螺旋桨噪声贡献分离模型的仿真研究

龙 军

(大连测控技术研究所，辽宁大连 116013）

螺旋桨噪声贡献分离模型的仿真研究

龙 军

(大连测控技术研究所，辽宁大连 116013）

介绍一种从辐射噪声中分离出螺旋桨噪声的方法。根据螺旋桨噪声同航速的变化关系，将辐射噪声1/3 Oct谱级进行归一化处理，求得艇体函数，给出各工况下螺旋桨绝对声压谱。对分离算法进行建模仿真，重点讨论不同航速工况的选取和机械噪声随航速的增长规律这2个因素对分离结果的影响。

螺旋桨噪声;分离模型;归一化算法;艇体函数

0 引言

隐蔽性是保证潜艇战斗力的关键因素，破坏潜艇隐蔽性的主要因素是辐射噪声。潜艇的辐射噪声主要由机械噪声、螺旋桨噪声及水动力噪声构成［1］。实现对其分离将有助于确定各噪声源的贡献量，从而能为潜艇的设计提供各噪声源有针对性控制的依据。分离螺旋桨贡献的方法主要窄带线谱法和通过特性法等［2］。本文主要建立一种螺旋桨噪声的贡献分离模型，并对其进行仿真研究。

1 分离模型

1.1 理论基础

螺旋桨对辐射噪声的贡献主要体现在直发声和桨轴激励艇体噪声。在非空化条件下，螺旋桨直接辐射噪声随航速的变化规律是在低频段成6次方变化，高频段成5次方变化，在中频段由于西尔斯函数的减缩作用，其辐射噪声随转速成6～5次方变化［3］。同时机械分量的增加强度——同航速的不大于2次方成比例。结果是，在低航速时船只的声压脉动场由机械声源决定，在高航速时则由螺旋桨声源决定。

螺旋桨上的不定常力通过轴系向艇体传递，导致艇体的振动及其声辐射。这与螺旋桨的直发声构成1对反相偶极子对［4］，其在远场的合成扰动可分离条件是h≥1，其中h=，l为船体长度，λ为水中声波波长。对于实艇测量而言，考察的下限频率在10 Hz，满足可分离条件。

来自螺旋桨的扰动力频率同艇体的某一构件的固有频率谐振重合时，会对艇体产生的声压脉动分量进行共振放大。把其放大量称为艇体贡献。根据实艇的结构特征，这种共振现象主要发生在低频段，一般不超过100 Hz。

1.2 实现方法

1.2.1 总体实现方法

根据实测不同航速下的潜艇辐射噪声1/3 Oct谱级数据 (最好有在螺旋桨非空化条件下的最高航速工况数据），剔除与螺旋桨无关的峰，然后对其进行归一化处理，计算艇体函数。最后计算螺旋桨产生的平均额定声压谱和不同航速下的螺旋桨绝对声压谱。

1.2.2 航行工况辐射噪声谱级的归一化处理

根据螺旋桨直接辐射噪声同航速的关系，对各工况航行辐射噪声1/3 Oct谱级进行归一化换算［5］。由于航速同螺旋桨转速的线性关系，螺旋桨辐射噪声从转速n1换算到转速n2可表示为

1.2.3 艇体函数求解

首先利用最接近临界转速下的2个工况其归一化谱接近或相等时确定艇体函数的最高频率，然后通过机械噪声为起主要作用的中间工况归一化谱的差值来确定整个频带的艇体函数。这个过程主要要求对螺旋桨不重合的归一化谱设置合理的插值步长，采用差值递推技术、多项式拟合技术合成的逐次逼近分析方法，得到艇体作用函数。

2 仿真分析

2.1 仿真模型建立

文献［6］讨论了舰船辐射噪声建模方法。根据机械噪声和螺旋桨噪声特征，主要建立以螺旋桨转速r1工况为基准工况的机械噪声脉动谱和螺旋桨噪声谱，而艇体作用函数模型的建立依据其艇体作用主要集中在低频段 (低于100 Hz），频率越高，其艇体作用越小的特征。

依据以上特征模型，根据机械噪声和螺旋桨噪声随转速变化规律及艇体函数为不随转速变化的固有特性，可建立不同转速下的合成谱。如图1所示，其中r1～r9依次增大。

图1 不同转速下的辐射噪声声压脉动谱Fig.1 Radiated noise sound spectrograph in different speed

2.2 基于仿真模型的分离结果

利用Matlab软件编写分离算法程序，实现螺旋桨噪声分离。

首先，要实现螺旋桨噪声分离，分离算法需要至少3个航速不同的工况的辐射噪声数据，考虑选取不同的航速进行分离计算，比较其分离结果。主要对比模型与求得的艇体函数和螺旋桨平均额定声压脉动谱。图2和图3分别给出选取不同转速工况进行螺旋桨噪声分离求得的艇体函数和螺旋桨平均额定声压脉动谱与仿真模型的比较。

图2 选取不同转速求得的艇体贡献与仿真模型比较Fig.2 Comparison submarine body function in different speed with simulation model

图3 选取不同转速求得的螺旋桨平均额定声压脉动谱与仿真模型比较Fig.3 Comparison propeller average rated sound spectrograph in different speed with simulation model

从艇体函数看不出明显规律，由r5～r7算得的结果最接近艇体函数的仿真模型，而从螺旋桨平均声压脉动谱看，转速越高求得的结果越接近仿真模型。但在实际应用时，并非越高越好，高航速下螺旋桨出现空化或流激壳体可能对辐射噪声产生巨大影响，从而导致分离不可实现或错误。综合考虑，应该在保证螺旋桨未空化条件下，尽可能选取较高航速下工况。

其次考虑机械噪声不同的增长规律对分离结果的影响。由于机械噪声随航速的变化不超过2次方增长，事实上多数机械设备振动不随航速变化，只有如推进电机等少数设备振动噪声随航速变化。图4和图5给出了选取不同机械增长次方进行螺旋桨噪声分离求得的艇体函数和螺旋桨平均额定声压脉动谱与仿真模型的比较。

图4 选取不同机械增长规律求得的艇体贡献与仿真模型比较Fig.4 Comparison submarine body function in differentmachinery noise gain with simulationmodel

图5 选取不同机械增长规律求得的螺旋桨平均额定声压脉动谱与仿真模型比较Fig.5 Comparison propeller average rated sound spectrograph in differentmachinery noise gain with simulationmodel

机械分量增长的越快，求得的艇体函数越大，越偏离实际值。这是很容易理解的，在较高转速下，进行无量纲归一时，机械噪声虽然所占成分比例较小，但不能完全排除其影响。所以机械噪声随转速增长越快，分离时带来的误差越大。

3 结语

本文主要建立一种从潜艇辐射噪声中定量分离螺旋桨噪声的方法，并对分离算法进行仿真分析，讨论对分离结果产生影响的主要因素。仿真分析证明，这种分离算法是有效和可实现的。需要说明的是，由于没有考虑流噪声的影响，对实际测量的辐射噪声进行定量分离螺旋桨噪声时，必须严格剔除与螺旋桨无关的峰，才能保证分离的螺旋桨噪声的有效性。

［1］URICK R J.Principles of underwater sound［M］.New York:Mcgraw-Hill Book Co.，1983.

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Simulation research on the contribution separation model of propeller

LONG Jun
(Dalian Scientific Test and Control Technology Institute，Dalian 116013，China）

A method about separation propeller noise from submarine radiated noise was introduced.Based on the relationship between the propeller noise and the speed of submarine，1/3 octave spectrum of the radiated noise could be normalized，and the submarine body function could be gotten，then the absolute spectrum graph of the propeller in various conditions.Finally the model of the separating method was simulated;the infection of the choosing of speed and themachinery noise gain with the speed to the results of separation was discussed.

propeller noise;separation model;normalized process;submarine body function

P733.22

A

1672－7649(2014）04－0114－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.023

2012－11－20;

2013－06－13

龙军(1985－），男，工程师，从事水声物理研究。