船舶無空泡螺旋槳誘導(dǎo)噪聲研究現(xiàn)狀綜述

鄭虎

【摘 要】隨著船舶向大型化、高速化方向發(fā)展，其噪聲也越來越強(qiáng)烈。當(dāng)水下航行體航速比較高時，推進(jìn)器成為主要噪聲源。螺旋槳是整個推進(jìn)系統(tǒng)的一個主要組成部分，在艦船噪聲中占有重要地位。因此，在艦艇噪聲的分析研究中，開展螺旋槳噪聲的預(yù)報和控制研究很有必要。本文就船舶無空泡螺旋槳誘導(dǎo)噪聲研究展開探討。

【關(guān)鍵詞】螺旋槳;直接輻射噪聲;流噪聲;振動噪聲

引言

船舶振動不僅會影響船上人員的舒適性、危害人體健康，也會引起船舶局部結(jié)構(gòu)疲勞損傷和設(shè)備的損壞，危害航行安全;同時對于軍用艦艇而言，振動及其所輻射的噪聲更是大大降低其隱蔽性，對艦艇生命構(gòu)成嚴(yán)重威脅。在船舶上出現(xiàn)的有害振動中，80%的案例是由螺旋槳激振力所引起的，作為船舶的主要振動與噪聲源之一，有必要對其進(jìn)行探討和研究。

1螺旋槳離散譜噪聲

螺旋槳離散譜噪聲是整個螺旋槳噪聲中較為確定的部分，無論激發(fā)機(jī)理還是計算的理論依據(jù)都較為明確，對它的研究最早也最多，大部分螺旋槳噪聲的計算方法都是針對離散譜噪聲的。如結(jié)合非定常升力面理論和聲學(xué)方法得到螺旋槳低頻線譜噪聲，其基本思想是根據(jù)勢流理論，利用Green定理求出槳葉拱弧面上的壓力分布作為噪聲源，從頻域出發(fā)計算得到噪聲。后經(jīng)改進(jìn)，證實(shí)采用非定常面元法與聲學(xué)方法結(jié)合精度更高，該方法直接將噪聲源分布在真實(shí)的螺旋槳表面而非螺旋槳的拱弧面，對噪聲源和觀測點(diǎn)的距離沒有作任何近似。同時，也利用基于速度勢的面元法和噪聲預(yù)報方法對螺旋槳非空泡線譜噪聲進(jìn)行了研究。綜上所述，盡管國內(nèi)已經(jīng)建立了螺旋槳離散譜噪聲預(yù)報方法，但是，由于模型試驗中難以分離該噪聲分量，其真正量級目前尚未獲得模型試驗證實(shí)。鑒于螺旋槳的非定常推力脈動成分的量級非常小，通常是平均值的百分之幾甚至千分之幾，故難以測量，然而正是這脈動量引起了低頻離散譜噪聲。值得慶幸的是，目前通過試驗已經(jīng)能夠測試得到螺旋槳模型離散譜噪聲的源項一非定常脈動力從而實(shí)現(xiàn)了螺旋槳離散譜噪聲預(yù)報方法的一種試驗驗證。螺旋槳非定常脈動力有6個分量，包括葉頻及其諧頻的周期性非定常力，也包括非周期的低頻寬帶力。研究表明，無空泡情形下，在激起船后螺旋槳低頻線譜噪聲的各因素中，起最主要作用的是槳盤面上來流不均勻所形成的推力脈動。

2螺旋槳激勵船體振動噪聲

2.1理論預(yù)報方法

合理有效的螺旋槳力學(xué)模型的建立是進(jìn)行理論研究的關(guān)鍵，為使得建立的力學(xué)模型符合實(shí)際且盡可能多的考慮其影響因素，國內(nèi)外學(xué)者均開展了較多的研究與探討，目前主要提出了有升力線法、升力面法以及面元法三種方法。（1）升力線法是發(fā)展與應(yīng)用較早的一種方法，在上世紀(jì)70年代已被提出，主要應(yīng)用于敞水槳性能預(yù)報。同時，采用升力線法可以獲得單槳葉推力、脈動轉(zhuǎn)矩、推力偏心位置以及偏心角，這也為計算螺旋槳軸承力提供了外力參考。升力線法是在機(jī)翼理論的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，其實(shí)質(zhì)是在已知螺旋槳幾何外形以及進(jìn)速系數(shù)的前提下，通過求解環(huán)量分布以獲得其敞水性能的過程。由于其槳葉通過升力線代替的緣故，升力線法僅能描述載荷沿槳葉徑向的分布規(guī)律，而周向載荷以及其它信息則需要通過二元機(jī)翼理論方可獲取。同時，由于該方法采用了較多的假設(shè)條件，使得其不具備滿足物面的邊界條件，不能進(jìn)行準(zhǔn)確的三維模擬，與實(shí)際船槳信息相去甚遠(yuǎn)，其預(yù)報精度往往難以令人滿意，由此引入修正因子的升力面思想應(yīng)運(yùn)而生。（2）升力面法是在升力線理論的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，考慮了槳葉厚度以及槳毅帶來的三維影響，其離散方法包括有VLM法，加速度勢法以及QCM法等。升力面法有著較為全面與嚴(yán)格的邊界條件要求，包括槳毅與槳葉物面邊界、尾渦面條件、流場渦量守恒以及隨邊庫塔條件等。采用升力面法進(jìn)行分析時，螺旋槳被視為相同形狀的薄翼組合，在無粘的不可壓無限流場中旋轉(zhuǎn)，雖然能夠描述壓力在槳葉上的分布情況，但卻無法直接考慮槳葉厚度帶來的影響，只能對其進(jìn)行近似處理。這種近似處理在分析槳葉普通位置時尚可，但對于槳毅以及導(dǎo)邊等剖面較厚的位置，卻往往會導(dǎo)致較大誤差，其計算精度難以滿足工程應(yīng)用要求。（）3面元法是邊界元方法中的一種，在解決實(shí)際問題時，可依據(jù)其基本形式的不同將面元法分為兩類：速度勢面元法和速度面元法，其中速度勢面源法在分析船槳問題方面有著廣泛的應(yīng)用。相較于升力線法與升力面法，面元法對三維外形的模擬更為準(zhǔn)確合理，特別是針對槳毅、導(dǎo)邊以及葉梢等復(fù)雜區(qū)域的處理更符合實(shí)際，同時面元法在理論上更為完善，其適用范圍也更廣。大量的研究結(jié)果表明，在非線性等壓庫塔條件的前提下，低階速度勢面元法對于求解螺旋槳脈動壓力具有較好的適用性。

2.2螺旋槳激勵船體振動聲輻射控制技術(shù)

研究螺旋槳激勵船體振動特性，其目的是指導(dǎo)振動控制措施的設(shè)計并評估控制效果。目前的控制措施大體可分為控制激勵源和控制振動傳遞兩類?？刂萍钤吹木唧w方式有改善伴流分布，優(yōu)化螺旋槳設(shè)計等。實(shí)踐證明，伴流場的不均勻性是槳葉非定常流動現(xiàn)象的根源，因此改善伴流分布，使其盡可能均勻的措施最為有效，是一種治本的方法，如提出優(yōu)化艉部線型、使用多體船型、吊艙推進(jìn)器及導(dǎo)管等;提出在艉部安裝部分導(dǎo)管或鰭等導(dǎo)流裝置，以降低船尾伴流場不均勻程度，減小螺旋槳激振力。在伴流分布已不能進(jìn)一步改善的情況下，可改進(jìn)螺旋槳設(shè)計，使其適應(yīng)于伴流分布，如分析大側(cè)斜螺旋槳的減振效果，認(rèn)為使用大側(cè)斜螺旋槳可將船體總振動水平降低50%。控制振動傳遞則是一種治標(biāo)的方法，通常在激勵源控制不能達(dá)到理想效果時采用，如介紹在螺旋槳上方安裝彈性結(jié)構(gòu)，在支撐軸承處安裝彈性單元以控制螺旋槳激振力傳遞的方法，實(shí)船試驗表明，上述兩種方法可分別降低船體振動7～15dB和6～8dB。

2.3船體表面脈動壓力模型及實(shí)船測試

模型試驗是現(xiàn)階段預(yù)報螺旋槳誘導(dǎo)脈動壓力精度最高并且最有效的方法。盡管理論計算和經(jīng)驗公式在預(yù)報脈動壓力中也有廣泛的應(yīng)用，但它們的預(yù)報體系方法還不完善，很多的局限性導(dǎo)致預(yù)報結(jié)果的不準(zhǔn)確。模型試驗的結(jié)果經(jīng)過歸納和總結(jié)可對其他手段預(yù)報的結(jié)果進(jìn)行修正。常規(guī)空泡水筒、允許放入完整船模的大工作段空泡水筒和具有自由液面減壓拖曳水池是預(yù)報脈動壓力的主要設(shè)備。模型試驗受很多因素影響，例如，水筒中空氣含量（氣核情況、水質(zhì)情況）、伴流模擬、轉(zhuǎn)速選定、空化數(shù)選取基準(zhǔn)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。螺旋槳激振力的實(shí)船測試與模型試驗的要求是相同的。實(shí)船測試的結(jié)果主要由兩個方面組成：螺旋槳脈動壓力和船體結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的脈動力。處理測試數(shù)據(jù)時應(yīng)該將船體結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的脈動力去掉。在船上不同位置用激振器激勵時，船體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與壓力基本上呈線性關(guān)系。

結(jié)語

在以往的研究中，螺旋槳直接輻射噪聲和激勵船體振動的噪聲通常是分離的，因此，亟須在研究螺旋槳直接輻射噪聲的同時，考慮螺旋槳真實(shí)激勵特性，進(jìn)一步開展螺旋槳激勵船體振動噪聲的研究，綜合船舶無空泡螺旋槳誘導(dǎo)噪聲中各種成分的影響，形成一種更加全面、精度更高的預(yù)報和分析方法。

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（作者單位：揚(yáng)州中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司）