對轉螺旋槳空化過程的噪聲解調譜特性研究

洪煜宸

（杭州應用聲學研究所聲吶技術重點實驗室，浙江 杭州 310012）

0 引言

對轉螺旋槳（Counter-Rotating Propeller，CRP）將兩個普通的螺旋槳嵌套在同心的軸上，前后槳葉轉向相反，屬于組合式推進器，具有效率高、扭矩平衡、節能等優點，是水下航行器實現高速運行的常用推進方式之一。為研究對轉螺旋槳的解調譜特性，本文對對轉螺旋槳的噪聲仿真模型進行理論特征分析，通過螺旋槳輻射噪聲測量實驗系統，獲取對轉螺旋槳在不同空化程度下的輻射噪聲數據，對對轉螺旋槳噪聲數據的解調譜特性進行分析；通過與輻射噪聲數值仿真計算結果的對比，完成對對轉螺旋槳空化過程噪聲的解調譜特性研究。

1 對轉槳噪聲解調譜特性預報

1.1 對轉螺旋槳噪聲模型

目標在航行過程中，其輻射噪聲特征與航行工況密切相關。通常，水動力噪聲較小，常被機械噪聲和螺旋槳噪聲掩蓋［1］。當目標航速較低或航深較深時，目標螺旋槳不易發生空化，目標艦船航行于非空化狀態，螺旋槳噪聲較小，此時水下對轉螺旋槳槳葉壁面的湍流邊界層脈動壓力呈現偶極子屬性，輻射效率最高，是主要輻射聲源；而螺旋槳發生空化，其輻射噪聲將急劇增加，覆蓋部分機械噪聲，此時單極子螺旋槳空化噪聲占主要地位。

對轉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。從單個螺旋槳槳葉出發分析，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 時刻螺旋槳母線位置的距離，方向與聲源運動方向相反，ξ0垂直于r0和γ0；G表示格林函數，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應力張量，P(x,t)為場點x處在t時刻的聲壓。

當螺旋槳葉表面未出現空化時，作用在槳葉表面的非定常力源為主要發聲源，性質為偶極子源?？紤]前后槳相互作用效應引起的遠場輻射噪聲，采用數學物理方法，經過一系列的近似和推導［3］，可以得到前槳聲壓在后槳干涉下的表達式：

考慮周向諧波流場效應對后槳的影響，前槳在諧波流場作用下的遠場聲壓為

同理可得后槳聲壓在前槳干涉下的表達式及后槳在諧波流場作用下的遠場聲壓。

式（2）中前后槳相互干涉作用的參數表示有：

式（3）中諧波流場作用的參數表示有：

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，Bi表示前后槳的葉片數，MCA,FA分別表示葉片的側斜和縱傾量，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干擾所引起的非定常升力系數，Mx表示前進馬赫數，Mt表示槳葉梢旋轉馬赫數，ψ表示螺旋槳槳葉切面的形狀函數。

得到對轉螺旋槳總的線譜噪聲應為式（2）、式（3）及后槳噪聲的疊加，即為

由于非空化與空化狀態下占主導地位的噪聲不同，單級子聲源中的tb·K2·Ψ(K)與螺旋槳的厚度和形狀相關，偶極子聲源kCLψ(k)/2 與聲源的負荷（升力）和形狀相關，據此可得空化狀態下對轉螺旋槳的噪聲模型，此處不再贅述。

1.2 對轉螺旋槳調制譜特性

相關研究表明［5］，螺旋槳空化前輻射噪聲較低且主要集中在低頻段，螺旋槳未發生空化時，其軸葉頻調制線譜不明顯，隨轉速提高，軸葉頻調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，部分調制線譜諧波被連續譜覆蓋。隨著螺旋槳由非空化狀態發展到空化狀態，根據輻射噪聲聲源級變化趨勢，同時結合目標航速、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制特征，有調制函數［4］：

對轉槳噪聲調制線譜的調制深度為

式（8）調制函數表明，水下對轉槳的不同模式空間在特征值為k2ω2-n2B2時，調制頻率為n2B2Ω2+n1B1Ω1/2π，1/1-Mx2cosθ2為表征多普勒頻移的特征量?？傻谜{制線譜為

式中：BPF1，BPF2為前、后槳的葉頻，Pmod,hmod為諧波系數。

式（8）表示了后槳在前槳干涉作用下的調制深度。后槳對前槳的干涉以及流場對雙槳作用后的調制深度也可以同理推導得到。調制深度與對轉槳槳葉數、槳葉轂徑比、轉速等因素有關。由于式（8）形式為貝塞爾函數，值隨其階數的增加而變小，意味著隨著葉頻及其諧波倍數的增加，調制深度會相應逐漸減小。故由以上推導可知，對轉槳輻射噪聲的調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成調制線譜的主要形式。

本文對分析得到的對轉槳噪聲模型進行仿真。圖1 為對轉螺旋槳的仿真信號的調制譜，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 對轉螺旋槳仿真調頻譜

2 對轉槳噪聲解調譜特性實驗

2.1 對轉螺旋槳噪聲模型

為了比較研究對轉槳在空化過程中的輻射噪聲特征，在空泡水筒中進行對轉螺旋槳噪聲測試?？张菟箔h境可以進行較大范圍內的壓力和流速調節，容易達到螺旋槳在實際環境中的工作狀態。本實驗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。試驗對轉槳空化發展過程測試采用等空泡數方法，試驗空泡數代表實際航行的空化狀態，并按照設定的流速和對轉槳設計進速系數確定試驗轉速，用單水聽器測量測點輻射噪聲，另外采用假轂測量同工況背景噪聲。

2.2 對轉螺旋槳試驗線譜特征分析

試驗首先測量了5 種不同空泡數下的工況?？张輸悼梢泽w現螺旋槳的空化狀態。不同工況空泡數與空化狀態及1 kHz 下的歸一化噪聲級如表1所示。

表1 不同工況空泡數與空化狀態

對轉槳噪聲不同工況的功率譜處理結果如圖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，未空化的工況下掩蓋了螺旋槳噪聲及其特征。

從對功率譜的分析中可以得到結論：空化狀態下的對轉槳噪聲級較大，具有明顯的功率譜線譜特征，線譜頻率與軸葉頻密切相關；本實驗條件下功率譜難以體現對轉槳噪聲的特征，需要進一步對噪聲進行研究。

2.3 對轉螺旋槳試驗解調譜特征分析

許多文獻研究［6-8］表明，水下航行器的螺旋槳噪聲中存在大量調制至高頻連續譜的低頻特征線譜，這些特征往往包含了水下航行器的機械狀態信息和運動信息，對于水下航行器的識別具有重要意義。在研究過程中通常使用解調方法處理噪聲，解調出調制線譜，以期通過解調譜的結構獲得目標的特征信息。

由于工況4 為空化初生狀態，本節將工況3 與工況4 進行橫向對比，分析結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 解調譜

圖4 工況3 的頻段2 解調譜

圖5 工況4 的頻段1 解調譜

圖6 工況4 的頻段2 解調譜

從工況3、工況4 的解調譜特征中可以得到以下結論。

（1）對轉螺旋槳的解調譜頻率滿足式（9）中的表述，即，調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，受試驗環境、測量條件等影響，實際線譜僅在有代表性的幾個位置出現。

（2）非空化情形下，對轉槳的調制譜特征并不明顯；在空泡水筒的實驗條件下，整體的螺旋槳噪聲較弱，信噪比低，調制深度淺。通過常規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 代表空化初生時的工作狀態。當對轉槳進入空泡初生階段時，螺旋槳噪聲的整體噪聲級迅速提升，調制作用明顯，容易得到調制線譜特征。

工況5 下，支架和導管空化嚴重，伴隨前后槳梢渦空化。將工況4 與工況5 進行橫向對比，工況5 解調譜如圖7、圖8 所示。

圖7 工況5 頻段1 解調譜

圖8 工況5 頻段2 解調譜

將圖7、圖8 中的工況5 與圖5、圖6 中的工況4 的解調譜特征進行對比，可以得到以下結論。

（1）完全空化狀態下的對轉螺旋槳噪聲占主導地位。相比工況2，螺旋槳噪聲與背景噪聲的對比要更為顯著。

（2）完全空化狀態下，解調譜仍存在大量的離散線譜，難以提取到目標特征；或者可以認為完全空化狀態下的對轉螺旋槳噪聲出現了大量的連續譜，螺旋槳幅度調制被空化噪聲所掩蓋。

綜上所述，可以認為，聲壓總能量級、調制譜的頻率及其調制深度可以作為判斷水下對轉槳目標運動狀態的重要依據：

（1）對轉槳未發生空化時，整體噪聲較弱，調制線譜較弱；

（2）當目標逐漸來到空化初生狀態時，噪聲級顯著提高，此時調制譜的調制深度最深；

（3）當目標達到完全空化的狀態時，螺旋槳幅度調制被空化噪聲所掩蓋，難以從解調譜中得到目標信息。此時功率譜的線譜及連續譜特征更能代表目標特性。

3 結語

本文依據高速螺旋槳輻射噪聲仿真模型，對對轉螺旋槳的聲場預報結果進行特征分析，結論為：水下對轉槳輻射噪聲具有豐富的目標線譜，主要由非均勻流作用于槳葉及雙槳的相互作用所致；調制線譜主要集中在中低頻段，調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成。

本文通過螺旋槳輻射噪聲測量實驗，獲取對轉螺旋槳在空化過程中的輻射噪聲數據，同時利用多頻段解調的方法，對對轉螺旋槳噪聲數據進行特性分析，對在空化過程中的對轉螺旋槳特征進行研究，認為聲壓總能量級、調制譜的頻率及其調制深度可以作為判斷水下對轉槳目標運動狀態的重要依據；對轉槳在未空化時，調制作用不明顯；在空化初生狀態時，噪聲級顯著提高，調制深度最深，而完全空化的狀態下連續譜噪聲占了主導地位，調制深度降低。