水下航行器水動(dòng)力噪聲分離預(yù)報(bào)

王　康1，劉國(guó)慶1，王　強(qiáng)2，張?jiān)侜t1，3，李　旭11華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北武漢430074 2中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064 3加州大學(xué)圣地亞哥分校機(jī)械與航空航天工程系，加利福尼亞州圣地亞哥92093-0411

水下航行器水動(dòng)力噪聲分離預(yù)報(bào)

王康1，劉國(guó)慶1，王強(qiáng)2，張?jiān)侜t1，3，李旭1
1華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北武漢430074 2中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064 3加州大學(xué)圣地亞哥分校機(jī)械與航空航天工程系，加利福尼亞州圣地亞哥92093-0411

近年來，水下航行器的聲隱蔽性受到廣泛關(guān)注，而有關(guān)其水動(dòng)力噪聲的研究卻較少。將水動(dòng)力噪聲分為殼體流噪聲、殼體流激振動(dòng)噪聲、螺旋槳流噪聲和螺旋槳流激振動(dòng)噪聲4類，采用大渦模擬（LES）結(jié)合Lighthill聲類比混合計(jì)算方法，對(duì)水下航行器的水動(dòng)力噪聲進(jìn)行分離預(yù)報(bào)。首先，采用已有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該混合聲學(xué)計(jì)算方法的有效性。隨后，對(duì)水下航行器殼體和螺旋槳三維流場(chǎng)的流噪聲和流激振動(dòng)噪聲進(jìn)行數(shù)值模擬和分析。結(jié)果表明，4類噪聲均與速度呈非線性關(guān)系。在上游段，螺旋槳流激振動(dòng)噪聲為主要噪聲；在下游段，殼體流噪聲所占比例最大。在低速時(shí)，由殼體激發(fā)的水動(dòng)力噪聲是主要噪聲；隨著航速的增大，由螺旋槳激發(fā)的水動(dòng)力噪聲占總噪聲的比例逐漸增加；總體水動(dòng)力噪聲能量隨航速的增大而增大。

水下航行器；大渦模擬；Lighthill聲類比；水動(dòng)力噪聲；流噪聲；流激振動(dòng)噪聲

0　引言

水下航行器在海洋資源開發(fā)等方面起著日益顯著的重要作用，作為重要性能指標(biāo)，水下航行器的聲學(xué)特性也逐漸為學(xué)者所關(guān)注，其中，機(jī)械噪聲和水動(dòng)力噪聲成為水下航行器的致命弱點(diǎn)，可見，低噪聲設(shè)計(jì)至關(guān)重要。近年來，許多學(xué)者研究了水下航行器的機(jī)械噪聲并提出了很多有效的降噪方法。然而，有關(guān)水動(dòng)力噪聲方面的研究卻涉及較少，并且關(guān)于水下航行器水動(dòng)力噪聲的數(shù)值模擬對(duì)航行器的實(shí)際設(shè)計(jì)也有著十分重要的意義。

眾所周知，大渦模擬（LargeEddySimulation，LES）［1-2］可以較精確地預(yù)測(cè)湍流流動(dòng)，并且對(duì)于大規(guī)模分離區(qū)域的計(jì)算，LES也比非穩(wěn)雷諾平均法更精準(zhǔn)。Shur等［3］以LES為基礎(chǔ)，在靜態(tài)和飛行狀態(tài)下對(duì)微型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的降噪進(jìn)行了分析。Cavalieri等［4］利用LES探索了噴氣機(jī)噪聲來源的機(jī)理。Zhang等［5］采用LES和FW-H聲學(xué)類比法模擬了孔腔流動(dòng)和流激噪聲，并將數(shù)值結(jié)果和CSSRC的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，證明數(shù)值預(yù)測(cè)方法是有效的。最近，有學(xué)者利用LES湍流模型來計(jì)算跨過擾流板的平均壓力以及作用在上面的波動(dòng)拖曳阻力，數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗(yàn)值吻合較好。Mak等［6］利用LES湍流模型預(yù)測(cè)了擾流板輸送管的流噪聲。張?jiān)实龋?］基于LES和Lighthill聲類比方法，對(duì)開孔潛艇流噪聲進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了基于LES的流噪聲數(shù)值模擬方法可行。江文成［8］利用LES求解潛艇的繞流場(chǎng)，將得到的流場(chǎng)解與試驗(yàn)值進(jìn)行了的對(duì)比，驗(yàn)證了流場(chǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確性。張?jiān)侜t等［9］結(jié)合LES和Lighthill聲類比理論建立混合計(jì)算方法，對(duì)類閥空腔模型進(jìn)行了數(shù)值模擬和驗(yàn)證。通過與聲學(xué)試驗(yàn)對(duì)比，證明該流激噪聲混合計(jì)算方法可行且計(jì)算結(jié)果可靠，可應(yīng)用于水動(dòng)力噪聲研究。

本文將水動(dòng)力噪聲分為流噪聲和流激振動(dòng)噪聲2大類進(jìn)行分析，利用LES和Lighthill聲類比法對(duì)水下航行器的水動(dòng)力噪聲進(jìn)行數(shù)值模擬和分離預(yù)報(bào)。在計(jì)算前，通過已有文獻(xiàn)對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證，并通過計(jì)算選取合適的外流域大小。隨后，分別對(duì)由殼體導(dǎo)致的湍流流動(dòng)和由螺旋槳所致的湍流流場(chǎng)進(jìn)行大渦模擬計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上分別預(yù)報(bào)殼體流噪聲、殼體流激振動(dòng)噪聲、螺旋槳流噪聲和螺旋槳流激振動(dòng)噪聲。然后，分別探究這4類噪聲的空間輻射指向性及輻射聲能量特性等。最后，通過聲級(jí)計(jì)算的方法對(duì)4類噪聲進(jìn)行合成計(jì)算，分析水下航行器總體水動(dòng)力噪聲的聲壓分布特性和輻射聲能量特性，尤其是探討這4類噪聲對(duì)總體水動(dòng)力噪聲的貢獻(xiàn)程度。

1　水動(dòng)力噪聲分類及評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1水下航行器水動(dòng)力噪聲分類

水下航行器水動(dòng)力噪聲主要包括流噪聲和流激振動(dòng)噪聲，前者是指由于湍流脈動(dòng)壓力所產(chǎn)生的噪聲，后者是指壁面上的脈動(dòng)壓力激勵(lì)物面彈性結(jié)構(gòu)引起振動(dòng)而產(chǎn)生的振動(dòng)輻射噪聲。

水下航行器主要包括航行器殼體、螺旋槳等結(jié)構(gòu)，文中分別對(duì)這2部分結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的湍流流動(dòng)引起的水動(dòng)力噪聲進(jìn)行了分離預(yù)報(bào)與分析。文中的航行器水動(dòng)力噪聲分為殼體流噪聲、殼體流激振動(dòng)噪聲、螺旋槳流噪聲和螺旋槳流激振動(dòng)噪聲4類。為便于描述，現(xiàn)假設(shè)水下航行器總體水動(dòng)力噪聲為A類噪聲，殼體流噪聲、殼體流激振動(dòng)噪聲、螺旋槳流噪聲和螺旋槳流激振動(dòng)噪聲分別為B類、C類、D類和E類噪聲。

1.2評(píng)價(jià)指標(biāo)

在聲學(xué)分析中，常用聲壓級(jí)和聲功率級(jí)來評(píng)判聲學(xué)特性。聲壓級(jí)的計(jì)算公式如式（1）所示，聲功率級(jí)的計(jì)算公式如式（2）所示。

式中：p(f)為f頻率下的聲壓大?。籶0為基準(zhǔn)聲壓，在水中，p0=1×10-6Pa；w(f)為f頻率下的聲功率大小；w0為基準(zhǔn)聲功率，w0=1×10-12W。

根據(jù)噪聲測(cè)量系統(tǒng)的指定帶寬聲壓級(jí)計(jì)算公式，假設(shè)計(jì)算中的頻率分辨率為Df，可以給出數(shù)值計(jì)算中頻率為[f0，f1]的聲壓總級(jí)的計(jì)算公式，如式（3）所示；聲功率總級(jí)的計(jì)算公式，如式（4）所示。

類似地，水下航行器總體水動(dòng)力噪聲，即A類噪聲的聲壓總級(jí)LpA的計(jì)算公式如式（5）所示；聲功率總級(jí)LwA的計(jì)算公式如式（6）所示。

式中，LpB，LpC，LpD，LpE，LwB，LwC，LwD和LwE分別為B，C，D和E類噪聲的聲壓總級(jí)和聲功率總級(jí)。

2　模型及計(jì)算方法

2.1水下航行器殼體和螺旋槳幾何模型

本文研究的水下航行器殼體外形尺寸是在國(guó)外某航行器［10］的外形尺寸上進(jìn)行簡(jiǎn)化而得，其主要外形和參數(shù)如圖1所示，頭部采用圓頭線型［11］。水下航行器采用對(duì)轉(zhuǎn)大側(cè)斜螺旋槳，其前、后螺旋槳主要參數(shù)如表1所示，幾何草圖和三維模型圖如圖2所示。

圖1　水下航行器殼體外形簡(jiǎn)化圖Fig.1 The reduced graph of the underwater vehicle hull

表1　對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳主要參數(shù)Tab.1 The main parameters of the contra-rotating propellers

圖2　水下航行器對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳幾何模型圖Fig.2 The geometricmodel figure of the contra-rotating propellers

2.2數(shù)值計(jì)算方法

對(duì)于流噪聲預(yù)報(bào)，利用CFX進(jìn)行流場(chǎng)模擬，通過Actran中的ICFD模塊，將流體計(jì)算結(jié)果直接導(dǎo)入到Actran中求解流噪聲輻射問題，其求解流程如圖3所示。ICFD為Actran的流體激勵(lì)轉(zhuǎn)化模塊，首先將流體計(jì)算中的聲載荷信息通過積分算法整合到聲學(xué)網(wǎng)格上，得到聲學(xué)模型的時(shí)間歷程載荷，再利用其內(nèi)部的傅立葉變換算法將時(shí)間歷程載荷轉(zhuǎn)化為頻譜載荷，最后利用Actran進(jìn)行求解。

圖3　流噪聲預(yù)報(bào)流程圖Fig.3 The flow chart of the prediction for the flow-induced noise

對(duì)于流激振動(dòng)噪聲預(yù)報(bào)，首先利用CFX計(jì)算得到三維瞬態(tài)流場(chǎng)信息，然后導(dǎo)出壁面上的脈動(dòng)壓力。由于流場(chǎng)網(wǎng)格比結(jié)構(gòu)網(wǎng)格精細(xì)，故需將流場(chǎng)壁面處的脈動(dòng)壓力插值到結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。本文使用了一套自主編寫的插值程序：第1步，在CFX-POST中利用CCL命令導(dǎo)出壁面上的壓力文件；第2步，在ANSYS中通過節(jié)點(diǎn)查找得到流場(chǎng)壁面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)壁面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的插值的映射表；第3步，利用Matlab完成流場(chǎng)壁面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的壓力信息插值至結(jié)構(gòu)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的計(jì)算過程；第4步，根據(jù)第3步獲得的載荷文件，加載至結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算。最后，將振動(dòng)響應(yīng)作為噪聲源，在Actran中求解振動(dòng)聲輻射問題，其求解流程圖如圖4所示。

圖4　流激振動(dòng)噪聲預(yù)報(bào)流程圖Fig.4 The flow chart of the prediction for the noise from the flow-induced vibration

2.3流場(chǎng)計(jì)算模型

水下航行器主要包括航行器殼體、螺旋槳等結(jié)構(gòu)，本文將由這2部分結(jié)構(gòu)引起的水動(dòng)力噪聲分為4類，進(jìn)行了分離預(yù)報(bào)與分析。計(jì)算殼體導(dǎo)致的噪聲時(shí)，不考慮螺旋槳的影響；而螺旋槳的流場(chǎng)計(jì)算則基于殼體流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，以殼體流場(chǎng)速度分布作為螺旋槳流場(chǎng)計(jì)算的入口邊界條件。水下航行器水動(dòng)力噪聲預(yù)報(bào)是基于外流場(chǎng)信息的，因此外流場(chǎng)的準(zhǔn)確模擬至關(guān)重要。由于水下航行器整體上為圓柱形，故外流域也采用圓柱形流域，如圖5和圖6所示，其中D1為殼體外流域徑向直徑，L1為殼體外流域上游段長(zhǎng)度，L2為殼體外流域下游段長(zhǎng)度，D2為螺旋槳外流域徑向直徑，L3為螺旋槳外流域上游段長(zhǎng)度，L4為螺旋槳外流域下游段長(zhǎng)度。在螺旋槳流場(chǎng)計(jì)算中，為了只針對(duì)性地分離螺旋槳產(chǎn)生的水動(dòng)力噪聲，計(jì)算模型中不包括航行器頭部以及翼板，而從航行器平直段開始，并以航行器尾端結(jié)束，且進(jìn)口處采用殼體流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果為速度邊界條件。航行器螺旋槳外流域包括靜止域和2個(gè)繞槳軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)域，即遠(yuǎn)離螺旋槳的區(qū)域?yàn)殪o止域，前槳附近的區(qū)域?yàn)橛倚D(zhuǎn)域，后槳附近的區(qū)域?yàn)樽笮D(zhuǎn)域。通過外流域截?cái)嘤?jì)算驗(yàn)證，D1=3D，L2=L4=2L的外流域是滿足流噪聲預(yù)報(bào)精度的。由于流激振動(dòng)噪聲主要與壁面脈動(dòng)壓力有關(guān)，外流域的大小對(duì)其影響不大，因此沒有必要研究外流域截?cái)鄬?duì)流激振動(dòng)噪聲的影響。

三維流場(chǎng)采用CFX計(jì)算，計(jì)算模型及邊界設(shè)置如圖7～圖9所示。其中，圖8展示了螺旋槳外流域的計(jì)算網(wǎng)格，外流域包括靜止域和2個(gè)繞槳軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)域，由于螺旋槳結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)旋轉(zhuǎn)域采用四面體網(wǎng)格劃分，對(duì)靜止域采用六面體網(wǎng)格劃分。對(duì)流場(chǎng)計(jì)算模型的邊界條件設(shè)置如下：圓柱形外流域曲面定義為滑移面，殼體外及螺旋槳表面定義為無滑移面，進(jìn)口邊界為速度邊界條件，出口邊界為壓力邊界條件（0 Pa）。其中，對(duì)于殼體流場(chǎng)，進(jìn)口速度如表2所示航速；對(duì)于螺旋槳流場(chǎng)，進(jìn)口速度采用殼體流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果對(duì)應(yīng)位置處的速度分布（如圖9給出的是航速為15 kn下該位置處的速度分布云圖），旋轉(zhuǎn)域和靜止域之間由轉(zhuǎn)子/定子交界面連接。湍流模擬采用LES，其中亞格子應(yīng)力模型采用LESWALE，對(duì)流項(xiàng)采用中心差分格式進(jìn)行逼近，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為5×10-4s，前、后槳轉(zhuǎn)速如表2所示。根據(jù)進(jìn)速系數(shù)J的計(jì)算公式：J=VA/(nD)計(jì)算可得，如此設(shè)置時(shí)，各工況下螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)J基本相同。鑒于缺少模型自航狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，本文通過保證進(jìn)速系數(shù)相等來作為不同工況航速和螺旋槳轉(zhuǎn)速的選擇標(biāo)準(zhǔn)。待計(jì)算穩(wěn)定后（大致10 000步以上）結(jié)果均保存1 000步，以便進(jìn)行流場(chǎng)瞬態(tài)分析及流噪聲、流激振動(dòng)噪聲的模擬預(yù)報(bào)。由于是基于步長(zhǎng)為5×10-4s的連續(xù)1 000步流場(chǎng)信息來預(yù)報(bào)流噪聲和流激振動(dòng)噪聲，所以根據(jù)采樣頻率及采樣定理，轉(zhuǎn)換得到的流場(chǎng)信息頻域分辨率為2Hz，帶寬為1 000 Hz，由此預(yù)報(bào)得到的噪聲精度為2 Hz，最高頻率為1 000 Hz。

圖5　水下航行器殼體外流域圖Fig.5 The graph of the external flow domain of the hull

圖6　水下航行器對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳外流域圖Fig.6 The external flow domain of the propellers

圖7　水下航行器殼體外流場(chǎng)計(jì)算模型及邊界Fig.7 The calculationmodeland boundary of the external flow field of the hull

圖8　水下航行器螺旋槳外流場(chǎng)計(jì)算網(wǎng)格剖面圖Fig.8 The sectional view of the calculation mesh of the external flow field of the propellers

圖9　水下航行器螺旋槳外流場(chǎng)計(jì)算模型及邊界Fig.9 The calculationmodel and boundary of the external flow field of the propellers

表2　計(jì)算航速以及對(duì)應(yīng)的前后槳轉(zhuǎn)速Tab.2 The calculation velocity and the corresponding rotating velocitiesof the frontand rear propellers

2.4聲場(chǎng)計(jì)算模型

流噪聲數(shù)值模擬計(jì)算模型及邊界條件如圖10所示，計(jì)算域由2部分組成：聲源域（深色區(qū)域）和傳播域（淺色區(qū)域）。計(jì)算中，將傳播域?qū)?yīng)的有限元網(wǎng)格外表面作為無限元基面，殼體表面默認(rèn)為隔聲面，噪聲不向航行器內(nèi)腔傳播，而只向“遠(yuǎn)場(chǎng)”傳播。

圖10　流噪聲聲學(xué)計(jì)算模型設(shè)置示意圖Fig.10 The modelof the acoustics of the flow-induced noise

流激振動(dòng)噪聲計(jì)算模型及邊界條件如圖11所示，計(jì)算域只有傳播域（淺色區(qū)域），殼體表面設(shè)置為邊界聲源面，且為隔聲面，其他設(shè)置與流噪聲預(yù)報(bào)相同。

將流場(chǎng)網(wǎng)格信息插值到聲場(chǎng)網(wǎng)格時(shí)，要求流場(chǎng)和聲場(chǎng)的幾何結(jié)構(gòu)在空間中的位置信息一致，其中徑向插值階數(shù)為8。而航行器螺旋槳三維流場(chǎng)信息模擬計(jì)算中有旋轉(zhuǎn)域，即螺旋槳等幾何結(jié)構(gòu)的空間位置信息隨時(shí)間變化，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)域中的流場(chǎng)信息無法插值到聲場(chǎng)網(wǎng)格作為聲源信息。因此，對(duì)于D類噪聲的預(yù)報(bào)，聲源域只包含靜止域；對(duì)E類噪聲的預(yù)報(bào)，激勵(lì)源只包含靜止域中的殼體壁面脈動(dòng)壓力，這些處理方案可能導(dǎo)致螺旋槳噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際相比偏小。

圖11　流激振動(dòng)噪聲計(jì)算模型設(shè)置示意圖Fig.11 The modelof the acoustics of the noise of flow-induced vibration

3　預(yù)報(bào)方法驗(yàn)證

本文流噪聲的預(yù)報(bào)是應(yīng)用LES方法對(duì)三維流場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值模擬，然后基于Lighthill廣義方程對(duì)全流場(chǎng)的物理量進(jìn)行積分而獲得遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓。本文在前期研究［12-13］的基礎(chǔ)上，對(duì)研究數(shù)據(jù)較豐富的“大青花魚”簡(jiǎn)化潛艇模型進(jìn)行三維流場(chǎng)及流噪聲預(yù)報(bào)，并與孟堃宇［14］研究的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以此探討Actran預(yù)報(bào)流噪聲的準(zhǔn)確性，得到不同預(yù)報(bào)方法下x方向和z方向聲壓總級(jí)變化特性對(duì)比（圖12），其中，模型總長(zhǎng)l=3.2m，型寬b=0.4m。在這幾種預(yù)報(bào)方法下，流噪聲的輻射特性基本一致，但由于艇體近場(chǎng)為聲源區(qū)，近場(chǎng)的聲壓都存在著一定的差別，而當(dāng)與艇體距離不斷增大時(shí)，由3種預(yù)報(bào)方法得到聲壓總級(jí)基本趨于一致，其中Actran與Sysnoise的計(jì)算結(jié)果在艇體遠(yuǎn)處具有更好的吻合度。因此，本文采用Actran預(yù)報(bào)流噪聲的輻射特性是可行的。

圖12　不同預(yù)報(bào)方法下x方向和z方向聲壓總級(jí)變化特性對(duì)比Fig.12 The comparison of the totalsound pressure levels in x-axisand z-axis directions with different methods

4　結(jié)果和分析

4.1模態(tài)分析

流激振動(dòng)噪聲涉及流場(chǎng)、結(jié)構(gòu)、聲場(chǎng)之間的相互耦合，實(shí)際上，難以完整地模擬出三者之間的影響規(guī)律，由于本文的研究均在低馬赫數(shù)狀態(tài)，因此，為簡(jiǎn)化研究模型，對(duì)于流激振動(dòng)噪聲的預(yù)報(bào)采用單向耦合方法進(jìn)行，如圖4所示。在計(jì)算三維動(dòng)態(tài)流場(chǎng)時(shí)，將航行器殼體當(dāng)做剛體處理，不考慮結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)流場(chǎng)的影響，也忽略聲場(chǎng)對(duì)流場(chǎng)的反饋?zhàn)饔?，由此得到殼體壁面上的脈動(dòng)壓力信息。

航行器殼體結(jié)構(gòu)如圖1所示，忽略殼體加筋等結(jié)構(gòu)，將殼體簡(jiǎn)化為均勻板厚，材質(zhì)取為鋼，材料屬性如表3所示。在結(jié)構(gòu)振動(dòng)計(jì)算中，殼體采用殼單元shell 63，翼板采用體單元solid 45，總單元數(shù)為5 171個(gè)，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為5 482個(gè)。本文是在頻域上加載脈動(dòng)壓力進(jìn)行諧響應(yīng)分析而得到振動(dòng)響應(yīng)信息，因此對(duì)航行器結(jié)構(gòu)均可以采用自由邊界約束，結(jié)構(gòu)阻尼設(shè)為0.002。

表3　鋼的材料屬性Tab.3 Properties of steel

模態(tài)分析用于分析結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，即確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型是諧響應(yīng)分析等動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，本文基于諧響應(yīng)分析來研究流激振動(dòng)響應(yīng)，故有必要先對(duì)殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。將殼體厚度t取為10mm，在自由邊界約束狀態(tài)下，計(jì)算航行器殼體結(jié)構(gòu)的固有頻率。經(jīng)計(jì)算可知，在10～1 000 Hz范圍內(nèi)，殼體結(jié)構(gòu)共有15階模態(tài)，其中包括整體模態(tài)和局部模態(tài)，航行器殼體結(jié)構(gòu)的固有頻率將在后文中進(jìn)行說明（表4）。

表4　 C類噪聲聲功率級(jí)峰值頻率與共振固有頻率Tab.4 Peak frequency of sound power leveland resonance natural frequency of noise C

4.2聲功率級(jí)頻譜特性分析

提取無限元基面上的聲功率數(shù)據(jù)，得到水下航行器4類噪聲聲功率級(jí)頻譜曲線（圖13）。對(duì)于4類噪聲，聲功率級(jí)均隨航速的增大而增大。對(duì)于B類和D類噪聲，聲功率級(jí)主要集中在低頻范圍，隨頻率的增大而減小，當(dāng)頻率超出該頻段后，聲功率級(jí)很小且在某一定值左右波動(dòng)。各航速下，B類噪聲聲功率級(jí)出現(xiàn)了1個(gè)峰值，而D類噪聲聲功率級(jí)則出現(xiàn)了2個(gè)峰值。

分析可知，B類噪聲聲功率級(jí)峰值是由殼體流場(chǎng)的脈動(dòng)壓力峰值所致，而D類噪聲聲功率級(jí)峰值與螺旋槳葉片通過頻率有關(guān)，第1個(gè)峰值頻率接近螺旋槳的2階葉片通過頻率，第2個(gè)峰值接近螺旋槳（尤其是前槳）的10階葉頻通過頻率。峰值頻率均隨航速的增大而增大。對(duì)于C類和E類噪聲，聲功率級(jí)并非主要集中在低頻段，而是在整個(gè)頻段內(nèi)出現(xiàn)了若干個(gè)峰值點(diǎn)，這些峰值是由壓力脈動(dòng)引起結(jié)構(gòu)發(fā)生共振所致。但E類噪聲的峰值不是特別明顯，其峰值量級(jí)與聲功率級(jí)頻譜自身的波動(dòng)量級(jí)相差不大，即螺旋槳流場(chǎng)中殼體壁面上的壓力脈動(dòng)未導(dǎo)致航行器結(jié)構(gòu)的明顯共振，即共振對(duì)E類噪聲能量不會(huì)有太大的貢獻(xiàn)。

表4給出了C類噪聲聲功率級(jí)峰值頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率的對(duì)比。不難發(fā)現(xiàn)，除第1個(gè)峰值外，其他峰值均是由于結(jié)構(gòu)發(fā)生共振所引起，而第2個(gè)峰值頻率與B類噪聲的峰值頻率相同，由此可以說明第1個(gè)峰值是由殼體流場(chǎng)中壁面脈動(dòng)壓力峰值所致。

表5給出了C類噪聲聲功率級(jí)峰值。在6，12 kn航速下，第1個(gè)峰值頻率處的聲功率級(jí)基本上要高于其他所有峰值，而在9 kn航速下以700Hz處最大，15 kn航速下318 Hz處的聲功率級(jí)與第1個(gè)峰值基本相同。由此可以得出結(jié)論：航速為6，12 kn時(shí)，由流場(chǎng)自身的壓力脈動(dòng)峰值引起的流激噪聲能量是C類噪聲的主要來源；航速為9 kn時(shí)，結(jié)構(gòu)共振引起的流激振動(dòng)噪聲能量是C類噪聲的主要來源；航速為15 kn時(shí)，兩者均是C類噪聲的主要來源。

圖13　水下航行器4類噪聲聲功率級(jí)頻譜曲線Fig.13 Spectrum curves of sound power levelof the four kinds of noises

4.3聲壓云圖分析

在水下航行器水動(dòng)力噪聲預(yù)報(bào)中，取z=0的xy聲學(xué)場(chǎng)平面處的云圖，該云圖區(qū)域大小為20 m×20m，中心點(diǎn)坐標(biāo)為（0.5L，0，0），以便從全局上認(rèn)識(shí)主要噪聲源分布、輻射指向性等規(guī)律。這里只以航速為15 kn時(shí)為例，圖14～圖15給出了B類和C類噪聲的聲壓級(jí)云圖。

對(duì)于B類噪聲，存在某一頻率值，低于該頻率時(shí)噪聲源分布在整個(gè)流場(chǎng)，高于該頻率時(shí)噪聲源主要分布在航行器頭部及尾部翼板處，尤其是翼板處。尾流低頻噪聲源與翼板處噪聲源向空間輻射時(shí)，在翼板附近尾流段（距翼板約2L范圍內(nèi)）會(huì)相互干涉疊加而形成較低或較高的聲壓區(qū)。由于噪聲源分布不同，聲輻射云圖也相應(yīng)不同，在低于該頻率時(shí)沒有明顯的橫向?qū)ΨQ特性，而高于該頻率時(shí)顯示出明顯的橫向?qū)ΨQ特性。B類噪聲聲壓級(jí)隨偏離航行器距離的增大而減小，且橫向聲壓級(jí)要高于軸向也即首尾部分。

對(duì)于C類噪聲，聲壓級(jí)分布關(guān)于縱軸有著明顯的對(duì)稱性，其隨偏離航行器距離的增大而減小，且橫向聲壓級(jí)要高于軸向也即首尾部分。由共振引起的聲壓級(jí)峰值頻率下的噪聲源分布與結(jié)構(gòu)的振型有關(guān)，即噪聲源的分布部位和模態(tài)分析中有著較大位移響應(yīng)的部位是一致的。該規(guī)律對(duì)流激振動(dòng)噪聲試驗(yàn)研究中傳感器的布點(diǎn)非常具有指導(dǎo)意義，試驗(yàn)前，只需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析得到位移響應(yīng)分布圖，就可知道流激振動(dòng)噪聲源可能的分布部位。對(duì)于這些部位，應(yīng)該在試驗(yàn)中進(jìn)行合理的傳感器布點(diǎn)。

表5　不同航速下C類噪聲聲功率級(jí)峰值Tab.5 Peaks of sound power level of noise C in different velocities

圖14　 B類噪聲xy平面聲壓級(jí)云圖（u=15 kn）Fig.14 Sound pressure level contours of noise B in xy plane（u=15 kn）

圖15　 C類噪聲xy平面聲壓級(jí)云圖（u=15 kn）Fig.15 Sound pressure level contours of noise C in xy plane（u=15 kn）

4.4噪聲能量分析

在水下航行器水動(dòng)力噪聲預(yù)報(bào)中設(shè)置一些水聽器，以便認(rèn)識(shí)聲場(chǎng)中各點(diǎn)的聲壓大小以及聲壓分布狀態(tài)。x方向上均勻設(shè)置了15個(gè)水聽器（圖16），水聽器與航行器縱軸（x軸）之間距離均為4D，相鄰水聽器之間的距離為0.5L。

圖16　水下航行器水動(dòng)力噪聲預(yù)報(bào)中x方向水聽器位置示意圖Fig.16 The schematic diagram of the hydrophones in x-axis direction in noise prediction

根據(jù)式（3）計(jì)算各航速下的4類噪聲在x方向水聽器處的聲壓總級(jí)，然后按照式（5）進(jìn)行合成處理，獲得A類噪聲在x方向的聲壓總級(jí)，繪制各類噪聲聲壓總級(jí)在x方向上的變化規(guī)律圖（圖17）。

由圖17可知，B類和D類噪聲的聲壓總級(jí)均在X9處最大，C類在X8處最大，而E類噪聲在X7處最大，這說明B類和D類兩類噪聲的主要聲源位于水下航行器尾部，C類位于航行器中部，而E類則位于水下航行器前半部分?？傮w水動(dòng)力噪聲即A類噪聲的聲壓總級(jí)在X9處最大。

從圖17可以看出，C類和E類噪聲聲壓總級(jí)在水下航行器上游段和下游段的分布基本相似，均是隨著與水下航行器距離的增大而減小，減小幅度也隨之減小。B類和D類噪聲聲壓總級(jí)在上游段隨著與水下航行器距離的增大而減小，減小幅度也隨之減小；但在下游段，只有航速為6 kn時(shí)，聲壓總級(jí)是隨著與水下航行器距離的增大而減小，而其他航速下，聲壓總級(jí)并不隨著水下航行器的距離增大而減小。這可能是由于：隨著航速的增大，由航行器尾流擾動(dòng)導(dǎo)致的部分尾流低頻噪聲源，與水下航行器翼板或螺旋槳附近流場(chǎng)導(dǎo)致的低頻噪聲源向空間輻射時(shí)相互干涉疊加而形成了較低或較高的聲壓區(qū)。A類噪聲在下游段主要由B類噪聲主導(dǎo)。

圖17　水下航行器水動(dòng)力噪聲聲壓總級(jí)在x方向上的變化規(guī)律Fig.17 Changing figures of total sound pressure levels of differentnoises in x-axis direction

根據(jù)式（4）計(jì)算各航速下4類噪聲的聲功率總級(jí)，然后按照式（6）進(jìn)行合成處理，獲得A類噪聲的聲功率總級(jí)，最后計(jì)算各類噪聲在A類噪聲聲功率總級(jí)中所占的百分比，并繪制各類噪聲聲功率總級(jí)與航速的關(guān)系曲線（圖18）。由圖可知，所有噪聲能量均與速度呈非線性關(guān)系，且隨著速度的增加而增大。

圖18　水下航行器水動(dòng)力噪聲聲功率總級(jí)與航速的關(guān)系Fig.18 Relation curves of total sound power levels of different noises and differentvelocities

各類噪聲在A類噪聲聲功率總級(jí)中的百分比如圖19所示，可以看出，4類噪聲在不同航速下對(duì)A類噪聲的貢獻(xiàn)程度均不一樣。航速為6 kn時(shí)，B類噪聲為主要部分，約占33%，其他3類所占比例相差不大；航速為9 kn時(shí)，C類噪聲為主要部分，約占44%，其他3類所占比例相差不大；航速為12和15 kn時(shí)，E類噪聲均為主要部分，其次是D類噪聲。由此分析可知：低航速時(shí)，航行器殼體及附體引起的水動(dòng)力噪聲為主要部分；隨著航速的增大，螺旋槳引起的水動(dòng)力噪聲將明顯強(qiáng)于航行器殼體及附體引起的水動(dòng)力噪聲，而成為航行器水動(dòng)力噪聲的主要貢獻(xiàn)者。

圖19　4類噪聲聲功率總級(jí)百分比條形圖Fig.19 Percentage bar chart of the total sound power levels of four kinds of noises

5　結(jié)論

本文采用基于大渦模擬（LES）和Lighthill聲類比的混合聲學(xué)計(jì)算方法對(duì)水下航行器水動(dòng)力噪聲進(jìn)行了分離預(yù)報(bào)。通過數(shù)值計(jì)算得到航行器殼體和螺旋槳流場(chǎng)特性，并分別預(yù)報(bào)出了殼體流噪聲、殼體流激振動(dòng)噪聲、螺旋槳流噪聲和螺旋槳流激振動(dòng)噪聲，最后從總體上對(duì)水下航行器水動(dòng)力噪聲的聲壓分布特性以及輻射聲能量特性進(jìn)行分析，可以得到如下結(jié)論：

1）殼體流噪聲、殼體流激振動(dòng)噪聲、螺旋槳流噪聲、螺旋槳流激振動(dòng)噪聲這4類噪聲分布在橫向關(guān)于航行器都有著很好的對(duì)稱性，在距離航行器殼體表面同等距離下，橫向聲能量高于軸向，即首尾部分，并隨著偏離航行器表面距離的增大而減小。

2）殼體流噪聲的主要能量分布在機(jī)翼周圍，而其他種類的噪聲主要靠近水下航行器中段、螺旋槳和水下航行器的前半部分。

3）在上游段，螺旋槳流激振動(dòng)噪聲強(qiáng)于其他3類噪聲，總體水動(dòng)力噪聲分布規(guī)律主要受螺旋槳流激振動(dòng)噪聲影響；而在下游段，殼體流噪聲最強(qiáng)，總體水動(dòng)力噪聲主要受殼體流噪聲影響。

4）低速時(shí)，由殼體激發(fā)的水動(dòng)力噪聲為主要噪聲。隨著航速的增加，由螺旋槳激發(fā)的水動(dòng)力噪聲會(huì)越來越大，并逐漸在總噪聲中占較大比例。4類噪聲能量均與速度呈非線性關(guān)系。

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［責(zé)任編輯：喻菁］

Separating prediction of the hydrodynamic noise of an underwater vehicle

WANG Kang1，LIU Guoqing1，WANGQiang2，ZHANG Yongou1，3，LIXu11 Schoolof Naval Architecture and Ocean Engineering，Huazhong University of Science and Technology，
Wuhan 430074，China
2China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China 3 Department of Mechanicaland Aerospace Engineering，University of California San Diego，
California 92093-0411，USA

In recent years，acoustic stealthiness，being one of the most important parameters to evaluate underwater vehicles'operational performance，has received widespread attention.However，the hydrodynamic noise of underwater vehicles has seldom been studied.In this paper，hydrodynamic noise is classified into four categories：the flow-induced noise of the shell，the noise of flow excited-vibration of the shell，the flow induced-noise of the propeller，and the noise of flow excited-vibration of the propeller，all of which are predicted by using the Large Eddy Simulation（LES）and the Lighthill'sacoustic analogy method.Firstly，the effectiveness of these hybrid acoustic simulation methods is verified with present research results.Then，the simulation of four noise types is conducted，where the analysis is made respectively by sound power level，sound pressure level contours，and total sound pressure levels.It is seen that the relations between the four types and the relevant speed are all non-linear.Specifically，the major noise in the upstream is that from the flow-induced vibration of propellers，while the major noise in the downstream is the flow-induced noise of shells.Furthermore，the hydrodynamic noise induced by the shell is the major noise at low speed，and the hydrodynamic noise induced by the propellers gradually increases with the increase of speed.

underwater vehicle；Large Eddy Simulation（LES）；Lighthill's acoustic analogy；hydrodynamic noise；flow-induced noise；noise from the flow-induced vibration

U661.39

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.04.005

2014-11-04網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015-7-28 17:25:13

國(guó)家留學(xué)基金委資助項(xiàng)目（201406160032）；華中科技大學(xué)國(guó)防自主創(chuàng)新研究基金資助項(xiàng)目（01-18-140019）

王康，男，1989年生，碩士生。研究方向：流激噪聲，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。E-mail：274504943@qq.com劉國(guó)慶（通信作者），女，1991年生，碩士生。研究方向：流激噪聲，船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造。E-mail：liugq_2010@163.com張?jiān)侜t，男，1989年生，博士生。研究方向：流激噪聲，氣泡聲學(xué)。E-mail：zhangyo1989@gmail.com