螺旋桨空化与应对措施

江 晨，张 帅

（中国人民解放军91388部队，广东湛江 524022）

0 引言

舰船噪声通常由机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声组成。螺旋桨一旦发生空化，就将成为中高频段主要噪声源[1]。空化噪声有明显的特征，极易被声呐探测到，严重影响舰船的隐蔽性。在舰船噪声测量中，特定深度下的空化临界转速是一项重要的测量内容。多年来，国内外专家虽对螺旋桨空化进行了大量研究，但是公开发表的舰船螺旋桨噪声的实测数据和相关文献较少。

1 螺旋桨空化

1.1 空化的产生

螺旋桨在水中转动时，叶梢和叶表面上会产生低压或负压区，当压力降低到水的饱和蒸气压以下时，水急速汽化，稍后这些汽化产生的气泡破裂，并发出尖锐的脉冲噪声，这就是螺旋桨的空化。

螺旋桨叶梢处的线速度最大，首先达到临界压力，最容易发生空化，其空化强度由空化指数给定，空化指数定义为

式中：p0为螺旋桨上的静压力；pv为水的汽化压力；ρ为水的密度；VT为螺旋桨叶尖的速度。当KT在0.2～0.6之间时，叶梢开始空化；KT小于 0.2时，必然产生空化；KT大于0.6时，一般不会空化。

空泡产生和破裂时，都会发出尖锐的声脉冲，因此，空化噪声在时域上的表现是强烈的脉冲。通过统计单位时间内脉冲数量与幅值的变化，可以判别是否发生空化，当然这种判别依据只能通过对比空化前后的时域信号而定，不能一概而论。

1.2 螺旋桨噪声的频谱特征

螺旋桨噪声的频谱包括高频连续谱和低频线谱，在高航速时，很多低频线谱被螺旋桨空化的连续谱掩盖。

1）连续谱

连续谱由大量空泡破裂发出的随机脉冲叠加形成。连续谱在100 Hz～1 000 Hz内有一个峰值，低于此峰值，谱级以6 dB/倍频程增加；高于此峰值，谱级以6 dB/倍频程下降。多项试验结果表明：在空化开始时，谱级曲线在几千赫兹以上的中高频段会突然升高，随着空化的发展，谱级升高的频段逐渐扩展。

2）线谱

螺旋桨噪声的线谱主要是螺旋桨叶片切割水流引起的噪声，其频率为

式中：fm为叶片线谱第m次谐波；m为谐波次数；n为螺旋桨叶片数；s为螺旋桨转速，r/s。一般来说，螺旋桨产生的线谱为几十赫兹以下的低频以及整数倍的谐频。

3）总声级

空化噪声的总声级-螺旋桨转速曲线呈S形，如图1所示。当螺旋桨转速高于临界转速时，总声级陡增20 dB ～50 dB，螺旋桨转速再增大，则总声级增加变缓[2]。

图1 总声级-螺旋桨转速关系图

文献[3]通过分析实艇螺旋桨噪声测试结果，进一步验证了总声级与螺旋桨转速的关系符合S形曲线特性，并且连续谱符合峰值前后增加/衰减规律。

4）调制特性

目前对空泡的理论模型研究尚不成熟，近年来多从统计学的角度研究空泡。首先根据经典力学理论求解单个空泡的运动方程，假定空泡半径服从一定概率分布，进而推导空化噪声谱。

舰船的尾流具有周向不均匀性，空泡的数量和尺寸都随时间变化。单位时间内空泡数量随时间变化，导致整个噪声谱均匀的上下移动，造成频域上的均匀调制；空泡的半径随时间变化，造成频域上的不均匀调制[4]。

5）唱音

除此之外，螺旋桨噪声中还有可能出现一条或一组高频线谱，这就是螺旋桨的唱音。当螺旋桨叶片产生的旋涡频率与桨叶的固有频率接近时，会发生共振现象，可以在100 Hz～1 000 Hz内发出很强的噪声，且其频率不随航速的提高而改变。

1.3 螺旋桨临界转速的测量

螺旋桨的临界转速通常通过安装在螺旋桨部位的自噪声水听器测量，测量上限频率在40 kHz以上。

测量前要了解舰船的排水量、长度、宽度、螺旋桨数、螺旋桨形状、桨叶数和螺旋桨转速等信息，便于后续分析。舰船自噪声与航行工况密切相关，所以必须在工况稳定后再开始测量。从低转速开始，舰船以要求的工况和转速匀速直线航行，测量设备记录自噪声信号，记录时间一般不少于1 min。然后以5 r/min～10 r/min为一档提高螺旋桨转速，待转速稳定后，测量自噪声，直至螺旋桨转速达到被测舰船的最高转速。当螺旋桨转速增加到某一值时，高频段的噪声级突然升高，说明螺旋桨开始空化，这个转速就是螺旋桨的临界转速。

2 应对措施

螺旋桨空化噪声是影响舰船声隐声水平的一个主要因素，为了解决这个问题，需要从以下几个方面加强研究。

2.1 优化螺旋桨参数

通过优化螺旋桨参数可以有效推迟空化的发生。多项计算结果表明：七叶桨较五叶桨具有负载小、空化初生延迟、空化低频线谱噪声低的特征[5]。七叶大侧斜螺旋桨直径较大，在同等转速下能获得更大的动力输出，相当于在航速一定时减小转速，可推迟空化的发生。

2.2 增加空气含量

多个试验结果表明：增加水中的空气含量能有效延缓空化的发生、降低螺旋桨噪声，并使空化噪声谱向低频移动。水中空气含量增多也能改变水的声学特性，对噪声起到吸收屏蔽作用。

2.3 提高加工精度

螺旋桨加工不对称会引起流动不均匀，也会导致剥蚀，尤其是叶根导边附近如果稍有突出，就容易引起局部剥蚀。

3 结束语

目前，螺旋桨空泡的模型建立尚未成熟，还无法对其频谱特性进行精确而系统的描述[6]。舰船螺旋桨部位的自噪声水听器能获得相对准确的资料，对于空化噪声研究和螺旋桨的优化设计都起到非常重要的作用。加强螺旋桨部位的自噪声监测和临界转速测量，将是今后工作的重点。