螺旋槳空化噪聲對(duì)潛艇航行隱蔽性影響分析

胡 坤，何 斌，黃海峰，孫 奎

(海軍潛艇學(xué)院山東青島266199)

0 引 言

螺旋槳噪聲是潛艇在中、高速航行時(shí)的主要噪聲源，即使?jié)撏б暂^低的速度航行時(shí)，螺旋槳噪聲也是潛艇總噪聲的重要貢獻(xiàn)之一[1]。螺旋槳噪聲是由于螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)引起，它產(chǎn)生于潛艇艇體之外，因此螺旋槳噪聲與艇體內(nèi)部的機(jī)械噪聲有著顯著不同的頻譜特征。

一般來(lái)說(shuō)，螺旋槳噪聲主要由螺旋槳葉片振動(dòng)和螺旋槳空化產(chǎn)生的。其中的螺旋槳葉片振動(dòng)一般由2種力引起，一種是螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的流體擾動(dòng)力，另一種力是由于機(jī)械裝置振動(dòng)經(jīng)軸系傳遞到潛艇尾部的螺旋槳而產(chǎn)生的。螺旋槳空泡的成因也包括2種，一是當(dāng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，在螺旋槳的葉片附近會(huì)產(chǎn)生空泡；二是螺旋槳旋轉(zhuǎn)后會(huì)產(chǎn)生泄出渦，在泄出渦的渦中心也會(huì)產(chǎn)生空泡[2]。隨著空泡的不斷生成與破裂，會(huì)產(chǎn)生對(duì)潛艇隱蔽性影響非常顯著的螺旋槳空化噪聲。

作為潛艇高頻輻射噪聲的重要組成部分，螺旋槳空化噪聲對(duì)潛艇航行隱蔽性的影響較之葉片振動(dòng)噪聲更加顯著，潛艇水下航行一旦產(chǎn)生螺旋槳空化噪聲，將極大增加潛艇被敵發(fā)現(xiàn)的暴露概率。因此，研究螺旋槳空化噪聲對(duì)潛艇航行隱蔽性影響對(duì)于研究潛艇低噪聲航行操縱方法的作戰(zhàn)運(yùn)用具有重要的參考意義。

1 潛艇螺旋槳噪聲源

圖1為模型潛艇在潛望深度航行時(shí)（深度9m左右），螺旋槳噪聲和潛艇總的輻射噪聲比較圖。

從圖中可以看出，高速航行時(shí)（航速在7kn以上），潛艇的總輻射噪聲曲線和螺旋槳噪聲曲線非常接近，高頻部分（10～30kHz）的噪聲基本完全是螺旋槳噪聲；低速航行時(shí)（航速在7kn以下），潛艇的總輻射噪聲和螺旋槳噪聲有一定差異，主要是因?yàn)殡S著潛艇航速的降低，螺旋槳噪聲會(huì)顯著下降，這時(shí)的總輻射噪聲主要是潛艇內(nèi)部的機(jī)械噪聲。通過(guò)圖1的螺旋槳噪聲與潛艇總噪聲的比較說(shuō)明，無(wú)論是中高速還是低速航行，螺旋槳噪聲都是潛艇總輻射噪聲的重要組成部分。

1.1 葉面空化噪聲

螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，海水以均勻速度VA并以攻角α流向螺旋槳槳葉切面，顯然，流經(jīng)槳葉切面葉背上的水流速度為VB大于VA，流經(jīng)槳葉切面葉面上的水流速度為VC小于VA。根據(jù)伯努利方程：

并由前面分析可知，VC大于VB，因此根據(jù)式（1），葉背處為低壓區(qū)，其壓力PB小于靜水壓力P0，葉面處為增壓區(qū)，其壓力PC大于靜水壓力P0。

圖2 葉面流Fig.2 Flow on the leaf

一般認(rèn)為，當(dāng)槳葉切面上B點(diǎn)處的壓力PB下降至當(dāng)前水溫下的飽和蒸汽壓力（或稱汽化壓力，水溫與飽和蒸汽壓力之間的關(guān)系可參見表1）PV時(shí)，該處水即開始發(fā)生汽化現(xiàn)象從而形成空泡[3]。因此，螺旋槳槳葉切面上B點(diǎn)產(chǎn)生空泡的條件可以設(shè)定為如下條件：

表1 不同水溫下飽和蒸汽壓力表Tab.1 Saturated steam pressure gauge at different water temperatures

若令無(wú)量綱系數(shù)為：

則產(chǎn)生空泡的條件可改寫成：

式中，δ為衡量槳葉上某處是否發(fā)生空泡的系數(shù)，故常稱為空泡系數(shù)。

1.2 渦空化噪聲

所謂渦即是旋轉(zhuǎn)的流，在螺旋槳的尾流中，常常會(huì)產(chǎn)生與升力和阻力有關(guān)的渦系[4–5]。由于旋轉(zhuǎn)和離心力的作用，旋渦內(nèi)的壓力會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于旋渦外的海水壓力，并且壓力下降與渦的強(qiáng)度呈現(xiàn)正相關(guān)性，當(dāng)渦內(nèi)的壓力小于當(dāng)前水溫下的飽和蒸汽壓力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生空化氣泡。由于螺旋槳渦系在潛艇航行的各種深度下是普遍存在的，所以渦空化噪聲通常是重要的空化噪聲源。

當(dāng)潛艇尾部的螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在螺旋槳槳葉的隨邊會(huì)產(chǎn)生泄出渦（也稱自由渦），如圖3所示。從渦空化示意圖中可明顯看到，泄出渦產(chǎn)生后在不遠(yuǎn)處會(huì)形成2個(gè)交織的旋渦。潛艇航行過(guò)程中，螺旋槳的運(yùn)動(dòng)可以分解為2種運(yùn)動(dòng)，一是本身的圓周運(yùn)動(dòng)，二是螺旋槳隨潛艇直航時(shí)向前的運(yùn)動(dòng)。因此螺旋槳的實(shí)際運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)螺旋形狀，所以說(shuō)在螺旋槳槳葉的隨邊產(chǎn)生的泄出渦也會(huì)呈現(xiàn)螺旋狀。用環(huán)流理論來(lái)解決螺旋槳問(wèn)題時(shí)，一般采用升力面方法，這種方法用離散化的、集中在螺旋槳拱弧面網(wǎng)格上的渦元及源元近似地代替槳葉上連續(xù)分布的渦及源匯。對(duì)每個(gè)奇點(diǎn)元，首先求出每個(gè)奇點(diǎn)元的誘導(dǎo)速度，然后對(duì)有限個(gè)基本解進(jìn)行迭加，即可得出控制點(diǎn)處產(chǎn)生的總誘導(dǎo)速度[6–7]。

圖3 渦空化示意圖Fig.3 Diagram of vortex cavitation

理論分析和實(shí)艇試驗(yàn)表明[8]，螺旋槳葉梢渦空化較葉根渦空化更易產(chǎn)生，且是渦空化噪聲的主要噪聲源。文獻(xiàn)[9]的計(jì)算方法計(jì)算潛艇螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的泄出渦內(nèi)的壓力降值。根據(jù)海水的汽化壓力從而確定螺旋槳不同工況下的臨界空化深度。表2為模型潛艇主機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)工作制下數(shù)值計(jì)算得出的不同深度臨界空化速度值和螺旋槳轉(zhuǎn)速值?？梢钥闯?，深度95m時(shí)，潛艇航速達(dá)到10kn（螺旋槳轉(zhuǎn)速119r/min）時(shí)，螺旋槳產(chǎn)生空化現(xiàn)象；潛艇浮至9m時(shí)，潛艇在4kn航速（螺旋槳轉(zhuǎn)速280r/min）時(shí)就會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象。可以看出，潛艇的航行深度越小，螺旋槳臨界空化速度越小?？梢姡瑵撏г浇咏Ｃ?，越容易產(chǎn)生空化現(xiàn)象。圖4為臨界空化速度計(jì)算值和試驗(yàn)值的比較，可以看出，本文計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相比是非常接近的。

表2 不同潛深下的螺旋槳臨界空化速度值Tab.2 The critical cavitation velocity of the propeller at different submergence depths

圖4 臨界空化速度實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值比較Fig.4 Ratio of experimental value to calculated value of critical cavitation velocity

潛艇在航行過(guò)程中，任何狀態(tài)的改變（如變向、變速、變深以及姿態(tài)改變等）勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致潛艇艇體及尾部螺旋槳周圍的海水流場(chǎng)發(fā)生改變，更進(jìn)一步還會(huì)影響螺旋槳臨界空化速度。本文將潛艇最大小噪聲航速限定為0.8倍的螺旋槳臨界空化速度，如表2所示。文獻(xiàn)[9]指出，這樣可有效地抑制空化噪聲。表3為計(jì)算得出的不同深度最大小噪聲航速。

表3 不同深度最大小噪聲航速值Tab.3 Maximum noise speed values at different depths

2 潛艇螺旋槳噪聲特性分析

2.1 進(jìn)推比對(duì)臨界速度的影響

隨著潛艇航行時(shí)間的增加，艇內(nèi)機(jī)械設(shè)備隨著工作時(shí)間的增加會(huì)不斷損耗。另外附著在艇體表面的海中水生物也會(huì)日益增多，因此螺旋槳進(jìn)推比會(huì)隨著潛艇服役時(shí)間的增長(zhǎng)產(chǎn)生比較大的變化，因此明確螺旋槳進(jìn)推比對(duì)潛艇臨界航速的影響也是非常必要的。

進(jìn)程hp與潛艇螺旋槳直徑D的比值稱為進(jìn)推比[10]，以J來(lái)表示，即

式中，進(jìn)程hp為潛艇進(jìn)速VA與螺旋槳轉(zhuǎn)數(shù)n的比值：

螺旋槳進(jìn)推比越大，說(shuō)明潛艇遇到的阻力越??；相反，若螺旋槳進(jìn)推比越小，則表示潛艇遇到的阻力越大。圖5為進(jìn)推比分別等于0.41和0.52時(shí)某型潛艇的空化速度的曲線?？梢钥闯觯M(jìn)推比降低，會(huì)導(dǎo)致螺旋槳空化明顯加劇，即在同一航速下，臨界空化深度變大；在同一深度下，臨界空化速度變小。這就要求潛艇經(jīng)常除垢除銹，保持艇體表面的清潔，以減小艇體的阻力，增加進(jìn)推比。

2.2 異常深度效應(yīng)

圖6為某型潛艇噪聲與深度關(guān)系的實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從圖中可見，高頻噪聲級(jí)有一個(gè)極大值（見螺旋槳轉(zhuǎn)速為380r/min時(shí)的曲線）。當(dāng)潛深較小時(shí)，海水壓力較低，這時(shí)潛艇噪聲級(jí)隨海水靜壓力的增加而升高。但是隨著潛艇速度的提高，噪聲可能會(huì)隨著潛深的增加而升高，而不是與預(yù)期的一樣隨著潛深的增加而降低，這種現(xiàn)象稱之為異常深度效應(yīng)。對(duì)異常深度效應(yīng)可以做如下解釋：當(dāng)海水靜壓力相對(duì)比較低時(shí)，隨著潛深的增加，海水靜壓力雖然會(huì)有所增加，但是靜壓力的增加不足以大到能夠抑制螺旋槳空化的發(fā)生，并且增加的靜壓力反而使生成的氣泡加速破裂，最終會(huì)使得高于峰值頻率所輻射的能量有所增加。以上對(duì)螺旋槳空化噪聲的分析盡管稍顯簡(jiǎn)單，但仍然提供了得以說(shuō)明異常深度效應(yīng)，以及說(shuō)明與空化噪聲有關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一個(gè)合理的解釋。

圖5 潛艇進(jìn)推比與空化速度的關(guān)系圖Fig.5 The relation diagram of thrust ratio and cavitation velocity of submarine

圖6 深度對(duì)潛艇螺旋槳空化噪聲的影響Fig.6 Influence of depth on cavitation noise of Submarine propeller

為了降低潛艇被發(fā)現(xiàn)概率，在實(shí)際的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)中，滿足水文條件的前提下，潛艇的航行深度應(yīng)盡量選擇在能夠抑制螺旋槳空化的深度，但應(yīng)充分考慮異常深度效應(yīng)，否則，結(jié)果可能會(huì)適得其反。如在35m深度以6kn速度航行，此航速下的臨界深度為55m。此時(shí)為達(dá)到戰(zhàn)術(shù)目的，需保持6kn航速。為了減小空化噪聲能級(jí)，下潛到45m深度仍以6kn航行，由于異常深度效應(yīng)，螺旋槳空化噪聲能級(jí)可能反而會(huì)增大。因此在實(shí)際操艇過(guò)程中，為保持隱蔽，應(yīng)以某深度下的最小噪聲航速航行，否則加大下潛深度至此航速下的臨界水深，避免因異常深度效應(yīng)而使?jié)撏П┞丁?/p>

3 空化前后敵我發(fā)現(xiàn)概率計(jì)算

根據(jù)螺旋槳空化產(chǎn)生前后的聲壓能級(jí)及作戰(zhàn)目標(biāo)的聲壓能級(jí)，對(duì)螺旋槳空化對(duì)潛艇被發(fā)現(xiàn)概率的影響進(jìn)行以下定量分析。作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)設(shè)置如下：

研究對(duì)象為模型潛艇；

作戰(zhàn)對(duì)象為模型驅(qū)逐艦；

1）陣地

寬度=巡邏長(zhǎng)度+2倍聲吶作用距離；

長(zhǎng)度=2倍的本艇聲吶作用距離。

2）潛艇在陣地內(nèi)作往返式機(jī)動(dòng)，機(jī)動(dòng)過(guò)程中潛艇聲吶全時(shí)開機(jī)值更，機(jī)動(dòng)深度設(shè)定為35m，速度設(shè)定為未空化前 3.5kn 及空化后 5kn。

3）水面艦船的初始狀態(tài)為：航速18kn，航向隨機(jī)產(chǎn)生，初始位置距我潛艇初始位置點(diǎn)的距離為我聲吶2倍作用距離。

聲吶方程反映了聲吶的觀測(cè)能力[11–12]。在觀測(cè)過(guò)程中聲吶使用主、被動(dòng)工作方式。

被動(dòng)聲吶方程為：

主動(dòng)方程為：

式中：SL為目標(biāo)輻射噪聲聲源級(jí)。由目標(biāo)艦艇產(chǎn)生的機(jī)械噪聲、螺旋槳空化噪聲和水動(dòng)力噪聲組成；TL為聲傳播損失，聲能在海水介質(zhì)中傳播時(shí)的能量損失；NL為自噪聲，本艇產(chǎn)生的噪聲；DI為方向性指數(shù)，反映水聽器從噪聲背景下提取信號(hào)的能力，指向水聽器輸出信噪比比無(wú)指向水聽器輸出信噪比提高的分貝數(shù)；模型驅(qū)逐艦的拖曳線列陣的長(zhǎng)度設(shè)置為100m，DI值為35dB，模型潛艇的DI值設(shè)置為25dB。DT為檢測(cè)閾，指觀察者在預(yù)定檢測(cè)概率下剛剛能夠判決目標(biāo)存在時(shí)，作用于聲吶接受機(jī)輸入端的以分貝表示的輸入信噪比：

在同樣發(fā)現(xiàn)概率50%條件下，DT值與信號(hào)處理技術(shù)水平、聲吶兵技術(shù)水平、訓(xùn)練水平及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。文中模型驅(qū)逐艦的DT值設(shè)為2dB，某型潛艇聲吶的DT值設(shè)置為5dB。

TS為目標(biāo)反射強(qiáng)度，反映回波信號(hào)的強(qiáng)弱。與目標(biāo)的幾何形狀有關(guān)。

由聲吶方程可以看出聲吶發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率取決于目標(biāo)特性、信號(hào)傳輸信道和判決系統(tǒng)，所以觀察發(fā)現(xiàn)模型包括目標(biāo)模型、信道模型和檢測(cè)模型組成。在對(duì)抗中雙方都在搜索對(duì)方，以上所述模型適應(yīng)于模擬雙方。

傳播損失模型：

其中，α=0.01458。

下面是模型驅(qū)逐艦和模型潛艇的一組輻射噪聲數(shù)據(jù)：

模型驅(qū)逐艦SL 為 138dB（18kn 航速）；

模型潛艇SL 為 130dB（3.5kn 航速）；

147dB（5kn 航速）。

若水面艦艇采用主動(dòng)搜索方式，需計(jì)算潛艇的反射強(qiáng)度。一般目標(biāo)的反射強(qiáng)度可用蝴蝶形分布曲線近似表示：

根據(jù)模型及態(tài)勢(shì)，采用Visual C++進(jìn)行編程模擬計(jì)算，每種態(tài)勢(shì)模擬1000次。當(dāng)潛艇以空化產(chǎn)生前3.5kn航速航行時(shí)（該航速下螺旋槳還未產(chǎn)生空化現(xiàn)象），潛艇對(duì)敵方驅(qū)逐艦的搜索發(fā)現(xiàn)概率大約為27%，被敵方驅(qū)逐艦的發(fā)現(xiàn)概率為60%；當(dāng)潛艇以5kn航速航行時(shí)（該航速下螺旋槳已經(jīng)產(chǎn)生空化現(xiàn)象），潛艇對(duì)敵方驅(qū)逐艦的搜索發(fā)現(xiàn)概率約為7%，被敵方驅(qū)逐艦的發(fā)現(xiàn)概率約為82%?？梢钥闯?，螺旋槳空化前后對(duì)敵搜索發(fā)現(xiàn)概率大幅減小，同時(shí)被發(fā)現(xiàn)概率顯著增大，這足以說(shuō)明螺旋槳空化噪聲對(duì)潛艇隱蔽性影響之大。為應(yīng)對(duì)螺旋槳空化帶來(lái)的影響，潛艇指揮員應(yīng)時(shí)刻明確本艇當(dāng)前是否處于螺旋槳空化狀態(tài)。因此為保持隱蔽性，潛艇指揮員在操縱控制潛艇過(guò)程中，應(yīng)以不高于當(dāng)前深度下的最小小噪聲航速的速度進(jìn)行航行機(jī)動(dòng)。同時(shí)還要特別注意異常深度效應(yīng)的影響，避免由于異常深度效應(yīng)的影響而使?jié)撏г黾颖粩嘲l(fā)現(xiàn)的概率。

4 結(jié) 語(yǔ)

潛艇螺旋槳空化噪聲是影響潛艇隱蔽性的主要噪聲源之一，而速度是對(duì)潛艇螺旋槳空化噪聲影響最為顯著的因素，準(zhǔn)確計(jì)算出潛艇在不同深度下的臨界空化速度對(duì)提高潛艇的隱蔽性具有重要意義。通過(guò)本文的研究與分析，可以總結(jié)得出如下結(jié)論：

1）由于異常深度效應(yīng)的影響，有時(shí)加大下潛深度反而會(huì)使螺旋槳噪聲能級(jí)增加。為了抑制空化噪聲的產(chǎn)生，應(yīng)以不高于當(dāng)前深度下的最小小噪聲航速的速度進(jìn)行航行機(jī)動(dòng)。

2）潛艇在加速或轉(zhuǎn)向過(guò)程中，會(huì)使螺旋槳的尾部流場(chǎng)發(fā)生紊亂，從而使螺旋槳的環(huán)流發(fā)生變化，加速空化的產(chǎn)生。潛艇在跟蹤解算敵目標(biāo)要素時(shí)，應(yīng)盡量減少變向變速的次數(shù)，以降低加速過(guò)程中的輻射噪聲。

3）在潛望深度螺旋槳極易產(chǎn)生空化，潛艇對(duì)水面艦船進(jìn)行魚雷攻擊或進(jìn)行規(guī)避時(shí)，應(yīng)盡量避免在潛望深度進(jìn)行。戰(zhàn)時(shí)，潛艇在潛望深度航行時(shí)應(yīng)盡量采用經(jīng)航電機(jī)航行，減小螺旋槳空化噪聲。