分布式低噪声推进系统及方法

1.本发明涉及动力推进减振降噪技术领域，特别涉及分布式低噪声推进系统及方法。


背景技术：

2.随着科技的进步，现代无人机、水下航行器等发生了翻天覆地的变化，特别是多旋翼无人机的出现，颠覆了传统的飞行器、航行器控制方式。多旋翼无人机目前在很多领域都运用广泛，如测绘、航拍、救援、快递服务、军用领域等等。但是，无人机螺旋桨的气动噪声却是制约各种飞行器、航行器民用和战斗机生存能力的主要因素，过大的噪声也会影响民用装备的乘坐舒适性，所以对飞行器、航行器减振降噪的工作极为重要，有效降低螺旋桨叶片噪声，开展低噪声设计与研究具有重要意义。
3.目前主流的无人机螺旋桨降噪研究方向集中在螺旋桨结构设计和桨片组合等，如边缘带毛的螺旋桨、边缘带柔性结构的螺旋桨、类似无叶片的静音电风扇的结构无人机、采取双桨桨叶由主桨产生升力，从浆消除噪声的无人机等。
4.但是，螺旋桨结构设计和桨片组合的降噪方式，由于它们形状复杂使得制造变得更难，对于电能的消耗也有显著的影响。此外，传统的降噪方式可以较好地解决中高频噪声问题，然而面对低频振动与噪声问题现有大多数控制措施捉襟见肘。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供了分布式低噪声推进系统及方法，用以解决传统隔振、阻尼减振及螺旋桨结构优化设计等减振降噪方式难以控制低频、形状复杂、制造困难的问题。
6.一方面，本发明提供了分布式低噪声推进系统，包括：
7.分布式推进模块，用于为载体提供动力；
8.控制器模块，用于控制所述分布式推进模块关闭、开启和转速；
9.噪声采集模块，用于采集所述分布式推进模块运行时的噪声数据；
10.计算分析模块，用于分析所述噪声数据的噪声数据特征之后计算控制参数；将所述控制参数传输到所述控制器模块。
11.在一种可能的实现方式中，所述分布式推进模块包括螺旋桨子单元、传动轴子单元、减速器子单元、电机子单元。
12.在一种可能的实现方式中，所述螺旋桨子单元，用于通过桨叶在空气中旋转，将所述电机子单元的转动功率转化为动力。
13.在一种可能的实现方式中，所述传动轴子单元，用于联结所述螺旋桨子单元和电机子单元。
14.在一种可能的实现方式中，所述减速器子单元，用于降低所述电机子单元的转速，增大所述电机子单元的扭矩。
15.在一种可能的实现方式中，所述电机子单元，包括电机和电源，用于为所述分布式
推进模块提供动力。
16.在一种可能的实现方式中，所述螺旋桨子单元设置有多个。
17.在一种可能的实现方式中，所述分布式推进模块与所述控制器模块信号连接，所述控制器模块与所述计算分析模块信号连接，所述噪声采集模块与所述计算分析模块和分布式推进模块信号连接。
18.另一方面，本发明实施例提供了分布式低噪声推进方法，包括：
19.通过分布式推进模块为载体提供动力；
20.通过噪声采集模块采集所述分布式推进模块运行时的噪声数据；
21.通过计算分析模块分析所述噪声数据，获得改进动力参数并发送到控制器模块；
22.所述控制器模块通过所述改进动力参数控制所述分布式推进模块。
23.在一种可能的实现方式中，所述噪声采集模块实时采集所述分布式推进模块运行时的所述噪声数据，所述计算分析模块对所述噪声数据实时分析得出改进动力参数，所述控制器模块通过所述改进动力参数实时对所述分布式推进模块的运行状态进行调整。
24.本发明中的分布式低噪声推进系统及方法，具有以下优点：
25.通过各个部件形成的反馈式的控制方法和分布式设置的螺旋桨进行降噪，可显著降低低频线谱噪声，并且对螺旋桨的结构设计要求低，结构简单，且分布式设置螺旋桨耗能更少。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，根据这些附图获得的其他结构形式仍在本专利保护范围内。
27.图1为本发明实施例提供的分布式低噪声推进系统的示意图；
28.图2为本发明实施例提供的分布式推进系统等比例模型螺旋桨子单元平面结构参数图；
29.图3为本发明实施例提供的分布式推进系统等比例模型的分布式推进结构立体效果图；
30.图4为本发明实施例提供的螺旋桨子单元推力与对应转速拟合曲线典型示意图；
31.图5为本发明实施例提供的分布式推进与单桨推进在等推力条件下所产生噪声对比曲线示意图；
32.图6为本发明实施例提供的分布式推进四浆同转速及各浆转速微调后的噪声对比曲线示意图。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.图1为本发明实施例提供的分布式低噪声推进系统的示意图。本发明实施例提供了分布式低噪声推进系统，包括：分布式推进模块，用于为载体提供升力；
35.控制器模块，用于控制所述分布式推进模块关闭、开启和转速；
36.噪声采集模块，用于采集所述分布式推进模块运行时的噪声数据；
37.计算分析模块，用于分析所述噪声数据的噪声数据特征之后计算控制参数；将所述控制参数传输到所述控制器模块。
38.示例性的，所述分布式推进模块内有多个螺旋桨子单元，多个所述螺旋子单元分布式设置在载体上，通过结合载体和螺旋桨子单元的物理特性的方式，避免螺旋桨相互产生较大影响，避免产生偏转力矩，从而保持载体的稳定性，确定合适的螺旋桨布局形式，形成最优化布局方式。然后，如图1所示，结合所述控制器模块、所述噪声采集模块、所述计算分析模块形成反馈式的系统，保持多个所述螺旋桨子单元的降噪运行。
39.所述噪声采集模块和所述计算分析模块通过分析将得到的噪声时域数据转化为频域数据，并根据谐波峰值频率及幅值特性，确定转速调整等相关控制参数。
40.控制器模块通过所述计算分析模块得出的数据控制所述分布式推进模块的螺旋桨子单元的转速，使各螺旋桨产生转速差异，改变谐波峰值在频谱上的分布特性，形成频域能量分散效应。在低频段，可以使噪声频谱峰值分散，避免在某一频率上产生较高的峰值噪声，以达到良好的降噪效果。在谐波噪声并不明显的中高频段，由于具有不同转速的多螺旋桨的转速相对于单螺旋桨的转速低很多，因此也可以达到较好地降噪效果。
41.在一种可能的实施例中，通过本发明的技术方案进行载体的分布式低噪声推进系统设置。
42.针对所选择的载体结构确定螺旋桨的数目和分布范围。采用多个螺旋桨会使得传动系统的结构变得很复杂，可能会起到相互干扰的作用，而载体外表面空间也较小，因此采用4个螺旋桨，在避免螺旋桨相互产生较大影响的基础上，得到较好效果，避免产生偏转力矩，从而保持载体的稳定性。确定合适的螺旋桨布局形式，形成最优化布局方式，四个螺旋桨子单元呈现为正方型点阵分布，四个螺旋桨子单元两两之间的间距根据螺旋桨旋转产生的气流范围，设计为单个螺旋桨子单元中螺旋桨叶片半径的约4倍，这种分布式推进结构，相较于单螺旋桨推进系统，可显著降低四个螺旋桨子单元中的螺旋桨转速，通过低转速螺旋桨，显著减少由于螺旋桨高速旋转而产生的气动噪声与电机产生的机械噪声。相较于单螺旋桨推进，分布式推进的能源消耗降低了约10％，四个螺旋桨子单元分布的间距设计，有效减少了螺旋桨之间的气流互相干扰带来的噪声，在这种分布式推进结构下，螺旋桨产生的中高频段噪声大幅降低，基于这种分布式推进结构，调整电机子单元转速后可通过频谱扩散方法降低低频段噪声。
43.在一种可能的实施例中，通过本发明的技术方案构建了推进系统等比例模型。
44.首先，构建的分布式推进系统如图2所示，四个螺旋桨子单元中螺旋桨半径为r，螺旋桨旋转范围间距4r，呈正方形分布，所述分布式推进系统的立体结构如图3所示。
45.然后，测试并得出选用电动推进系统的推力与电机转速间的关系，调节其转速，记录其在不同转速下的推力，再进行数值拟合得出其推力与转速间的关系并绘出曲线。其结果如图4所示。
46.最后，通过所述分布式推进系统等比例模型进行传统单桨推进噪声与四桨分布式
推进噪声频谱对比实验。
47.测试环境位于空气中，设置螺旋桨推进方向向下，使用声振测试系统进行测试，传声器与螺旋桨平面垂直，距离螺旋桨平面h，根据得到的螺旋桨子单元的转速与推力的关系，通过调节电机转速以确定螺旋桨子单元的推力。
48.首先测试传统单桨推进在不同推力下的噪声频谱，其次测试四个螺旋桨子单元使用分布式设置且保证与传统单桨推进系统推力相同的情况下的噪声频谱，通过对比得到的两组频谱，发现四桨分布式推进的噪声频谱相比于传统单桨推进具有峰值扩散的特点，其线谱噪声相较于传统单桨推进显著降低，如图5所示。控制所述分布式推进模块的螺旋桨子单元的转速，使子单元内螺旋桨转速产生微小差异，即可控制谐波峰值在频谱上的分布，使其降低，如图6所示。由实验结果分析转速微调范围在1.5％～5％内效果最佳，可进一步降低线谱噪声3～5db。
49.本发明实施例还提供了分布式低噪声推进方法，包括：
50.通过分布式推进模块为载体提供动力；
51.通过噪声采集模块采集所述分布式推进模块运行时的噪声数据；
52.通过计算分析模块分析所述噪声数据，获得改进动力参数并发送到控制器模块；
53.所述控制器模块通过所述改进动力参数控制所述分布式推进模块。
54.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
55.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种分布式低噪声推进系统，其特征在于，包括：分布式推进模块，用于为载体提供动力；控制器模块，用于控制所述分布式推进模块关闭、开启和转速；噪声采集模块，用于采集所述分布式推进模块运行时的噪声数据；计算分析模块，用于分析所述噪声数据的噪声数据特征之后计算控制参数；将所述控制参数传输到所述控制器模块。2.根据权利要求1所述的分布式低噪声推进系统，其特征在于，所述分布式推进模块包括螺旋桨子单元、传动轴子单元、减速器子单元、电机子单元。3.根据权利要求2所述的分布式低噪声推进系统，其特征在于，所述螺旋桨子单元，用于通过桨叶在空气中旋转，将所述电机子单元的转动功率转化为动力。4.根据权利要求2所述的分布式低噪声推进系统，其特征在于，所述传动轴子单元，用于联结所述螺旋桨子单元和电机子单元。5.根据权利要求2所述的分布式低噪声推进系统，其特征在于，所述减速器子单元，用于降低所述电机子单元的转速，增大所述电机子单元的扭矩。6.根据权利要求2所述的分布式低噪声推进系统，其特征在于，所述电机子单元，包括电机和电源，用于为所述分布式推进模块提供动力。7.根据权利要求2所述的分布式低噪声推进系统，其特征在于，所述螺旋桨子单元设置有多个。8.根据权利要求1所述的分布式低噪声推进系统，其特征在于，所述分布式推进模块与所述控制器模块信号连接，所述控制器模块与所述计算分析模块信号连接，所述噪声采集模块与所述计算分析模块和分布式推进模块信号连接。9.一种分布式低噪声推进方法，其特征在于，包括：通过分布式推进模块为载体提供动力；通过噪声采集模块采集所述分布式推进模块运行时的噪声数据；通过计算分析模块分析所述噪声数据，获得改进动力参数并发送到控制器模块；所述控制器模块通过所述改进动力参数控制所述分布式推进模块。10.根据权利要求9所述的分布式低噪声推进方法，其特征在于，所述噪声采集模块实时采集所述分布式推进模块运行时的所述噪声数据，所述计算分析模块对所述噪声数据实时分析得出改进动力参数，所述控制器模块通过所述改进动力参数实时对所述分布式推进模块的运行状态进行调整。

技术总结
本发明公开了一种分布式低噪声推进系统及方法，系统包括：分布式推进模块，用于为载体提供动力；控制器模块，用于控制所述分布式推进模块关闭、开启和转速；噪声采集模块，用于采集所述分布式推进模块运行时的噪声数据；计算分析模块，用于分析所述噪声数据的噪声数据特征之后计算控制参数；将所述控制参数传输到所述控制器模块。本发明通过各个部件形成的反馈式的控制方法和分布式设置的螺旋桨进行降噪，可显著降低低频线谱噪声，并且对螺旋桨的结构设计要求低，结构简单，且分布式设置螺旋桨耗能更少。能更少。能更少。


技术研发人员：郭志巍 张家岽 王敏庆
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.08.07
技术公布日：2023/10/20