螺旋桨空泡噪声测量与分析

杨 勇，熊 鹰，时立攀

海军工程大学舰船工程系，湖北武汉 430033

0 引 言

舰艇的水下噪声来源于3大噪声声源——螺旋桨噪声、机械噪声和水动力噪声。在这3大噪声源中，螺旋桨噪声对总噪声的贡献最大［1］。通常，将螺旋桨噪声分为厚度噪声、荷载噪声和空泡噪声，螺旋桨一旦发生空泡，随着空泡的发展，螺旋桨空泡噪声将成为舰船总噪声中最主要的部分［2］，进而破坏舰船的声隐身性。鉴于空化与噪声之间的密切关系，通过螺旋桨噪声来研究螺旋桨空化的方法，已被越来越多的研究人员采用［3］。目前，螺旋桨空泡噪声的产生机理和模型建立尚未成熟，还无法精确定量预报螺旋桨空泡噪声谱级，而实桨的噪声谱级则一般是通过海上实测获得，不仅费用高、周期长，而且难度也大。近年来，人们在空泡水筒或减压水池中不断探索螺旋桨模型的空泡噪声，试图发现螺旋桨空泡噪声的规律性特征［4］。

为预报螺旋桨空泡噪声，本文将利用空泡水筒以及螺旋桨动力仪对模型螺旋桨进行空泡噪声测试［5］，并用高速摄像机记录桨模在不同工况下空泡发展和变化的情况，借助噪音消除技术，同时辅以数字信号处理技术［6］，通过噪声信号频谱分析，寻求正确预报螺旋桨空泡噪声的方法，以为抑制螺旋桨空泡噪声提供帮助。

1 试验模型和装置

试验在某大学空泡水筒［7］中进行。水筒上下水平段中心线的高度为8 m，两个垂直段的中心线间距为12 m。水筒有一个矩形工作段（L×W×H=2.6 m×0.6m×0.6m），收缩比为6.25∶1。该空泡水筒可使工作段流速达13 m/s，压力调节范围为5×103～2×105Pa。水质可通过过滤系统改善。此水洞允许在较高雷诺数下完成螺旋桨空化噪声试验［8-9］。

1.1 试验模型

螺旋桨模型采用合金制作，模型照片如图1所示，其主要参数如表1所示。螺旋桨导流帽按实桨形式缩比加工。

图1 试验用的螺旋桨模型Fig.1 Propeller model for test

表1 螺旋桨模型主参数Tab.1 Parameters of propeller model

1.2 试验装置及其安装布置

水听器安装在水筒试验段外的水箱内（0.6 m×0.35 m×0.3 m），水听器与螺旋桨桨盘面为同一平面，正对桨盘面中心，水平距离为420 mm。水箱与水筒以透声窗相连接，透声窗材料为有机玻璃，如图2所示。

因螺旋桨动力仪电机在驱动螺旋桨旋转时会引起工作段机械振动，干扰水听器采集的螺旋桨空泡噪声信号，因此，在长轴动力仪处布置了加速度计来测量其振动信号，这样可以更好地分析长轴动力仪对空泡噪声的影响。同时，由于加速度计具有单一方向，故按垂向和横向来布置加速度计，如图3所示。

图2 水听器和水箱布置图Fig.2 Test setup of hydrophone and water tank

图3 加速度计布置Fig.3 Test setup of acceleration transducers

2 试验方法和工况

2.1 噪音消除方法

实现螺旋桨的空化试验可以有不同的程序，本试验是采用保持水速不变的方法，分别在常压和抽空状态下，通过改变螺旋桨的转速来改变螺旋桨叶片的空化状态。试验还测试了动力仪仅安装桨毂时的噪声。

本文采用了噪音消除技术（bendat&piersol）来消除外部噪声源辐射噪声对测量噪声的干扰。

内场噪声信号 p(t)可分解为有用信号u(t)（在理想自由场条件下螺旋桨辐射的声音信号）和任何多余的“噪音”（如电机设备引起的噪声）n′(t)。外场传感器（本次试验采用加速度计）通常用于记录背景噪声，包括螺旋桨动力仪电机、齿轮系统以及其他与螺旋桨空泡无关的噪声。调制过程的目的是估计和消除来自外场的宽带噪声输入。如果一个外场传感器远离噪声测试位置（即图4所示的外场位置），例如，在测试段靠近电机的模型里面，就可获得背景辐射噪声n(t)，外场传感器测得的背景辐射噪声与处于内场的水听器测量的“噪音”n′(t)，可用传递函数 H(t)定义。这些噪声信号的关系如图5所示。

图4 噪声测试草图Fig.4 The draft of noise test

图5 信号流程图Fig.5 Flow chart of noise signal

信号 p(t)可表示如下：

自功率谱Spp(f)可通过自相关函数 Rpp(τ)傅里叶变换算得

背景噪声信号对总噪声信号的贡献可用相干函数γnp表示，其中Snp(f)为n(t)与 p(t)的互功率谱

最终得到有用信号u(t)的自功率谱Suu(f)

因为最终是对声音信号进行相关分析，这与获取信号的传感器关系不大，因此，内、外场传感器的类型可以不一致。另外，测量电机和齿轮系统的噪声时，采用加速度计要比压力传感器和水听器的效果更好。因此，只需测量内场的噪声总量（Spp(f)）及外场与内场的信号相干函数（系数γnp）便可确定螺旋桨噪声。

2.2 试验内容和工况

空泡水筒在一定水速下，通过改变螺旋桨模型桨盘面处静压力，调节螺旋桨转速至试验工况后，进行以下测量。

1）螺旋桨空泡噪声和加速度信号。

根据实验室的具体情况，选取来流为1.75 m/s左右，满足试验临界雷诺数要求。为使进速系数在合理工作范围（0.4～0.9），将螺旋桨模型转速设定在581～1600 r/min之间。

2）螺旋桨动力仪无桨时噪声和加速度信号。

测量背景噪声时需取下螺旋桨模型，仅安装桨毂，设置与带桨工作时转速、流速、静压力等相同的条件。当然，因为没有螺旋桨，电机输出功率不同，也会干扰测试结果。

3）空泡观察。

螺旋桨叶片上出现空泡后，借助高速摄像机和单反数码相机记录空泡区域和空泡形态。定义螺旋桨模型0.75倍半径处的平均空泡数为：

式中，pv为试验用水的饱和蒸气压；p0为空泡水筒工作段中心处压力；n为螺旋桨模型转速，r/min。

螺旋桨模型空泡噪声试验具体工况如表2所示。

表2 螺旋桨模型空泡噪声试验具体工况表Tab.2 The specific conditions of model propeller cavitation noise test

3 试验结果与分析

3.1 空泡噪声和加速度信号试验结果

根据ITTC的建议，在空泡水筒中进行噪声测量时需满足［10］

式中，N为声模数；c为声速，c=1500 m/s；f为噪声频率，Hz；V为试验段体积，V=2.6 m×0.6 m × 0.6 m=0.936 m3。

当噪声频率 f＞1047 Hz时，满足 N＞1的要求。取模型噪声测试频段为1～50 kHz。

螺旋桨模型在进速系数J≈0.342～0.9的各工况下，分别测量螺旋桨桨盘面处螺旋桨噪声，对噪声时域信号进行傅立叶分析后，得到各工况下噪声功率谱密度曲线如图6～图8所示。为作图美观，图中保留了1 kHz以下部分，n为螺旋桨转速。

图6 A工况下桨毂噪声功率谱密度Fig.6 Hub noise power spectrum density in condition A

图7 A工况下螺旋桨噪声功率谱密度Fig.7 Propeller noise power spectrum density in condition A

图8 B工况下螺旋桨噪声功率谱密度Fig.8 Propeller noise power spectrum density in condition B

图6所示为空泡水筒桨毂噪声频谱曲线。由图可知，动力仪桨毂噪声较大，在整个频段内均有分布。在转速n=0 r/min时，水泵电机已开启，使水流速度保持在1.75 m/s，此时噪声较小。随着桨轴转速的不断提高，相应地，噪声也逐渐增大，噪声在1～50 kHz频带内，总声级分别为83.8，112.2，121.5，128.7和130.2 dB。相对于螺旋桨动力仪桨轴噪声而言，水泵电机噪声对桨毂噪声影响较小。桨毂噪声的特点是：在1～10 kHz频带之间，噪声功率谱级较高，其值在85～115 dB之间；在10 kHz以上，噪声功率谱以倍频程10 dB快速衰减；在5 kHz附近存在波峰值，详见第2.2小节。

图7所示为桨模在A工况下的噪声试验结果，试验未发生空化现象，随着转速的增加，噪声在 1～50 kHz频带内，总声级分别为83.8，95.3，105.8，113.9和 117.8 dB。噪声特点为：在 1～10 kHz频带内，噪声功率谱级较高，其值处于85～115 dB之间；在10 kHz以上，噪声功率谱以每倍频程8～15 dB快速衰减，至30 kHz时，噪声功率谱级已趋于稳定；在3.5 kHz和5 kHz附近，分别存在波谷和波峰值。对比图7和图6可以发现，在5 kHz附近，波峰值明显高于无桨条件。试验结果表明桨毂辐射噪声较高。究其原因，很可能是因为无桨时电机无功率输出，桨轴高速转动时其振动较动力仪带桨旋转有功率输出时更为剧烈，导致背景噪声较高。

图8所示为桨模在B工况（即空泡水筒压力抽空至0.25 bar）下的噪声试验结果。由图可知，随着转速的增加，噪声在1～50 kHz频带内，总声级分别为83.8，119，126.2，133.5和 138.2 dB。随着转速的提高，空化不断增强，噪声功率谱级显著增大。对比图7和图8，其噪声特点为：在1～8 kHz频带内，功率谱级较高；在8 kHz以上，噪声功率谱以倍频程8～15 dB衰减，至20 kHz时趋于稳定。在空化产生后（这里指梢涡空化），随着转速的提高，噪声在高频段（20 kHz以上）的噪声信号幅值较稳定，推断是空泡辐射噪声的缘故。在B工况，在各转速下，螺旋桨噪声在20 kHz以上未衰减，推断是在此工况下水中微气泡含量较多，在桨盘面处脉动产生噪声所致。同时，在B-5工况下，螺旋桨产生空化，其桨盘面处的噪声声功率级要明显高于A-5工况下未发生空化时，约为20 dB。同样，噪声信号在5 kHz处存在峰值。

在B工况条件下，借助加速度计采集螺旋桨动力仪电机处的加速度信号，如图9和图10所示。经分析发现，图10的垂向加速度信号与水听器信号在1～5 kHz频带内有较好的相似性，因此，本文选取图10进行分析。

由图10可以看出，在 n=0，581，871，1307和1600时，若选取1 m的距离，以1 μm/s2为基准，加速度级分别为72，104，114，120和 121 dB。在1～5 kHz频带内，随着转速n的增加，加速度信号随之增强，并呈现出与水听器信号相同的趋势，可见螺旋桨动力仪电机振动对桨盘面处的噪声信号有较大影响。在3～4 kHz附近，信号出现了波谷值，这在图8所示的噪声信号中也有类似的表现，其原因还有待进一步的探求。

图9 横向加速度功率谱谱密度Fig.9 Power spectrum density of the vertical acceleration

图10 垂向加速度功率谱谱密度Fig.10 Power spectrum density of the horizontal acceleration

3.2 混响的影响

图6～图10的功率谱密度曲线显示，在5 kHz附近存在一个峰值。作为振荡现象，当声波波长等于筒径时可能会出现混响现象，如式（8）所示。

式中，fc为混响频率，Hz；λc为混响波长，m。

试验用空泡水筒的直径为0.6 m，故当波长为筒径的一半时，即 f≈5kHz时，噪声谱出现异常。由图6～图10均可看出，在频率约为5 kHz时，噪声出现了异常现象。

3.3 空泡观察

工况B-4时（螺旋桨转速约为1307 r/min），螺旋桨空泡初生。借助高速摄像机，调整拍摄帧频为6000 ft/s时，可发现在桨模叶梢处有亮点产生（图11下方叶片上的白色方条为激光测速仪感应条，非空泡），表明桨模叶梢部已出现小范围的空化现象，并且空化现象随转速的增加愈加严重，但在桨盘面后面的流场中却并未发现明显的梢涡，如图11所示。在转速增加至工况B-5（1600 r/min）时，螺旋桨梢涡涡核压力继续降低，空化继续生长，出现梢涡涡线，同时，还可明显观察到梢涡收缩现象［11-12］，如图12所示。

图11 空化初生Fig.11 Cavitation inception

图12 空化继续生长Fig.12 The continuous development of cavitation

4 结 论

在现有试验条件下，空泡水筒的声学测试技术尚未成熟，由于背景噪声等因素的干扰，还不能对螺旋桨空化噪声幅值进行精确测量。本文仅对某大学空泡水筒的声学特性进行了初步探讨，根据以上频谱分析结果，可得到以下几点初步结论：

1）试验用空泡水筒的背景噪声较高。在桨毂噪声测量过程中，水轮机对总噪声的影响较小；随着桨轴转速的提高，噪声有较大提高，表明动力仪桨轴转速对背景噪声贡献最大。

2）无桨时桨毂辐射噪声声压级高于螺旋桨辐射噪声。其原因很可能是无桨时电机无功率输出，电机高速转动引起的机械振动较带桨旋转有功率输出时更为剧烈，从而导致辐射噪声增大。

3）随着螺旋桨转速的提高，螺旋桨辐射噪声相应增加，尤其是在空化产生时，其噪声声压级较未空化时增大了约20 dB，同时，其功率谱曲线总体向低频方向移动，而在高频处（20～50 kHz）衰减较慢。

4）加速度信号可反映水听器采集信号在低于5 kHz时的趋势。试验结果表明，垂向加速度传感器信号与水听器采集信号趋势吻合较好。因加速度传感器靠近动力仪电机，能较好地反映电机振动对总噪声的影响，可见动力仪振动等外部干扰对水听器信号有较大干扰。

5）由于空泡水筒尺寸的限制，在频率约为5 kHz时产生了混响，噪声出现异常。

螺旋桨空化噪声的发生及传播等问题相当复杂，目前还没有有明确的解答。同时，空泡水筒工作段体积较小，混响较严重，动力仪电机等设备产生的背景噪声较大，相应的测量技术及设备亟待改进。另外，噪声的信号分离和提取技术仍有待发展，对于空化噪声的试验研究还不成熟。

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