螺旋槳噪聲貢獻(xiàn)分離模型的仿真研究

龍 軍

(大連測(cè)控技術(shù)研究所，遼寧大連 116013）

螺旋槳噪聲貢獻(xiàn)分離模型的仿真研究

龍 軍

(大連測(cè)控技術(shù)研究所，遼寧大連 116013）

介紹一種從輻射噪聲中分離出螺旋槳噪聲的方法。根據(jù)螺旋槳噪聲同航速的變化關(guān)系，將輻射噪聲1/3 Oct譜級(jí)進(jìn)行歸一化處理，求得艇體函數(shù)，給出各工況下螺旋槳絕對(duì)聲壓譜。對(duì)分離算法進(jìn)行建模仿真，重點(diǎn)討論不同航速工況的選取和機(jī)械噪聲隨航速的增長(zhǎng)規(guī)律這2個(gè)因素對(duì)分離結(jié)果的影響。

螺旋槳噪聲;分離模型;歸一化算法;艇體函數(shù)

0 引言

隱蔽性是保證潛艇戰(zhàn)斗力的關(guān)鍵因素，破壞潛艇隱蔽性的主要因素是輻射噪聲。潛艇的輻射噪聲主要由機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲及水動(dòng)力噪聲構(gòu)成［1］。實(shí)現(xiàn)對(duì)其分離將有助于確定各噪聲源的貢獻(xiàn)量，從而能為潛艇的設(shè)計(jì)提供各噪聲源有針對(duì)性控制的依據(jù)。分離螺旋槳貢獻(xiàn)的方法主要窄帶線譜法和通過(guò)特性法等［2］。本文主要建立一種螺旋槳噪聲的貢獻(xiàn)分離模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真研究。

1 分離模型

1.1 理論基礎(chǔ)

螺旋槳對(duì)輻射噪聲的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在直發(fā)聲和槳軸激勵(lì)艇體噪聲。在非空化條件下，螺旋槳直接輻射噪聲隨航速的變化規(guī)律是在低頻段成6次方變化，高頻段成5次方變化，在中頻段由于西爾斯函數(shù)的減縮作用，其輻射噪聲隨轉(zhuǎn)速成6～5次方變化［3］。同時(shí)機(jī)械分量的增加強(qiáng)度——同航速的不大于2次方成比例。結(jié)果是，在低航速時(shí)船只的聲壓脈動(dòng)場(chǎng)由機(jī)械聲源決定，在高航速時(shí)則由螺旋槳聲源決定。

螺旋槳上的不定常力通過(guò)軸系向艇體傳遞，導(dǎo)致艇體的振動(dòng)及其聲輻射。這與螺旋槳的直發(fā)聲構(gòu)成1對(duì)反相偶極子對(duì)［4］，其在遠(yuǎn)場(chǎng)的合成擾動(dòng)可分離條件是h≥1，其中h=，l為船體長(zhǎng)度，λ為水中聲波波長(zhǎng)。對(duì)于實(shí)艇測(cè)量而言，考察的下限頻率在10 Hz，滿足可分離條件。

來(lái)自螺旋槳的擾動(dòng)力頻率同艇體的某一構(gòu)件的固有頻率諧振重合時(shí)，會(huì)對(duì)艇體產(chǎn)生的聲壓脈動(dòng)分量進(jìn)行共振放大。把其放大量稱為艇體貢獻(xiàn)。根據(jù)實(shí)艇的結(jié)構(gòu)特征，這種共振現(xiàn)象主要發(fā)生在低頻段，一般不超過(guò)100 Hz。

1.2 實(shí)現(xiàn)方法

1.2.1 總體實(shí)現(xiàn)方法

根據(jù)實(shí)測(cè)不同航速下的潛艇輻射噪聲1/3 Oct譜級(jí)數(shù)據(jù) (最好有在螺旋槳非空化條件下的最高航速工況數(shù)據(jù)），剔除與螺旋槳無(wú)關(guān)的峰，然后對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算艇體函數(shù)。最后計(jì)算螺旋槳產(chǎn)生的平均額定聲壓譜和不同航速下的螺旋槳絕對(duì)聲壓譜。

1.2.2 航行工況輻射噪聲譜級(jí)的歸一化處理

根據(jù)螺旋槳直接輻射噪聲同航速的關(guān)系，對(duì)各工況航行輻射噪聲1/3 Oct譜級(jí)進(jìn)行歸一化換算［5］。由于航速同螺旋槳轉(zhuǎn)速的線性關(guān)系，螺旋槳輻射噪聲從轉(zhuǎn)速n1換算到轉(zhuǎn)速n2可表示為

1.2.3 艇體函數(shù)求解

首先利用最接近臨界轉(zhuǎn)速下的2個(gè)工況其歸一化譜接近或相等時(shí)確定艇體函數(shù)的最高頻率，然后通過(guò)機(jī)械噪聲為起主要作用的中間工況歸一化譜的差值來(lái)確定整個(gè)頻帶的艇體函數(shù)。這個(gè)過(guò)程主要要求對(duì)螺旋槳不重合的歸一化譜設(shè)置合理的插值步長(zhǎng)，采用差值遞推技術(shù)、多項(xiàng)式擬合技術(shù)合成的逐次逼近分析方法，得到艇體作用函數(shù)。

2 仿真分析

2.1 仿真模型建立

文獻(xiàn)［6］討論了艦船輻射噪聲建模方法。根據(jù)機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲特征，主要建立以螺旋槳轉(zhuǎn)速r1工況為基準(zhǔn)工況的機(jī)械噪聲脈動(dòng)譜和螺旋槳噪聲譜，而艇體作用函數(shù)模型的建立依據(jù)其艇體作用主要集中在低頻段 (低于100 Hz），頻率越高，其艇體作用越小的特征。

依據(jù)以上特征模型，根據(jù)機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律及艇體函數(shù)為不隨轉(zhuǎn)速變化的固有特性，可建立不同轉(zhuǎn)速下的合成譜。如圖1所示，其中r1～r9依次增大。

圖1 不同轉(zhuǎn)速下的輻射噪聲聲壓脈動(dòng)譜Fig.1 Radiated noise sound spectrograph in different speed

2.2 基于仿真模型的分離結(jié)果

利用Matlab軟件編寫分離算法程序，實(shí)現(xiàn)螺旋槳噪聲分離。

首先，要實(shí)現(xiàn)螺旋槳噪聲分離，分離算法需要至少3個(gè)航速不同的工況的輻射噪聲數(shù)據(jù)，考慮選取不同的航速進(jìn)行分離計(jì)算，比較其分離結(jié)果。主要對(duì)比模型與求得的艇體函數(shù)和螺旋槳平均額定聲壓脈動(dòng)譜。圖2和圖3分別給出選取不同轉(zhuǎn)速工況進(jìn)行螺旋槳噪聲分離求得的艇體函數(shù)和螺旋槳平均額定聲壓脈動(dòng)譜與仿真模型的比較。

圖2 選取不同轉(zhuǎn)速求得的艇體貢獻(xiàn)與仿真模型比較Fig.2 Comparison submarine body function in different speed with simulation model

圖3 選取不同轉(zhuǎn)速求得的螺旋槳平均額定聲壓脈動(dòng)譜與仿真模型比較Fig.3 Comparison propeller average rated sound spectrograph in different speed with simulation model

從艇體函數(shù)看不出明顯規(guī)律，由r5～r7算得的結(jié)果最接近艇體函數(shù)的仿真模型，而從螺旋槳平均聲壓脈動(dòng)譜看，轉(zhuǎn)速越高求得的結(jié)果越接近仿真模型。但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，并非越高越好，高航速下螺旋槳出現(xiàn)空化或流激殼體可能對(duì)輻射噪聲產(chǎn)生巨大影響，從而導(dǎo)致分離不可實(shí)現(xiàn)或錯(cuò)誤。綜合考慮，應(yīng)該在保證螺旋槳未空化條件下，盡可能選取較高航速下工況。

其次考慮機(jī)械噪聲不同的增長(zhǎng)規(guī)律對(duì)分離結(jié)果的影響。由于機(jī)械噪聲隨航速的變化不超過(guò)2次方增長(zhǎng)，事實(shí)上多數(shù)機(jī)械設(shè)備振動(dòng)不隨航速變化，只有如推進(jìn)電機(jī)等少數(shù)設(shè)備振動(dòng)噪聲隨航速變化。圖4和圖5給出了選取不同機(jī)械增長(zhǎng)次方進(jìn)行螺旋槳噪聲分離求得的艇體函數(shù)和螺旋槳平均額定聲壓脈動(dòng)譜與仿真模型的比較。

圖4 選取不同機(jī)械增長(zhǎng)規(guī)律求得的艇體貢獻(xiàn)與仿真模型比較Fig.4 Comparison submarine body function in differentmachinery noise gain with simulationmodel

圖5 選取不同機(jī)械增長(zhǎng)規(guī)律求得的螺旋槳平均額定聲壓脈動(dòng)譜與仿真模型比較Fig.5 Comparison propeller average rated sound spectrograph in differentmachinery noise gain with simulationmodel

機(jī)械分量增長(zhǎng)的越快，求得的艇體函數(shù)越大，越偏離實(shí)際值。這是很容易理解的，在較高轉(zhuǎn)速下，進(jìn)行無(wú)量綱歸一時(shí)，機(jī)械噪聲雖然所占成分比例較小，但不能完全排除其影響。所以機(jī)械噪聲隨轉(zhuǎn)速增長(zhǎng)越快，分離時(shí)帶來(lái)的誤差越大。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要建立一種從潛艇輻射噪聲中定量分離螺旋槳噪聲的方法，并對(duì)分離算法進(jìn)行仿真分析，討論對(duì)分離結(jié)果產(chǎn)生影響的主要因素。仿真分析證明，這種分離算法是有效和可實(shí)現(xiàn)的。需要說(shuō)明的是，由于沒有考慮流噪聲的影響，對(duì)實(shí)際測(cè)量的輻射噪聲進(jìn)行定量分離螺旋槳噪聲時(shí)，必須嚴(yán)格剔除與螺旋槳無(wú)關(guān)的峰，才能保證分離的螺旋槳噪聲的有效性。

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Simulation research on the contribution separation model of propeller

LONG Jun
(Dalian Scientific Test and Control Technology Institute，Dalian 116013，China）

A method about separation propeller noise from submarine radiated noise was introduced.Based on the relationship between the propeller noise and the speed of submarine，1/3 octave spectrum of the radiated noise could be normalized，and the submarine body function could be gotten，then the absolute spectrum graph of the propeller in various conditions.Finally the model of the separating method was simulated;the infection of the choosing of speed and themachinery noise gain with the speed to the results of separation was discussed.

propeller noise;separation model;normalized process;submarine body function

P733.22

A

1672－7649(2014）04－0114－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.023

2012－11－20;

2013－06－13

龍軍(1985－），男，工程師，從事水聲物理研究。