螺旋槳空泡噪聲測量與分析

楊 勇，熊 鷹，時(shí)立攀

海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北武漢 430033

0 引 言

艦艇的水下噪聲來源于3大噪聲聲源——螺旋槳噪聲、機(jī)械噪聲和水動(dòng)力噪聲。在這3大噪聲源中，螺旋槳噪聲對(duì)總噪聲的貢獻(xiàn)最大［1］。通常，將螺旋槳噪聲分為厚度噪聲、荷載噪聲和空泡噪聲，螺旋槳一旦發(fā)生空泡，隨著空泡的發(fā)展，螺旋槳空泡噪聲將成為艦船總噪聲中最主要的部分［2］，進(jìn)而破壞艦船的聲隱身性。鑒于空化與噪聲之間的密切關(guān)系，通過螺旋槳噪聲來研究螺旋槳空化的方法，已被越來越多的研究人員采用［3］。目前，螺旋槳空泡噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和模型建立尚未成熟，還無法精確定量預(yù)報(bào)螺旋槳空泡噪聲譜級(jí)，而實(shí)槳的噪聲譜級(jí)則一般是通過海上實(shí)測獲得，不僅費(fèi)用高、周期長，而且難度也大。近年來，人們?cè)诳张菟不驕p壓水池中不斷探索螺旋槳模型的空泡噪聲，試圖發(fā)現(xiàn)螺旋槳空泡噪聲的規(guī)律性特征［4］。

為預(yù)報(bào)螺旋槳空泡噪聲，本文將利用空泡水筒以及螺旋槳?jiǎng)恿x對(duì)模型螺旋槳進(jìn)行空泡噪聲測試［5］，并用高速攝像機(jī)記錄槳模在不同工況下空泡發(fā)展和變化的情況，借助噪音消除技術(shù)，同時(shí)輔以數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)［6］，通過噪聲信號(hào)頻譜分析，尋求正確預(yù)報(bào)螺旋槳空泡噪聲的方法，以為抑制螺旋槳空泡噪聲提供幫助。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃脱b置

試驗(yàn)在某大學(xué)空泡水筒［7］中進(jìn)行。水筒上下水平段中心線的高度為8 m，兩個(gè)垂直段的中心線間距為12 m。水筒有一個(gè)矩形工作段（L×W×H=2.6 m×0.6m×0.6m），收縮比為6.25∶1。該空泡水筒可使工作段流速達(dá)13 m/s，壓力調(diào)節(jié)范圍為5×103～2×105Pa。水質(zhì)可通過過濾系統(tǒng)改善。此水洞允許在較高雷諾數(shù)下完成螺旋槳空化噪聲試驗(yàn)［8-9］。

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

螺旋槳模型采用合金制作，模型照片如圖1所示，其主要參數(shù)如表1所示。螺旋槳導(dǎo)流帽按實(shí)槳形式縮比加工。

圖1 試驗(yàn)用的螺旋槳模型Fig.1 Propeller model for test

表1 螺旋槳模型主參數(shù)Tab.1 Parameters of propeller model

1.2 試驗(yàn)裝置及其安裝布置

水聽器安裝在水筒試驗(yàn)段外的水箱內(nèi)（0.6 m×0.35 m×0.3 m），水聽器與螺旋槳槳盤面為同一平面，正對(duì)槳盤面中心，水平距離為420 mm。水箱與水筒以透聲窗相連接，透聲窗材料為有機(jī)玻璃，如圖2所示。

因螺旋槳?jiǎng)恿x電機(jī)在驅(qū)動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)引起工作段機(jī)械振動(dòng)，干擾水聽器采集的螺旋槳空泡噪聲信號(hào)，因此，在長軸動(dòng)力儀處布置了加速度計(jì)來測量其振動(dòng)信號(hào)，這樣可以更好地分析長軸動(dòng)力儀對(duì)空泡噪聲的影響。同時(shí)，由于加速度計(jì)具有單一方向，故按垂向和橫向來布置加速度計(jì)，如圖3所示。

圖2 水聽器和水箱布置圖Fig.2 Test setup of hydrophone and water tank

圖3 加速度計(jì)布置Fig.3 Test setup of acceleration transducers

2 試驗(yàn)方法和工況

2.1 噪音消除方法

實(shí)現(xiàn)螺旋槳的空化試驗(yàn)可以有不同的程序，本試驗(yàn)是采用保持水速不變的方法，分別在常壓和抽空狀態(tài)下，通過改變螺旋槳的轉(zhuǎn)速來改變螺旋槳葉片的空化狀態(tài)。試驗(yàn)還測試了動(dòng)力儀僅安裝槳轂時(shí)的噪聲。

本文采用了噪音消除技術(shù)（bendat&piersol）來消除外部噪聲源輻射噪聲對(duì)測量噪聲的干擾。

內(nèi)場噪聲信號(hào) p(t)可分解為有用信號(hào)u(t)（在理想自由場條件下螺旋槳輻射的聲音信號(hào)）和任何多余的“噪音”（如電機(jī)設(shè)備引起的噪聲）n′(t)。外場傳感器（本次試驗(yàn)采用加速度計(jì)）通常用于記錄背景噪聲，包括螺旋槳?jiǎng)恿x電機(jī)、齒輪系統(tǒng)以及其他與螺旋槳空泡無關(guān)的噪聲。調(diào)制過程的目的是估計(jì)和消除來自外場的寬帶噪聲輸入。如果一個(gè)外場傳感器遠(yuǎn)離噪聲測試位置（即圖4所示的外場位置），例如，在測試段靠近電機(jī)的模型里面，就可獲得背景輻射噪聲n(t)，外場傳感器測得的背景輻射噪聲與處于內(nèi)場的水聽器測量的“噪音”n′(t)，可用傳遞函數(shù) H(t)定義。這些噪聲信號(hào)的關(guān)系如圖5所示。

圖4 噪聲測試草圖Fig.4 The draft of noise test

圖5 信號(hào)流程圖Fig.5 Flow chart of noise signal

信號(hào) p(t)可表示如下：

自功率譜Spp(f)可通過自相關(guān)函數(shù) Rpp(τ)傅里葉變換算得

背景噪聲信號(hào)對(duì)總噪聲信號(hào)的貢獻(xiàn)可用相干函數(shù)γnp表示，其中Snp(f)為n(t)與 p(t)的互功率譜

最終得到有用信號(hào)u(t)的自功率譜Suu(f)

因?yàn)樽罱K是對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析，這與獲取信號(hào)的傳感器關(guān)系不大，因此，內(nèi)、外場傳感器的類型可以不一致。另外，測量電機(jī)和齒輪系統(tǒng)的噪聲時(shí)，采用加速度計(jì)要比壓力傳感器和水聽器的效果更好。因此，只需測量內(nèi)場的噪聲總量（Spp(f)）及外場與內(nèi)場的信號(hào)相干函數(shù)（系數(shù)γnp）便可確定螺旋槳噪聲。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容和工況

空泡水筒在一定水速下，通過改變螺旋槳模型槳盤面處靜壓力，調(diào)節(jié)螺旋槳轉(zhuǎn)速至試驗(yàn)工況后，進(jìn)行以下測量。

1）螺旋槳空泡噪聲和加速度信號(hào)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的具體情況，選取來流為1.75 m/s左右，滿足試驗(yàn)臨界雷諾數(shù)要求。為使進(jìn)速系數(shù)在合理工作范圍（0.4～0.9），將螺旋槳模型轉(zhuǎn)速設(shè)定在581～1600 r/min之間。

2）螺旋槳?jiǎng)恿x無槳時(shí)噪聲和加速度信號(hào)。

測量背景噪聲時(shí)需取下螺旋槳模型，僅安裝槳轂，設(shè)置與帶槳工作時(shí)轉(zhuǎn)速、流速、靜壓力等相同的條件。當(dāng)然，因?yàn)闆]有螺旋槳，電機(jī)輸出功率不同，也會(huì)干擾測試結(jié)果。

3）空泡觀察。

螺旋槳葉片上出現(xiàn)空泡后，借助高速攝像機(jī)和單反數(shù)碼相機(jī)記錄空泡區(qū)域和空泡形態(tài)。定義螺旋槳模型0.75倍半徑處的平均空泡數(shù)為：

式中，pv為試驗(yàn)用水的飽和蒸氣壓；p0為空泡水筒工作段中心處壓力；n為螺旋槳模型轉(zhuǎn)速，r/min。

螺旋槳模型空泡噪聲試驗(yàn)具體工況如表2所示。

表2 螺旋槳模型空泡噪聲試驗(yàn)具體工況表Tab.2 The specific conditions of model propeller cavitation noise test

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 空泡噪聲和加速度信號(hào)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)ITTC的建議，在空泡水筒中進(jìn)行噪聲測量時(shí)需滿足［10］

式中，N為聲模數(shù)；c為聲速，c=1500 m/s；f為噪聲頻率，Hz；V為試驗(yàn)段體積，V=2.6 m×0.6 m × 0.6 m=0.936 m3。

當(dāng)噪聲頻率 f＞1047 Hz時(shí)，滿足 N＞1的要求。取模型噪聲測試頻段為1～50 kHz。

螺旋槳模型在進(jìn)速系數(shù)J≈0.342～0.9的各工況下，分別測量螺旋槳槳盤面處螺旋槳噪聲，對(duì)噪聲時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅立葉分析后，得到各工況下噪聲功率譜密度曲線如圖6～圖8所示。為作圖美觀，圖中保留了1 kHz以下部分，n為螺旋槳轉(zhuǎn)速。

圖6 A工況下槳轂噪聲功率譜密度Fig.6 Hub noise power spectrum density in condition A

圖7 A工況下螺旋槳噪聲功率譜密度Fig.7 Propeller noise power spectrum density in condition A

圖8 B工況下螺旋槳噪聲功率譜密度Fig.8 Propeller noise power spectrum density in condition B

圖6所示為空泡水筒槳轂噪聲頻譜曲線。由圖可知，動(dòng)力儀槳轂噪聲較大，在整個(gè)頻段內(nèi)均有分布。在轉(zhuǎn)速n=0 r/min時(shí)，水泵電機(jī)已開啟，使水流速度保持在1.75 m/s，此時(shí)噪聲較小。隨著槳軸轉(zhuǎn)速的不斷提高，相應(yīng)地，噪聲也逐漸增大，噪聲在1～50 kHz頻帶內(nèi)，總聲級(jí)分別為83.8，112.2，121.5，128.7和130.2 dB。相對(duì)于螺旋槳?jiǎng)恿x槳軸噪聲而言，水泵電機(jī)噪聲對(duì)槳轂噪聲影響較小。槳轂噪聲的特點(diǎn)是：在1～10 kHz頻帶之間，噪聲功率譜級(jí)較高，其值在85～115 dB之間；在10 kHz以上，噪聲功率譜以倍頻程10 dB快速衰減；在5 kHz附近存在波峰值，詳見第2.2小節(jié)。

圖7所示為槳模在A工況下的噪聲試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)未發(fā)生空化現(xiàn)象，隨著轉(zhuǎn)速的增加，噪聲在 1～50 kHz頻帶內(nèi)，總聲級(jí)分別為83.8，95.3，105.8，113.9和 117.8 dB。噪聲特點(diǎn)為：在 1～10 kHz頻帶內(nèi)，噪聲功率譜級(jí)較高，其值處于85～115 dB之間；在10 kHz以上，噪聲功率譜以每倍頻程8～15 dB快速衰減，至30 kHz時(shí)，噪聲功率譜級(jí)已趨于穩(wěn)定；在3.5 kHz和5 kHz附近，分別存在波谷和波峰值。對(duì)比圖7和圖6可以發(fā)現(xiàn)，在5 kHz附近，波峰值明顯高于無槳條件。試驗(yàn)結(jié)果表明槳轂輻射噪聲較高。究其原因，很可能是因?yàn)闊o槳時(shí)電機(jī)無功率輸出，槳軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其振動(dòng)較動(dòng)力儀帶槳旋轉(zhuǎn)有功率輸出時(shí)更為劇烈，導(dǎo)致背景噪聲較高。

圖8所示為槳模在B工況（即空泡水筒壓力抽空至0.25 bar）下的噪聲試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，噪聲在1～50 kHz頻帶內(nèi)，總聲級(jí)分別為83.8，119，126.2，133.5和 138.2 dB。隨著轉(zhuǎn)速的提高，空化不斷增強(qiáng)，噪聲功率譜級(jí)顯著增大。對(duì)比圖7和圖8，其噪聲特點(diǎn)為：在1～8 kHz頻帶內(nèi)，功率譜級(jí)較高；在8 kHz以上，噪聲功率譜以倍頻程8～15 dB衰減，至20 kHz時(shí)趨于穩(wěn)定。在空化產(chǎn)生后（這里指梢渦空化），隨著轉(zhuǎn)速的提高，噪聲在高頻段（20 kHz以上）的噪聲信號(hào)幅值較穩(wěn)定，推斷是空泡輻射噪聲的緣故。在B工況，在各轉(zhuǎn)速下，螺旋槳噪聲在20 kHz以上未衰減，推斷是在此工況下水中微氣泡含量較多，在槳盤面處脈動(dòng)產(chǎn)生噪聲所致。同時(shí)，在B-5工況下，螺旋槳產(chǎn)生空化，其槳盤面處的噪聲聲功率級(jí)要明顯高于A-5工況下未發(fā)生空化時(shí)，約為20 dB。同樣，噪聲信號(hào)在5 kHz處存在峰值。

在B工況條件下，借助加速度計(jì)采集螺旋槳?jiǎng)恿x電機(jī)處的加速度信號(hào)，如圖9和圖10所示。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，圖10的垂向加速度信號(hào)與水聽器信號(hào)在1～5 kHz頻帶內(nèi)有較好的相似性，因此，本文選取圖10進(jìn)行分析。

由圖10可以看出，在 n=0，581，871，1307和1600時(shí)，若選取1 m的距離，以1 μm/s2為基準(zhǔn)，加速度級(jí)分別為72，104，114，120和 121 dB。在1～5 kHz頻帶內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速n的增加，加速度信號(hào)隨之增強(qiáng)，并呈現(xiàn)出與水聽器信號(hào)相同的趨勢(shì)，可見螺旋槳?jiǎng)恿x電機(jī)振動(dòng)對(duì)槳盤面處的噪聲信號(hào)有較大影響。在3～4 kHz附近，信號(hào)出現(xiàn)了波谷值，這在圖8所示的噪聲信號(hào)中也有類似的表現(xiàn)，其原因還有待進(jìn)一步的探求。

圖9 橫向加速度功率譜譜密度Fig.9 Power spectrum density of the vertical acceleration

圖10 垂向加速度功率譜譜密度Fig.10 Power spectrum density of the horizontal acceleration

3.2 混響的影響

圖6～圖10的功率譜密度曲線顯示，在5 kHz附近存在一個(gè)峰值。作為振蕩現(xiàn)象，當(dāng)聲波波長等于筒徑時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)混響現(xiàn)象，如式（8）所示。

式中，fc為混響頻率，Hz；λc為混響波長，m。

試驗(yàn)用空泡水筒的直徑為0.6 m，故當(dāng)波長為筒徑的一半時(shí)，即 f≈5kHz時(shí)，噪聲譜出現(xiàn)異常。由圖6～圖10均可看出，在頻率約為5 kHz時(shí)，噪聲出現(xiàn)了異常現(xiàn)象。

3.3 空泡觀察

工況B-4時(shí)（螺旋槳轉(zhuǎn)速約為1307 r/min），螺旋槳空泡初生。借助高速攝像機(jī)，調(diào)整拍攝幀頻為6000 ft/s時(shí)，可發(fā)現(xiàn)在槳模葉梢處有亮點(diǎn)產(chǎn)生（圖11下方葉片上的白色方條為激光測速儀感應(yīng)條，非空泡），表明槳模葉梢部已出現(xiàn)小范圍的空化現(xiàn)象，并且空化現(xiàn)象隨轉(zhuǎn)速的增加愈加嚴(yán)重，但在槳盤面后面的流場中卻并未發(fā)現(xiàn)明顯的梢渦，如圖11所示。在轉(zhuǎn)速增加至工況B-5（1600 r/min）時(shí)，螺旋槳梢渦渦核壓力繼續(xù)降低，空化繼續(xù)生長，出現(xiàn)梢渦渦線，同時(shí)，還可明顯觀察到梢渦收縮現(xiàn)象［11-12］，如圖12所示。

圖11 空化初生Fig.11 Cavitation inception

圖12 空化繼續(xù)生長Fig.12 The continuous development of cavitation

4 結(jié) 論

在現(xiàn)有試驗(yàn)條件下，空泡水筒的聲學(xué)測試技術(shù)尚未成熟，由于背景噪聲等因素的干擾，還不能對(duì)螺旋槳空化噪聲幅值進(jìn)行精確測量。本文僅對(duì)某大學(xué)空泡水筒的聲學(xué)特性進(jìn)行了初步探討，根據(jù)以上頻譜分析結(jié)果，可得到以下幾點(diǎn)初步結(jié)論：

1）試驗(yàn)用空泡水筒的背景噪聲較高。在槳轂噪聲測量過程中，水輪機(jī)對(duì)總噪聲的影響較?。浑S著槳軸轉(zhuǎn)速的提高，噪聲有較大提高，表明動(dòng)力儀槳軸轉(zhuǎn)速對(duì)背景噪聲貢獻(xiàn)最大。

2）無槳時(shí)槳轂輻射噪聲聲壓級(jí)高于螺旋槳輻射噪聲。其原因很可能是無槳時(shí)電機(jī)無功率輸出，電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)引起的機(jī)械振動(dòng)較帶槳旋轉(zhuǎn)有功率輸出時(shí)更為劇烈，從而導(dǎo)致輻射噪聲增大。

3）隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速的提高，螺旋槳輻射噪聲相應(yīng)增加，尤其是在空化產(chǎn)生時(shí)，其噪聲聲壓級(jí)較未空化時(shí)增大了約20 dB，同時(shí)，其功率譜曲線總體向低頻方向移動(dòng)，而在高頻處（20～50 kHz）衰減較慢。

4）加速度信號(hào)可反映水聽器采集信號(hào)在低于5 kHz時(shí)的趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，垂向加速度傳感器信號(hào)與水聽器采集信號(hào)趨勢(shì)吻合較好。因加速度傳感器靠近動(dòng)力儀電機(jī)，能較好地反映電機(jī)振動(dòng)對(duì)總噪聲的影響，可見動(dòng)力儀振動(dòng)等外部干擾對(duì)水聽器信號(hào)有較大干擾。

5）由于空泡水筒尺寸的限制，在頻率約為5 kHz時(shí)產(chǎn)生了混響，噪聲出現(xiàn)異常。

螺旋槳空化噪聲的發(fā)生及傳播等問題相當(dāng)復(fù)雜，目前還沒有有明確的解答。同時(shí)，空泡水筒工作段體積較小，混響較嚴(yán)重，動(dòng)力儀電機(jī)等設(shè)備產(chǎn)生的背景噪聲較大，相應(yīng)的測量技術(shù)及設(shè)備亟待改進(jìn)。另外，噪聲的信號(hào)分離和提取技術(shù)仍有待發(fā)展，對(duì)于空化噪聲的試驗(yàn)研究還不成熟。

［1］張永坤.艦船螺旋槳輻射噪聲預(yù)報(bào)研究［D］.武漢：海軍工程大學(xué)，武漢，2009.ZHANG Yongkun.Investigation on predication ship propeller radiated noise［D］.Wuhan：Naval University of Engineering，2009.

［2］魏以邁.我國船舶水下噪聲研究進(jìn)展綜述［J］.上海造船，2000（1）：27-32.WEI Yimai.The progress of the researches on the marine underwater noise in China［J］.Shanghai Shipbuilding，2000（1）：27-32.

［3］胡健.螺旋槳空泡性能及低噪聲螺旋槳設(shè)計(jì)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2006.HU Jian.Research on propeller cavitation characteristics and low noise propeller design［D］.Harbin：Harbin Engineering University，2006.

［4］王波，張永坤，高霄鵬.基于模型試驗(yàn)的螺旋槳空泡噪聲計(jì)算［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，22（6）：87-90.WANG Bo，ZHANG Yongkun，GAO Xiaopeng.Calculation of ship propeller cavitation noise based on model experiment［J］.Journal of Naval University of Engineering，2010，22（6）：87-90.

［5］馮源，陶然，卓智海.加速旋轉(zhuǎn)螺旋槳噪聲測試水洞試驗(yàn)研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，2010（12）：1611-1616.FENG Yuan，TAO Ran，ZHUO Zhihai.Study on cavitation tunnelexperiment of accelerating rotating propeller noise［J］.Acta Armamentarii，2010（12）：1611-1616.

［6］魏松.基于艦艇自航模技術(shù)的流噪聲與螺旋槳噪聲測量與分析［D］.武漢：海軍工程大學(xué)，2011.WEI Song.Warship fluent and propeller radiated noise measuring and analyzing based on ship model test［D］.Wuhan：Naval University of Engineering，2011.

［7］熊鷹，葉金銘，樊曉斌，等.螺旋槳空泡及其誘導(dǎo)的脈動(dòng)壓力的數(shù)值和試驗(yàn)研究［J］.船舶力學(xué)，2006，10（5）：32-40.XIONG Ying，YE Jinming，F(xiàn)AN Xiaobin，et al.Numerical and experimental research on pressure fluctuations induced by propeller cavitation［J］.Journal of Ship Mechanics，2006，10（5）：32-40.

［8］盛立，熊鷹，王松.空泡水洞中拖式吊艙推進(jìn)器脈動(dòng)壓力測量及空泡觀測［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2012，34（2）：30-35.SHENG Li，XIONG Ying，WANG Song.Fluctuating pressure measurement and cavitation observation of tug type pod propulsion in cavitation tunnel［J］.Ship Science and Technology，2012，34（2）：30-35.

［9］張永坤，熊鷹，趙小龍.螺旋槳無空泡噪聲預(yù)報(bào)［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2008，28（1）：44-47.ZHANG Yongkun，XIONG Ying，ZHAO Xiaolong.Prediction of propeller non-cavitations noise［J］.Noise and Vibration Control，2008，28（1）：44-47.

［10］朱物華，朱士逖.螺旋槳噪聲的數(shù)據(jù)處理和頻譜分析［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1982（2）：17-31.ZHU Wuhua，ZHU Shiti.The data processing and spectral analysis of propeller noise［J］.Journal of Shanghai Jiao Tong University，1982（2）：17-31.

［11］韓寶玉.片空泡和梢渦空泡CFD數(shù)值模擬及空泡初生尺度效應(yīng)研究［D］.武漢：海軍工程大學(xué)，2011.HAN Baoyu.Numerical simulation of sheet cavitation and tip vortex cavitation and investigation to scale effect of tip vortex cavitation inception［D］.Wuhan：Naval University of Engineering，2011.

［12］時(shí)立攀.螺旋槳梢渦流場數(shù)值模擬與空化初生研究［D］.武漢：海軍工程大學(xué)，2011.SHI Lipan.Investigation to the inception of propeller tip vortex cavitation and the flowfield［D］.Wuhan：Naval University of Engineering，2011.