對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳空化過程的噪聲解調(diào)譜特性研究

洪煜宸

（杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所聲吶技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012）

0 引言

對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳（Counter-Rotating Propeller，CRP）將兩個(gè)普通的螺旋槳嵌套在同心的軸上，前后槳葉轉(zhuǎn)向相反，屬于組合式推進(jìn)器，具有效率高、扭矩平衡、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，是水下航行器實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行的常用推進(jìn)方式之一。為研究對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳的解調(diào)譜特性，本文對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳的噪聲仿真模型進(jìn)行理論特征分析，通過螺旋槳輻射噪聲測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，獲取對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳在不同空化程度下的輻射噪聲數(shù)據(jù)，對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳噪聲數(shù)據(jù)的解調(diào)譜特性進(jìn)行分析；通過與輻射噪聲數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，完成對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳空化過程噪聲的解調(diào)譜特性研究。

1 對(duì)轉(zhuǎn)槳噪聲解調(diào)譜特性預(yù)報(bào)

1.1 對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳噪聲模型

目標(biāo)在航行過程中，其輻射噪聲特征與航行工況密切相關(guān)。通常，水動(dòng)力噪聲較小，常被機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲掩蓋［1］。當(dāng)目標(biāo)航速較低或航深較深時(shí)，目標(biāo)螺旋槳不易發(fā)生空化，目標(biāo)艦船航行于非空化狀態(tài)，螺旋槳噪聲較小，此時(shí)水下對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳槳葉壁面的湍流邊界層脈動(dòng)壓力呈現(xiàn)偶極子屬性，輻射效率最高，是主要輻射聲源；而螺旋槳發(fā)生空化，其輻射噪聲將急劇增加，覆蓋部分機(jī)械噪聲，此時(shí)單極子螺旋槳空化噪聲占主要地位。

對(duì)轉(zhuǎn)槳的輻射噪聲一般由前后槳互相干涉形成的噪聲和非均勻諧波流場(chǎng)作用下的輻射噪聲兩部分組成?？栈肼晛碓从诳栈莸纳膳c潰滅，引起槳葉表面的流體體積變化，屬于單極子屬性。從單個(gè)螺旋槳槳葉出發(fā)分析，有Goldstein 的聲相似方程［2-3］為

式中：dS(y)=dγ0dr0，r0為螺旋槳徑向，γ0表示槳葉在螺旋方向上離開0 時(shí)刻螺旋槳母線位置的距離，方向與聲源運(yùn)動(dòng)方向相反，ξ0垂直于r0和γ0；G表示格林函數(shù)，ρ0表示水中密度，vn表示螺旋槳表面流體速度的法向分量，Tij表示lighthill應(yīng)力張量，P(x,t)為場(chǎng)點(diǎn)x處在t時(shí)刻的聲壓。

當(dāng)螺旋槳葉表面未出現(xiàn)空化時(shí)，作用在槳葉表面的非定常力源為主要發(fā)聲源，性質(zhì)為偶極子源。考慮前后槳相互作用效應(yīng)引起的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲，采用數(shù)學(xué)物理方法，經(jīng)過一系列的近似和推導(dǎo)［3］，可以得到前槳聲壓在后槳干涉下的表達(dá)式：

考慮周向諧波流場(chǎng)效應(yīng)對(duì)后槳的影響，前槳在諧波流場(chǎng)作用下的遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓為

同理可得后槳聲壓在前槳干涉下的表達(dá)式及后槳在諧波流場(chǎng)作用下的遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓。

式（2）中前后槳相互干涉作用的參數(shù)表示有：

式（3）中諧波流場(chǎng)作用的參數(shù)表示有：

式（2）～式（5）中：i=1 表示前槳，i=2 表示后槳；Ci表示槳葉片的弦長，Di表示螺旋槳的直徑，ni表示諧波數(shù)，Bi表示前后槳的葉片數(shù)，MCA,FA分別表示葉片的側(cè)斜和縱傾量，Φ,Φ(1),Φ(2)表示初始相位角，CLi,CLiωi分別代表前后槳相互干擾及流場(chǎng)干擾所引起的非定常升力系數(shù)，Mx表示前進(jìn)馬赫數(shù)，Mt表示槳葉梢旋轉(zhuǎn)馬赫數(shù)，ψ表示螺旋槳槳葉切面的形狀函數(shù)。

得到對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳總的線譜噪聲應(yīng)為式（2）、式（3）及后槳噪聲的疊加，即為

由于非空化與空化狀態(tài)下占主導(dǎo)地位的噪聲不同，單級(jí)子聲源中的tb·K2·Ψ(K)與螺旋槳的厚度和形狀相關(guān)，偶極子聲源kCLψ(k)/2 與聲源的負(fù)荷（升力）和形狀相關(guān)，據(jù)此可得空化狀態(tài)下對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳的噪聲模型，此處不再贅述。

1.2 對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳調(diào)制譜特性

相關(guān)研究表明［5］，螺旋槳空化前輻射噪聲較低且主要集中在低頻段，螺旋槳未發(fā)生空化時(shí)，其軸葉頻調(diào)制線譜不明顯，隨轉(zhuǎn)速提高，軸葉頻調(diào)制變清晰且諧波較多；螺旋槳完全空化后，空化后輻射噪聲增加，高頻成分增加明顯，部分調(diào)制線譜諧波被連續(xù)譜覆蓋。隨著螺旋槳由非空化狀態(tài)發(fā)展到空化狀態(tài)，根據(jù)輻射噪聲聲源級(jí)變化趨勢(shì)，同時(shí)結(jié)合目標(biāo)航速、距離等信息，可以在一定程度上判斷螺旋槳空化程度。

考慮后槳在前槳的干涉作用下輻射聲壓譜的調(diào)制特征，有調(diào)制函數(shù)［4］：

對(duì)轉(zhuǎn)槳噪聲調(diào)制線譜的調(diào)制深度為

式（8）調(diào)制函數(shù)表明，水下對(duì)轉(zhuǎn)槳的不同模式空間在特征值為k2ω2-n2B2時(shí)，調(diào)制頻率為n2B2Ω2+n1B1Ω1/2π，1/1-Mx2cosθ2為表征多普勒頻移的特征量。可得調(diào)制線譜為

式中：BPF1，BPF2為前、后槳的葉頻，Pmod,hmod為諧波系數(shù)。

式（8）表示了后槳在前槳干涉作用下的調(diào)制深度。后槳對(duì)前槳的干涉以及流場(chǎng)對(duì)雙槳作用后的調(diào)制深度也可以同理推導(dǎo)得到。調(diào)制深度與對(duì)轉(zhuǎn)槳槳葉數(shù)、槳葉轂徑比、轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)。由于式（8）形式為貝塞爾函數(shù)，值隨其階數(shù)的增加而變小，意味著隨著葉頻及其諧波倍數(shù)的增加，調(diào)制深度會(huì)相應(yīng)逐漸減小。故由以上推導(dǎo)可知，對(duì)轉(zhuǎn)槳輻射噪聲的調(diào)制線譜主要集中在中低頻段，軸頻、槳葉頻、葉頻諧波及組合是構(gòu)成調(diào)制線譜的主要形式。

本文對(duì)分析得到的對(duì)轉(zhuǎn)槳噪聲模型進(jìn)行仿真。圖1 為對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳的仿真信號(hào)的調(diào)制譜，線譜包含軸頻、前槳葉頻、后槳葉頻、前后槳葉頻及以上特征頻率的諧波組合。APF，BPF 分別表示軸頻及前后槳葉頻。

圖1 對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳仿真調(diào)頻譜

2 對(duì)轉(zhuǎn)槳噪聲解調(diào)譜特性實(shí)驗(yàn)

2.1 對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳噪聲模型

為了比較研究對(duì)轉(zhuǎn)槳在空化過程中的輻射噪聲特征，在空泡水筒中進(jìn)行對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳噪聲測(cè)試?？张菟箔h(huán)境可以進(jìn)行較大范圍內(nèi)的壓力和流速調(diào)節(jié)，容易達(dá)到螺旋槳在實(shí)際環(huán)境中的工作狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)定制的新型螺旋槳模型，具有噪聲較小、空化條件較苛刻的特點(diǎn)。試驗(yàn)對(duì)轉(zhuǎn)槳空化發(fā)展過程測(cè)試采用等空泡數(shù)方法，試驗(yàn)空泡數(shù)代表實(shí)際航行的空化狀態(tài)，并按照設(shè)定的流速和對(duì)轉(zhuǎn)槳設(shè)計(jì)進(jìn)速系數(shù)確定試驗(yàn)轉(zhuǎn)速，用單水聽器測(cè)量測(cè)點(diǎn)輻射噪聲，另外采用假轂測(cè)量同工況背景噪聲。

2.2 對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳試驗(yàn)線譜特征分析

試驗(yàn)首先測(cè)量了5 種不同空泡數(shù)下的工況?？张輸?shù)可以體現(xiàn)螺旋槳的空化狀態(tài)。不同工況空泡數(shù)與空化狀態(tài)及1 kHz 下的歸一化噪聲級(jí)如表1所示。

表1 不同工況空泡數(shù)與空化狀態(tài)

對(duì)轉(zhuǎn)槳噪聲不同工況的功率譜處理結(jié)果如圖2所示。

圖2 工況1～5 的功率譜

隨著空化程度上升，空化噪聲有著顯著提高。工況5 具有最強(qiáng)烈的空化工況，此工況下的功率譜具有顯著的線譜特征。工況4 在某些線譜簇也具有諧波特征。其余未發(fā)生空化的工況下，功率譜中包含螺旋槳噪聲的特征較少，空泡水筒中的背景噪聲較強(qiáng)，未空化的工況下掩蓋了螺旋槳噪聲及其特征。

從對(duì)功率譜的分析中可以得到結(jié)論：空化狀態(tài)下的對(duì)轉(zhuǎn)槳噪聲級(jí)較大，具有明顯的功率譜線譜特征，線譜頻率與軸葉頻密切相關(guān)；本實(shí)驗(yàn)條件下功率譜難以體現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)槳噪聲的特征，需要進(jìn)一步對(duì)噪聲進(jìn)行研究。

2.3 對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳試驗(yàn)解調(diào)譜特征分析

許多文獻(xiàn)研究［6-8］表明，水下航行器的螺旋槳噪聲中存在大量調(diào)制至高頻連續(xù)譜的低頻特征線譜，這些特征往往包含了水下航行器的機(jī)械狀態(tài)信息和運(yùn)動(dòng)信息，對(duì)于水下航行器的識(shí)別具有重要意義。在研究過程中通常使用解調(diào)方法處理噪聲，解調(diào)出調(diào)制線譜，以期通過解調(diào)譜的結(jié)構(gòu)獲得目標(biāo)的特征信息。

由于工況4 為空化初生狀態(tài)，本節(jié)將工況3 與工況4 進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，分析結(jié)果以歸一化頻率表示，如圖3～圖6 所示。

圖3 工況3 的頻段1 解調(diào)譜

圖4 工況3 的頻段2 解調(diào)譜

圖5 工況4 的頻段1 解調(diào)譜

圖6 工況4 的頻段2 解調(diào)譜

從工況3、工況4 的解調(diào)譜特征中可以得到以下結(jié)論。

（1）對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳的解調(diào)譜頻率滿足式（9）中的表述，即，調(diào)制線譜的主要形式為軸頻、雙槳槳葉頻以及三者諧波的組合；這些組合并非均能出現(xiàn)，受試驗(yàn)環(huán)境、測(cè)量條件等影響，實(shí)際線譜僅在有代表性的幾個(gè)位置出現(xiàn)。

（2）非空化情形下，對(duì)轉(zhuǎn)槳的調(diào)制譜特征并不明顯；在空泡水筒的實(shí)驗(yàn)條件下，整體的螺旋槳噪聲較弱，信噪比低，調(diào)制深度淺。通過常規(guī)分析僅能得到軸頻特征，葉頻等其他特征難以分辨。

（3）工況4 代表空化初生時(shí)的工作狀態(tài)。當(dāng)對(duì)轉(zhuǎn)槳進(jìn)入空泡初生階段時(shí)，螺旋槳噪聲的整體噪聲級(jí)迅速提升，調(diào)制作用明顯，容易得到調(diào)制線譜特征。

工況5 下，支架和導(dǎo)管空化嚴(yán)重，伴隨前后槳梢渦空化。將工況4 與工況5 進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋r5 解調(diào)譜如圖7、圖8 所示。

圖7 工況5 頻段1 解調(diào)譜

圖8 工況5 頻段2 解調(diào)譜

將圖7、圖8 中的工況5 與圖5、圖6 中的工況4 的解調(diào)譜特征進(jìn)行對(duì)比，可以得到以下結(jié)論。

（1）完全空化狀態(tài)下的對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳噪聲占主導(dǎo)地位。相比工況2，螺旋槳噪聲與背景噪聲的對(duì)比要更為顯著。

（2）完全空化狀態(tài)下，解調(diào)譜仍存在大量的離散線譜，難以提取到目標(biāo)特征；或者可以認(rèn)為完全空化狀態(tài)下的對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳噪聲出現(xiàn)了大量的連續(xù)譜，螺旋槳幅度調(diào)制被空化噪聲所掩蓋。

綜上所述，可以認(rèn)為，聲壓總能量級(jí)、調(diào)制譜的頻率及其調(diào)制深度可以作為判斷水下對(duì)轉(zhuǎn)槳目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重要依據(jù)：

（1）對(duì)轉(zhuǎn)槳未發(fā)生空化時(shí)，整體噪聲較弱，調(diào)制線譜較弱；

（2）當(dāng)目標(biāo)逐漸來到空化初生狀態(tài)時(shí)，噪聲級(jí)顯著提高，此時(shí)調(diào)制譜的調(diào)制深度最深；

（3）當(dāng)目標(biāo)達(dá)到完全空化的狀態(tài)時(shí)，螺旋槳幅度調(diào)制被空化噪聲所掩蓋，難以從解調(diào)譜中得到目標(biāo)信息。此時(shí)功率譜的線譜及連續(xù)譜特征更能代表目標(biāo)特性。

3 結(jié)語

本文依據(jù)高速螺旋槳輻射噪聲仿真模型，對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳的聲場(chǎng)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行特征分析，結(jié)論為：水下對(duì)轉(zhuǎn)槳輻射噪聲具有豐富的目標(biāo)線譜，主要由非均勻流作用于槳葉及雙槳的相互作用所致；調(diào)制線譜主要集中在中低頻段，調(diào)制線譜的形式主要由軸頻、雙槳葉頻以及三者諧波的組合所構(gòu)成。

本文通過螺旋槳輻射噪聲測(cè)量實(shí)驗(yàn)，獲取對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳在空化過程中的輻射噪聲數(shù)據(jù)，同時(shí)利用多頻段解調(diào)的方法，對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行特性分析，對(duì)在空化過程中的對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳特征進(jìn)行研究，認(rèn)為聲壓總能量級(jí)、調(diào)制譜的頻率及其調(diào)制深度可以作為判斷水下對(duì)轉(zhuǎn)槳目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重要依據(jù)；對(duì)轉(zhuǎn)槳在未空化時(shí)，調(diào)制作用不明顯；在空化初生狀態(tài)時(shí)，噪聲級(jí)顯著提高，調(diào)制深度最深，而完全空化的狀態(tài)下連續(xù)譜噪聲占了主導(dǎo)地位，調(diào)制深度降低。