螺旋槳空化對噪聲調(diào)制特征影響研究

李 陽，何 琳，崔立林，徐榮武

(1. 海軍工程大學(xué) 振動(dòng)與噪聲研究所，湖北 武漢 430033；2. 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430033)

0 引 言

螺旋槳空化噪聲是艦艇在中高速航行時(shí)的主要噪聲源，是導(dǎo)致艦艇暴露的重要原因[1]。隨著當(dāng)前艦艇向高速化發(fā)展，空化現(xiàn)象在航行時(shí)出現(xiàn)更為頻繁，對螺旋槳空化的檢測引起了人們的廣泛關(guān)注。當(dāng)前實(shí)船螺旋槳空化的檢測通常采用聲學(xué)手段，通過分析螺旋槳噪聲中高頻帶的能量變化確定空化是否出現(xiàn)，這種方法簡單易行，但在環(huán)境變化和背景噪聲起伏時(shí)，檢測的準(zhǔn)確度會(huì)下降。由于空化噪聲的高度非線性和復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)空化狀態(tài)的準(zhǔn)確識別往往需要結(jié)合聲信號的多方面特征。

幅度調(diào)制是包含螺旋槳在內(nèi)的旋轉(zhuǎn)類設(shè)備噪聲信號的重要特性，螺旋槳噪聲的調(diào)制特征通常與目標(biāo)識別和狀態(tài)評估聯(lián)系在一起[2]。國內(nèi)外很多學(xué)者對調(diào)制現(xiàn)象的成因、調(diào)制譜結(jié)構(gòu)、建模方法以及特征提取方法開展了大量研究[3–8]，而對調(diào)制特征與空化發(fā)展之間關(guān)系沒有明確的定論。

本文結(jié)合實(shí)船數(shù)據(jù)，運(yùn)用小波包和解調(diào)技術(shù)，提取了螺旋槳噪聲信號中的調(diào)制信息，并分析調(diào)制特征與空化發(fā)展之間的關(guān)系，旨在為螺旋槳空化的檢測提供參考依據(jù)。

1 調(diào)制特征及提取方法

1.1 螺旋槳噪聲的調(diào)制特征

艦船螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)、船尾不均勻流場中空泡崩潰的周期性或準(zhǔn)周期性成分，使得在螺旋槳噪聲中存在著“節(jié)奏”式的幅度調(diào)制，即噪聲強(qiáng)度隨著時(shí)間有規(guī)律的起伏，調(diào)制包絡(luò)是慢變化的周期或準(zhǔn)周期性過程，并為寬帶艦船噪聲所填充[9]。

文獻(xiàn)[3]將艦船噪聲看作具有隨機(jī)幅度、相同形狀和重復(fù)周期的脈沖性隨機(jī)過程處理，推導(dǎo)了非均勻多葉調(diào)制包絡(luò)的功率譜，以4葉調(diào)制為例，其表達(dá)式為：

從式（1）可以看出調(diào)制譜受脈沖幅值影響的同時(shí)還與脈沖的能量譜有關(guān)。

文獻(xiàn)[4]從螺旋槳自身結(jié)構(gòu)、尾流因素對空化的影響出發(fā)，對空化噪聲調(diào)制解調(diào)譜進(jìn)行推導(dǎo)，得到其表達(dá)式為：

由式（1）和式（2）可以看出，空化噪聲包絡(luò)譜由連續(xù)譜和與軸頻對應(yīng)的線譜組成，空化發(fā)展過程中噪聲信號的脈沖參數(shù)變化和空泡半徑變化等因素會(huì)對包絡(luò)譜特性產(chǎn)生影響。本文主要討論空化發(fā)展過程中與包絡(luò)譜中線譜相關(guān)的特性變化。

1.2 調(diào)制特征提取方法

文獻(xiàn)[8]對當(dāng)前艦船噪聲調(diào)制特征的提取方法進(jìn)行介紹和仿真分析，結(jié)合空化噪聲的寬帶特性，從工程實(shí)用角度，本文選取檢波濾波法進(jìn)行空化噪聲的包絡(luò)譜分析。

對于一單頻調(diào)制的信號：

選取合適的參數(shù)對信號進(jìn)行檢波濾波，即可得到包含調(diào)制頻率的信號：

對于空化噪聲這類寬帶噪聲信號，其載波包含較大的頻率范圍，其中較低的頻率會(huì)對解調(diào)后頻率成分產(chǎn)生干擾，因此在進(jìn)行檢波濾波前需要進(jìn)行選頻處理。

針對螺旋槳空化噪聲寬帶非平穩(wěn)特征及實(shí)船噪聲干擾多、信噪比低的特點(diǎn)，利用小波包分析原理對螺旋槳噪聲信號進(jìn)行重構(gòu)，得到反映螺旋槳空化特性的空化特征信號。

小波包分析包含分解及重構(gòu)算法，正交小波包分解遞歸算法為：

小波包分解系數(shù)重構(gòu)算法為：

結(jié)合小波包選頻和檢波濾波方法，本文螺旋槳噪聲調(diào)制特征提取步驟如圖1所示。

2 螺旋槳噪聲測量試驗(yàn)

為研究螺旋槳噪聲信號調(diào)制特征與空化發(fā)展之間的關(guān)系，在某試驗(yàn)船上開展多工況下的螺旋槳噪聲測量試驗(yàn)。試驗(yàn)海區(qū)海況平穩(wěn)，近距離范圍內(nèi)無其他水面船只，環(huán)境干擾因素小。

該試驗(yàn)船螺旋槳為5葉大側(cè)斜槳，可利用船上安裝的空化監(jiān)測試驗(yàn)裝置采集螺旋槳自噪聲信號，試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

水聽器位于船體尾部結(jié)構(gòu)上，可實(shí)時(shí)采集螺旋槳部位的噪聲信號，采樣頻率102.4 kHz，最大量程達(dá)180 dB（參考聲壓1 μPa），滿足試驗(yàn)過程中的測量需求。

試驗(yàn)過程如下：試驗(yàn)船只按照規(guī)定轉(zhuǎn)速在海區(qū)內(nèi)直線航行，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后采集螺旋槳噪聲數(shù)據(jù)。起始轉(zhuǎn)速為n r/min，轉(zhuǎn)速間隔為2 r/min，共進(jìn)行轉(zhuǎn)速從n～n+30的16組測試，每組測試數(shù)據(jù)長度約為40 s。結(jié)合該試驗(yàn)船前期測試信息，該轉(zhuǎn)速區(qū)間包含螺旋槳空化起始階段。

3 數(shù)據(jù)處理及調(diào)制特征分析

3.1 空化特征信號重構(gòu)

實(shí)船航行時(shí)機(jī)械噪聲干擾會(huì)對空化特征的分析造成影響。機(jī)械噪聲集中在低頻，而空化噪聲由低頻線譜和高頻連續(xù)譜構(gòu)成，選取合適的節(jié)點(diǎn)信號進(jìn)行重構(gòu)，提取空化噪聲中的高頻成分用以反映空化狀態(tài)，可以有效避免機(jī)械噪聲帶來的干擾。

根據(jù)空化噪聲信號的瞬變特性，選用Daubechies系列小波中的db4小波基對采集到的螺旋槳噪聲進(jìn)行小波包分解，利用小波包分解系數(shù)對信號進(jìn)行重構(gòu)得到節(jié)點(diǎn)信號。

定義能量分布系數(shù)：

3.2 空化狀態(tài)判斷

實(shí)船測試中無法通過直接觀察判斷螺旋槳的空化狀態(tài)，需要利用間接的手段獲取相關(guān)信息。在海況平穩(wěn)、背景噪聲干擾較小時(shí)，可以通過中高頻帶的信號能量變化情況評估螺旋槳的實(shí)際空化狀態(tài)。圖4為空化特征信號能量級隨轉(zhuǎn)速的變化曲線。

圖中在轉(zhuǎn)速n + 12 r/min后曲線斜率出現(xiàn)增大，由文獻(xiàn)[10]中臨界轉(zhuǎn)速的判別方法2可知，該試驗(yàn)船的臨界轉(zhuǎn)速約為n + 12 r/min，據(jù)此將試驗(yàn)數(shù)據(jù)分成表1中的3組，便于對比分析。圖5為螺旋槳不同空化狀態(tài)下原始信號波形和經(jīng)過小波包重構(gòu)得到的空化特征信號波形?？梢钥闯雠c原始信號相比，不同組別下重構(gòu)的信號幅值、脈沖等特征存在顯著變化，說明了空化特征信號重構(gòu)方法的正確性。

3.3 包絡(luò)譜提取與分析

由式（7）知重構(gòu)信號S頻帶范圍為6.4～38.4 kHz，根據(jù)螺旋槳軸頻、葉頻及低階倍頻的頻率范圍，選取合適參數(shù)對重構(gòu)信號S進(jìn)行絕對值變換、低通濾波，得到空化特征信號的包絡(luò)，對包絡(luò)進(jìn)行譜分析，提取出與軸頻、葉頻相關(guān)的頻率成分。

部分工況下包絡(luò)時(shí)域波形和包絡(luò)譜如圖6所示，圖中圖6（a）～圖6（d）對應(yīng)的轉(zhuǎn)速依次增加。為便于工況圖像的對比并顯示更多細(xì)節(jié)，圖6（a）和圖6（b）、圖6（c）和圖6（d）對應(yīng)的縱坐標(biāo)范圍一致。

表 1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分組Tab. 1 Cavitation state of each test set

從包絡(luò)時(shí)域信號可以看出，在未發(fā)生空化時(shí)，包絡(luò)信號波形接近單頻信號，如圖6（a）所示，說明此時(shí)空化特征信號中存在著明顯的幅度調(diào)制。隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速的提高，包絡(luò)信號中出現(xiàn)脈沖，引起波形的畸變，信號仍具有明顯的周期性，如圖6（b）所示。當(dāng)空化程度進(jìn)一步加深時(shí)，相互重疊的脈沖使得包絡(luò)信號波形又恢復(fù)至接近單頻信號，如圖6（c）和6（d）所示。

各工況下包絡(luò)譜中線譜均與螺旋槳軸頻相對應(yīng)，這與大側(cè)斜槳的軸頻調(diào)制明顯、葉頻調(diào)制減弱的特性相符，驗(yàn)證解調(diào)方法的準(zhǔn)確性。在未發(fā)生空化時(shí)，包絡(luò)譜中只存在與軸頻對應(yīng)的線譜，如圖6（a）所示。在空化起始階段包絡(luò)譜中出現(xiàn)明顯的諧波分量，如圖6（b）所示，這與空化初期空泡分布不均勻，空泡在旋轉(zhuǎn)周期的特定時(shí)刻發(fā)生潰滅，引起波形的畸變相關(guān)，這一現(xiàn)象在包絡(luò)時(shí)域信號中有著具體的體現(xiàn)。同時(shí)可以觀察到，當(dāng)空化程度進(jìn)一步加深時(shí)，軸頻線譜幅值增加，同時(shí)諧波分量相對軸頻明顯減弱，如圖6（c）和6（d）所示。

可以看出在未發(fā)生空化的轉(zhuǎn)速下，調(diào)制程度保持在較低的水平，當(dāng)空化出現(xiàn)之后，調(diào)制程度隨空化的發(fā)展出現(xiàn)明顯的增大，代表著與螺旋槳軸頻相對應(yīng)的能量起伏程度隨著空化的發(fā)展而變化。該曲線與圖4中高頻帶能量隨轉(zhuǎn)速變化曲線具有較好的對應(yīng)關(guān)系，因此調(diào)制程度的變化可以作為監(jiān)測螺旋槳空化狀態(tài)的參量。

4 結(jié) 語

1）空化現(xiàn)象出現(xiàn)的前后，在螺旋槳噪聲的中高頻段均存在幅度調(diào)制，同時(shí)調(diào)制特征變化與空化的發(fā)生有關(guān)；

2）在空化發(fā)展初期，由于信號中脈沖的作用，包絡(luò)譜中出現(xiàn)明顯的諧波成分，包絡(luò)譜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；

3）螺旋槳噪聲在中高頻段的調(diào)制程度也可以作為空化監(jiān)測的參量：在一定范圍內(nèi)，隨著空化的發(fā)展，調(diào)制程度增強(qiáng)，且調(diào)制程度隨轉(zhuǎn)速變化曲線與中高頻段能量隨轉(zhuǎn)速變化曲線的趨勢較為吻合。