螺旋槳空泡噪聲測量與分析

楊 勇，熊 鷹，時立攀

海軍工程大學艦船工程系，湖北武漢 430033

0 引 言

艦艇的水下噪聲來源于3大噪聲聲源——螺旋槳噪聲、機械噪聲和水動力噪聲。在這3大噪聲源中，螺旋槳噪聲對總噪聲的貢獻最大［1］。通常，將螺旋槳噪聲分為厚度噪聲、荷載噪聲和空泡噪聲，螺旋槳一旦發生空泡，隨著空泡的發展，螺旋槳空泡噪聲將成為艦船總噪聲中最主要的部分［2］，進而破壞艦船的聲隱身性。鑒于空化與噪聲之間的密切關系，通過螺旋槳噪聲來研究螺旋槳空化的方法，已被越來越多的研究人員采用［3］。目前，螺旋槳空泡噪聲的產生機理和模型建立尚未成熟，還無法精確定量預報螺旋槳空泡噪聲譜級，而實槳的噪聲譜級則一般是通過海上實測獲得，不僅費用高、周期長，而且難度也大。近年來，人們在空泡水筒或減壓水池中不斷探索螺旋槳模型的空泡噪聲，試圖發現螺旋槳空泡噪聲的規律性特征［4］。

為預報螺旋槳空泡噪聲，本文將利用空泡水筒以及螺旋槳動力儀對模型螺旋槳進行空泡噪聲測試［5］，并用高速攝像機記錄槳模在不同工況下空泡發展和變化的情況，借助噪音消除技術，同時輔以數字信號處理技術［6］，通過噪聲信號頻譜分析，尋求正確預報螺旋槳空泡噪聲的方法，以為抑制螺旋槳空泡噪聲提供幫助。

1 試驗模型和裝置

試驗在某大學空泡水筒［7］中進行。水筒上下水平段中心線的高度為8 m，兩個垂直段的中心線間距為12 m。水筒有一個矩形工作段（L×W×H=2.6 m×0.6m×0.6m），收縮比為6.25∶1。該空泡水筒可使工作段流速達13 m/s，壓力調節范圍為5×103～2×105Pa。水質可通過過濾系統改善。此水洞允許在較高雷諾數下完成螺旋槳空化噪聲試驗［8-9］。

1.1 試驗模型

螺旋槳模型采用合金制作，模型照片如圖1所示，其主要參數如表1所示。螺旋槳導流帽按實槳形式縮比加工。

圖1 試驗用的螺旋槳模型Fig.1 Propeller model for test

表1 螺旋槳模型主參數Tab.1 Parameters of propeller model

1.2 試驗裝置及其安裝布置

水聽器安裝在水筒試驗段外的水箱內（0.6 m×0.35 m×0.3 m），水聽器與螺旋槳槳盤面為同一平面，正對槳盤面中心，水平距離為420 mm。水箱與水筒以透聲窗相連接，透聲窗材料為有機玻璃，如圖2所示。

因螺旋槳動力儀電機在驅動螺旋槳旋轉時會引起工作段機械振動，干擾水聽器采集的螺旋槳空泡噪聲信號，因此，在長軸動力儀處布置了加速度計來測量其振動信號，這樣可以更好地分析長軸動力儀對空泡噪聲的影響。同時，由于加速度計具有單一方向，故按垂向和橫向來布置加速度計，如圖3所示。

圖2 水聽器和水箱布置圖Fig.2 Test setup of hydrophone and water tank

圖3 加速度計布置Fig.3 Test setup of acceleration transducers

2 試驗方法和工況

2.1 噪音消除方法

實現螺旋槳的空化試驗可以有不同的程序，本試驗是采用保持水速不變的方法，分別在常壓和抽空狀態下，通過改變螺旋槳的轉速來改變螺旋槳葉片的空化狀態。試驗還測試了動力儀僅安裝槳轂時的噪聲。

本文采用了噪音消除技術（bendat&piersol）來消除外部噪聲源輻射噪聲對測量噪聲的干擾。

內場噪聲信號 p(t)可分解為有用信號u(t)（在理想自由場條件下螺旋槳輻射的聲音信號）和任何多余的“噪音”（如電機設備引起的噪聲）n′(t)。外場傳感器（本次試驗采用加速度計）通常用于記錄背景噪聲，包括螺旋槳動力儀電機、齒輪系統以及其他與螺旋槳空泡無關的噪聲。調制過程的目的是估計和消除來自外場的寬帶噪聲輸入。如果一個外場傳感器遠離噪聲測試位置（即圖4所示的外場位置），例如，在測試段靠近電機的模型里面，就可獲得背景輻射噪聲n(t)，外場傳感器測得的背景輻射噪聲與處于內場的水聽器測量的“噪音”n′(t)，可用傳遞函數 H(t)定義。這些噪聲信號的關系如圖5所示。

圖4 噪聲測試草圖Fig.4 The draft of noise test

圖5 信號流程圖Fig.5 Flow chart of noise signal

信號 p(t)可表示如下：

自功率譜Spp(f)可通過自相關函數 Rpp(τ)傅里葉變換算得

背景噪聲信號對總噪聲信號的貢獻可用相干函數γnp表示，其中Snp(f)為n(t)與 p(t)的互功率譜

最終得到有用信號u(t)的自功率譜Suu(f)

因為最終是對聲音信號進行相關分析，這與獲取信號的傳感器關系不大，因此，內、外場傳感器的類型可以不一致。另外，測量電機和齒輪系統的噪聲時，采用加速度計要比壓力傳感器和水聽器的效果更好。因此，只需測量內場的噪聲總量（Spp(f)）及外場與內場的信號相干函數（系數γnp）便可確定螺旋槳噪聲。

2.2 試驗內容和工況

空泡水筒在一定水速下，通過改變螺旋槳模型槳盤面處靜壓力，調節螺旋槳轉速至試驗工況后，進行以下測量。

1）螺旋槳空泡噪聲和加速度信號。

根據實驗室的具體情況，選取來流為1.75 m/s左右，滿足試驗臨界雷諾數要求。為使進速系數在合理工作范圍（0.4～0.9），將螺旋槳模型轉速設定在581～1600 r/min之間。

2）螺旋槳動力儀無槳時噪聲和加速度信號。

測量背景噪聲時需取下螺旋槳模型，僅安裝槳轂，設置與帶槳工作時轉速、流速、靜壓力等相同的條件。當然，因為沒有螺旋槳，電機輸出功率不同，也會干擾測試結果。

3）空泡觀察。

螺旋槳葉片上出現空泡后，借助高速攝像機和單反數碼相機記錄空泡區域和空泡形態。定義螺旋槳模型0.75倍半徑處的平均空泡數為：

式中，pv為試驗用水的飽和蒸氣壓；p0為空泡水筒工作段中心處壓力；n為螺旋槳模型轉速，r/min。

螺旋槳模型空泡噪聲試驗具體工況如表2所示。

表2 螺旋槳模型空泡噪聲試驗具體工況表Tab.2 The specific conditions of model propeller cavitation noise test

3 試驗結果與分析

3.1 空泡噪聲和加速度信號試驗結果

根據ITTC的建議，在空泡水筒中進行噪聲測量時需滿足［10］

式中，N為聲模數；c為聲速，c=1500 m/s；f為噪聲頻率，Hz；V為試驗段體積，V=2.6 m×0.6 m × 0.6 m=0.936 m3。

當噪聲頻率 f＞1047 Hz時，滿足 N＞1的要求。取模型噪聲測試頻段為1～50 kHz。

螺旋槳模型在進速系數J≈0.342～0.9的各工況下，分別測量螺旋槳槳盤面處螺旋槳噪聲，對噪聲時域信號進行傅立葉分析后，得到各工況下噪聲功率譜密度曲線如圖6～圖8所示。為作圖美觀，圖中保留了1 kHz以下部分，n為螺旋槳轉速。

圖6 A工況下槳轂噪聲功率譜密度Fig.6 Hub noise power spectrum density in condition A

圖7 A工況下螺旋槳噪聲功率譜密度Fig.7 Propeller noise power spectrum density in condition A

圖8 B工況下螺旋槳噪聲功率譜密度Fig.8 Propeller noise power spectrum density in condition B

圖6所示為空泡水筒槳轂噪聲頻譜曲線。由圖可知，動力儀槳轂噪聲較大，在整個頻段內均有分布。在轉速n=0 r/min時，水泵電機已開啟，使水流速度保持在1.75 m/s，此時噪聲較小。隨著槳軸轉速的不斷提高，相應地，噪聲也逐漸增大，噪聲在1～50 kHz頻帶內，總聲級分別為83.8，112.2，121.5，128.7和130.2 dB。相對于螺旋槳動力儀槳軸噪聲而言，水泵電機噪聲對槳轂噪聲影響較小。槳轂噪聲的特點是：在1～10 kHz頻帶之間，噪聲功率譜級較高，其值在85～115 dB之間；在10 kHz以上，噪聲功率譜以倍頻程10 dB快速衰減；在5 kHz附近存在波峰值，詳見第2.2小節。

圖7所示為槳模在A工況下的噪聲試驗結果，試驗未發生空化現象，隨著轉速的增加，噪聲在 1～50 kHz頻帶內，總聲級分別為83.8，95.3，105.8，113.9和 117.8 dB。噪聲特點為：在 1～10 kHz頻帶內，噪聲功率譜級較高，其值處于85～115 dB之間；在10 kHz以上，噪聲功率譜以每倍頻程8～15 dB快速衰減，至30 kHz時，噪聲功率譜級已趨于穩定；在3.5 kHz和5 kHz附近，分別存在波谷和波峰值。對比圖7和圖6可以發現，在5 kHz附近，波峰值明顯高于無槳條件。試驗結果表明槳轂輻射噪聲較高。究其原因，很可能是因為無槳時電機無功率輸出，槳軸高速轉動時其振動較動力儀帶槳旋轉有功率輸出時更為劇烈，導致背景噪聲較高。

圖8所示為槳模在B工況（即空泡水筒壓力抽空至0.25 bar）下的噪聲試驗結果。由圖可知，隨著轉速的增加，噪聲在1～50 kHz頻帶內，總聲級分別為83.8，119，126.2，133.5和 138.2 dB。隨著轉速的提高，空化不斷增強，噪聲功率譜級顯著增大。對比圖7和圖8，其噪聲特點為：在1～8 kHz頻帶內，功率譜級較高；在8 kHz以上，噪聲功率譜以倍頻程8～15 dB衰減，至20 kHz時趨于穩定。在空化產生后（這里指梢渦空化），隨著轉速的提高，噪聲在高頻段（20 kHz以上）的噪聲信號幅值較穩定，推斷是空泡輻射噪聲的緣故。在B工況，在各轉速下，螺旋槳噪聲在20 kHz以上未衰減，推斷是在此工況下水中微氣泡含量較多，在槳盤面處脈動產生噪聲所致。同時，在B-5工況下，螺旋槳產生空化，其槳盤面處的噪聲聲功率級要明顯高于A-5工況下未發生空化時，約為20 dB。同樣，噪聲信號在5 kHz處存在峰值。

在B工況條件下，借助加速度計采集螺旋槳動力儀電機處的加速度信號，如圖9和圖10所示。經分析發現，圖10的垂向加速度信號與水聽器信號在1～5 kHz頻帶內有較好的相似性，因此，本文選取圖10進行分析。

由圖10可以看出，在 n=0，581，871，1307和1600時，若選取1 m的距離，以1 μm/s2為基準，加速度級分別為72，104，114，120和 121 dB。在1～5 kHz頻帶內，隨著轉速n的增加，加速度信號隨之增強，并呈現出與水聽器信號相同的趨勢，可見螺旋槳動力儀電機振動對槳盤面處的噪聲信號有較大影響。在3～4 kHz附近，信號出現了波谷值，這在圖8所示的噪聲信號中也有類似的表現，其原因還有待進一步的探求。

圖9 橫向加速度功率譜譜密度Fig.9 Power spectrum density of the vertical acceleration

圖10 垂向加速度功率譜譜密度Fig.10 Power spectrum density of the horizontal acceleration

3.2 混響的影響

圖6～圖10的功率譜密度曲線顯示，在5 kHz附近存在一個峰值。作為振蕩現象，當聲波波長等于筒徑時可能會出現混響現象，如式（8）所示。

式中，fc為混響頻率，Hz；λc為混響波長，m。

試驗用空泡水筒的直徑為0.6 m，故當波長為筒徑的一半時，即 f≈5kHz時，噪聲譜出現異常。由圖6～圖10均可看出，在頻率約為5 kHz時，噪聲出現了異?，F象。

3.3 空泡觀察

工況B-4時（螺旋槳轉速約為1307 r/min），螺旋槳空泡初生。借助高速攝像機，調整拍攝幀頻為6000 ft/s時，可發現在槳模葉梢處有亮點產生（圖11下方葉片上的白色方條為激光測速儀感應條，非空泡），表明槳模葉梢部已出現小范圍的空化現象，并且空化現象隨轉速的增加愈加嚴重，但在槳盤面后面的流場中卻并未發現明顯的梢渦，如圖11所示。在轉速增加至工況B-5（1600 r/min）時，螺旋槳梢渦渦核壓力繼續降低，空化繼續生長，出現梢渦渦線，同時，還可明顯觀察到梢渦收縮現象［11-12］，如圖12所示。

圖11 空化初生Fig.11 Cavitation inception

圖12 空化繼續生長Fig.12 The continuous development of cavitation

4 結 論

在現有試驗條件下，空泡水筒的聲學測試技術尚未成熟，由于背景噪聲等因素的干擾，還不能對螺旋槳空化噪聲幅值進行精確測量。本文僅對某大學空泡水筒的聲學特性進行了初步探討，根據以上頻譜分析結果，可得到以下幾點初步結論：

1）試驗用空泡水筒的背景噪聲較高。在槳轂噪聲測量過程中，水輪機對總噪聲的影響較??；隨著槳軸轉速的提高，噪聲有較大提高，表明動力儀槳軸轉速對背景噪聲貢獻最大。

2）無槳時槳轂輻射噪聲聲壓級高于螺旋槳輻射噪聲。其原因很可能是無槳時電機無功率輸出，電機高速轉動引起的機械振動較帶槳旋轉有功率輸出時更為劇烈，從而導致輻射噪聲增大。

3）隨著螺旋槳轉速的提高，螺旋槳輻射噪聲相應增加，尤其是在空化產生時，其噪聲聲壓級較未空化時增大了約20 dB，同時，其功率譜曲線總體向低頻方向移動，而在高頻處（20～50 kHz）衰減較慢。

4）加速度信號可反映水聽器采集信號在低于5 kHz時的趨勢。試驗結果表明，垂向加速度傳感器信號與水聽器采集信號趨勢吻合較好。因加速度傳感器靠近動力儀電機，能較好地反映電機振動對總噪聲的影響，可見動力儀振動等外部干擾對水聽器信號有較大干擾。

5）由于空泡水筒尺寸的限制，在頻率約為5 kHz時產生了混響，噪聲出現異常。

螺旋槳空化噪聲的發生及傳播等問題相當復雜，目前還沒有有明確的解答。同時，空泡水筒工作段體積較小，混響較嚴重，動力儀電機等設備產生的背景噪聲較大，相應的測量技術及設備亟待改進。另外，噪聲的信號分離和提取技術仍有待發展，對于空化噪聲的試驗研究還不成熟。

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