇内部的机械产生的噪声以减少声学特征也是重要的。提供吸声的常规方法涉及使用声学泡沫或纤维。 提供低频声音的吸声的挑战之一是材料必须非常厚，通常超过100mm。
图6 自适应无源四分之一波长管实验装置
由 DuPont 制造的一种新的消音产品 LoWavetrade;[26] 使用泡沫基质中的大量夹杂物[27]。 该技术最初是为航空航天应用开发的，其中重要的是最小化隔音的附加重量以减少发射火箭所需的燃料（或者增加允许的有效载荷）。该产品不同于通常可获得的质量负载乙烯基辊，因为质量夹杂物随泡沫基质随机放置，使得它们形成可在规定的频率范围内吸收声音的微型调谐质量阻尼器，而质量负载乙烯基片材在固定深度具有质量夹杂物。
3，主动方法
声学前面介绍的机械类比是适用于被动降噪控制方法。另外，也可以利用主动控制方法来达到同样的效果，其中的主动声源可呈现阻抗到一个传播声压波。然而，主动噪声控制的物理学通常被解释为与导致声学抵消的主要干扰声波组合的抗噪声源。
在实践中，由于热排气和使用常规扬声器作为消除噪声源，排气系统中的主动噪声控制系统难以实现。传统的扬声器仅能在清洁的环境条件下操作，并且必须小心保护扬声器免受含有水、微粒和腐蚀性成分的热气体的影响。一些研究人员已经安装了覆盖有薄膜屏障的消音扬声器以保护它们，并且这通常可以导致辐射声音的减小。工业应用中的主动噪声控制装置的例子在参考文献[28]中描述。
4，隔音瓦
隔音瓦连接到所有现代潜艇的外部。它们用于吸收主动声纳扫描，吸收潜艇内部产生的声音。作为潜艇潜水，更大
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