基于频域双LMS的MFC智能旋翼减振降噪

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31583

固体力学与飞行器总体设计

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基于频域双LMS的MFC智能旋翼减振降噪

周千千, 季宏丽(), 陶翀骢, 吴义鹏, 张超, 裘进浩

南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室，南京 210016

收稿日期:2024-11-28 修回日期:2025-01-09 接受日期:2025-02-24 出版日期:2025-02-28 发布日期:2025-02-28
通讯作者: 季宏丽 E-mail:jihongli@nuaa.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2021YFB3400100)

Vibration damping and noise reduction of MFC intelligent rotor based on frequency-domain dual LMS method

Qianqian ZHOU, Hongli JI(), Chongcong TAO, Yipeng WU, Chao ZHANG, Jinhao QIU

State Key Laboratory of Mechanics and Control for Aerospace Structures，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Received:2024-11-28 Revised:2025-01-09 Accepted:2025-02-24 Online:2025-02-28 Published:2025-02-28
Contact: Hongli JI E-mail:jihongli@nuaa.edu.cn
Supported by:
National Key R&D Program of China(2021YFB3400100)

摘要/Abstract

摘要：

在直升机旋翼主动减振降噪技术中，基于压电纤维复合材料（MFC）的智能扭转旋翼因不需要任何额外的机械部件成为最有前景的方法之一。目前，大部分基于MFC的主动扭转旋翼（ATR）减振降噪技术仍处于理论研究阶段。选用MFC作为驱动器，基于NACA23012翼型的智能扭转旋翼，提出了一种简单双最小均方（LMS）频域自适应高阶谐波控制（HHC）方法，并在3.4 m×2.4 m开口风洞中进行了振动与噪声主动闭环控制试验。该算法相对于传统的频域HHC算法，单谐波控制时计算量降低了5.5~11倍；在旋翼转速150~210 r/min、风速5~10 m/s、旋翼轴倾角0°和8°的不同工况下，控制器可以降低27.24%~58.55%的振动水平；在旋翼转速210 r/min、风速10 m/s、旋翼轴倾角0°时，控制器可以降低约2.5~3.2 dB的噪声水平。

关键词: 智能扭转旋翼, 压电纤维复合材料, 最小均方法, 主动控制, 减振降噪

Abstract:

In helicopter rotor active vibration and noise reduction technology， smart torsional rotors based on Macro Fiber Composite （MFC） are considered as one of the most promising methods due to their lack of any additional mechanical components. Currently， most Active Torsion Rotor （ATR） vibration and noise reduction technologies based on MFC are still in the theoretical research stage. This paper uses MFC as the actuator and proposes a simple dual Least Mean Square （LMS） frequency-domain adaptive Higher Harmonic Control （HHC） algorithm for the smart torsional rotor based on the NACA23012 airfoil. Vibration and noise active closed-loop control experiments are conducted in a 3.4 m×2.4 m open-circuit wind tunnel. Compared to traditional frequency-domain HHC algorithms， the computational effort for single harmonic control is reduced by 5.5 to 11 times. Under various conditions， such as rotor speeds from 150 r/min to 210 r/min， wind speeds from 5 m/s to 10 m/s， and rotor shaft tilt angles of 0° and 8°， the controller reduces vibration levels by 27.24% to 58.55%. At a rotor speed of 210 r/min， wind speed of 10 m/s， and rotor shaft tilt angle of 0°， the controller can reduce noise levels by about 2.5 dB to 3.2 dB.

Key words: smart torsional rotor, macro fiber composite, least mean squares method, active control, vibration and noise reduction

中图分类号:

V275.1

周千千, 季宏丽, 陶翀骢, 吴义鹏, 张超, 裘进浩. 基于频域双LMS的MFC智能旋翼减振降噪[J]. 航空学报, 2025, 46(15): 231583.

Qianqian ZHOU, Hongli JI, Chongcong TAO, Yipeng WU, Chao ZHANG, Jinhao QIU. Vibration damping and noise reduction of MFC intelligent rotor based on frequency-domain dual LMS method[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(15): 231583.

图/表 31

图 1

图 2

图 3

表 1

所提算法与计算量统计

算法流程	乘法	加法
总计	$4 (m 2 + 3 m k + 3 k 2 + 2 m 2 k)$	$4 (m 2 + m k + 3 k 2 + 2 m 2 k)$
$T n + 1 = T n + K (Δ z n - T n Δ u n) Δ u n T$	$8 m k (1 + m)$	$8 m 2 k$
$u n + 1 = u n - μ (T T W z z n + W u u n + W Δ u Δ u n)$	$4 (m 2 + m k + 3 k 2)$	$2 (2 m 2 + 2 m k + 6 k 2 - m - k)$
$Δ u n = u n - u n - 1$	0	$2 k$
$Δ z n = z n - z n - 1$	0	$2 m$

表 1

表 2

单次迭代计算量比较

算法	总计算量	单目标单谐波控制（m=1、k=1）时计算量
D-K	$16 m 3 (k + 1) (k + 2) (2 k + 5) + 4 m 2 (2 k - k 2 + 1) + 4 k 2 (4 m + 4 k + 5) - 4 k - 2 m$	726
D-R	$16 m 3 (k + 1) (k 2 + 4 k + 6) + 4 m 2 (3 k - k 2 + 2) + 4 k 2 (4 m + 4 k + 5) - 4 k - 2 m$	414
所提算法	$8 (m 2 + 2 m k + 3 k 2 + 2 m 2 k)$	64

表 2

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

表 3

图 12

图 13

图 14

图 15

表 4

图 16

表 5

图 17

图 18

图 19

图 20

图 21

图 22

表 6

图 23

图 24

表 7

参考文献 48

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工况	1/rev振动水平			2/rev振动水平
工况	未控制	施加控制	振动降低/%	未控制	施加控制	振动降低/%
1	0.073g	0.031g	66.8	0.024g	0.007g	77.9
2	0.138g	0.048g	69.4	0.042g	0.012g	75.14
3	0.101g	0.031g	69.02	0.008g	0.005g	41.9
4	0.130g	0.038g	70.67	0.026g	0.009g	66.25
5	0.094g	0.031g	66.93	0.010g	0.004g	56.61
6	0.103g	0.035g	65.63	0.016g	0.007g	52.63
7	0.063g	0.026g	58.57	0.024g	0.008g	66.52
8	0.082g	0.036g	55.31	0.030g	0.011g	64.21
8	0.058g	0.024g	58.85	0.006g	0.005g	26.54
10	0.076g	0.031g	59.02	0.016g	0.005g	72.13

工况	控制前RMS	控制后RMS	振动降低/%
1	0.071 7g	0.039 0g	45.76
2	0.120 1g	0.062 9g	47.66
3	0.080 7g	0.045 3g	43.89
4	0.106 7g	0.051 2g	51.98
5	0.078 8g	0.039 5g	49.86
6	0.082 1g	0.040 7g	58.55
7	0.065 0g	0.038 6g	40.57
8	0.081 9g	0.049 0g	40.24
9	0.050 5g	0.036 7g	27.24
10	0.066 6g	0.043 6g	34.53

传声器	噪声频率成分/BPF	控制前声压级/dB	控制后声压级/dB	噪声降低/ dB
mic1	1	74.39	73.67	0.72
	2	68.30	66.40	1.90
	3	62.87	62.82	0.05
	4	56.90	50.97	5.93
	5	58.74	48.73	10.01
	8	48.91	45.31	3.60
	9	52.60	45.15	7.45
	10	58.96	49.18	9.79
	11	60.25	54.47	5.78
	12	59.71	52.59	7.12
	13	48.82	46.55	2.27
	16	51.82	48.31	3.50
	19	54.36	49.84	4.52
	24	50.07	45.60	4.47
mic2	1	78.02	75.93	2.09
	3	70.76	67.18	3.57
	4	61.44	56.35	5.08
	5	65.77	61.38	4.39
	6	62.31	55.77	6.54
	8	55.51	51.20	4.31
	9	59.16	51.53	7.63
	10	48.88	42.69	6.19
	11	55.09	48.85	6.24
	12	55.62	46.65	8.96
	13	52.02	44.12	7.90
	15	52.92	49.49	3.43
	16	53.82	50.93	2.89
	17	51.82	49.33	2.49
	18	53.09	49.03	4.06
	19	54.41	48.60	5.82
	20	49.30	48.94	0.37
	22	51.15	44.61	6.54

传声器	控制前声压级/dB	控制后声压级/dB	噪声降低/dB
mic1	82.562 4	80.045 2	2.517 2
mic2	89.009 4	85.863 7	3.145 7

基于频域双LMS的MFC智能旋翼减振降噪

Vibration damping and noise reduction of MFC intelligent rotor based on frequency-domain dual LMS method

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实验状态	旋翼转速/（r·min^-1）	风速/ （m·s^-1）	工况
悬停（旋翼轴角度0°）	150	5	1
	150	10	2
	180	5	3
	180	10	4
	210	5	5
	210	10	6
低速前飞（旋翼轴前倾角度8°）	150	5	7
	150	10	8
	180	5	8
	180	10	10

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