某船螺旋桨唱音测试及处理分析方法

陈焕国 周立彬

（1.中国人民解放军第四八一〇工厂 大连116041；2.大连海洋大学 机械与动力工程学院 大连116023）

引 言

螺旋桨是船舶中的重要推进装置，当其出现问题时，势必会影响船舶的正常运行。唱音作为螺旋桨的常见故障之一，虽然不影响船舶的总体性能，但是其存在会降低船上乘客以及工作人员的舒适性。对军用舰船而言，此类异常声音还会破坏舰船的隐蔽性，给舰船的安全性带来极大隐患，因此螺旋桨唱音问题一直受到舰船设计及应用单位的关注［1-2］。

针对螺旋桨唱音，一些研究者从理论、试验及实船测试数据进行了分析研究。华汉金［1］从流体力学角度阐述了绕流物体的动力响应即螺旋桨唱音问题；魏以迈等［2］用模型试验的方法预报了螺旋桨唱音。虽然目前对螺旋桨唱音产生机理的研究已经成熟，但可用于判别的实船测试方法还亟待丰富。周行健［3］对某船桨部的异常噪声进行研究时，测得噪声强弱和螺旋桨转速存在对应关系，经计算噪声频率和卡门涡频率接近，分析出噪声为桨鸣所引起；蓝志云等［4］对某散货船尾部异响分析时使用了转舵试验的方法，根据出现噪声时左右转舵的噪声变化情况确定了螺旋桨唱音。本文对某船尾附近区域存在异常声响的现象，从螺旋桨唱音的产生原因及其特征出发，进行了实船振动和噪声信号测量分析，对螺旋桨唱音进行了识别，提出了消除措施，解决了该船推进系统存在异常声响的问题。

1 螺旋桨唱音产生原因及其特征

1.1 螺旋桨唱音的产生原因

螺旋桨唱音是一种典型的卡门涡诱发的流体动力弹性共振现象。由于螺旋桨在船尾不均匀伴流场中运转，因此其动力特性具有强烈的非线性特征。当桨叶随边旋转释放漩涡的频率与螺旋桨桨叶结构自振频率耦合时发生共振，就会产生螺旋桨唱音［5-6］。

1.2 螺旋桨唱音的特征

螺旋桨唱音是一种单频调声音，其频率一般是在几百至几千赫兹声频范围内，在频谱上表现为一种声级相当高的窄带线谱，声能集中在这一窄频带中，它与邻近谱级相比一般可高出15～25 dB。螺旋桨唱音一旦发生，将在相当大的航速（或转速）范围内持续产生，且唱音的频率基本上不随螺旋桨的转速而改变，这与一般螺旋桨的线谱不同，被称为唱音的自锁现象。同时，直接邻近螺旋桨的壳板振动也会随着唱音的出现而相应加大［7］。以上特征即可作为测试依据，将异常声响的特征参数与其进行比较分析即可得出结论。

2 振动和噪声信号测试及分析

某双桨船在航行试验过程中，船在进一、进二工况运行时，后甲板舵机舱附近区域存在异常声响。观察发现，若将左轴系刹住，右轴系在180 r/min以下转速单独推进时后甲板有异常声响；右轴系刹住，左轴系在160 r/min以下转速单独推进时也有异常声响；当舵角改变较大时，声响消失。根据异常声响的存在特点，结合前期自查结果，排除了由船壳板振动和螺旋桨空泡引发的噪声，初步判断为螺旋桨桨叶产生的唱音，为进一步认识该异常声音和提供判别依据，确定对该船进行相关振动与噪声测试。

2.1 振动和噪声信号测量

依据规范，整个测量过程不仅要在异常声音存在的状态下进行，而且要满足船舶自由直航、海况和水深符合要求以及螺旋桨浸没水中等一定的条件。根据船舶的推进状态设立了如表1所示的四种工况。

表1 工 况r·min-1

为分析船尾存在异常声音的原因，因此在船尾选择了一些典型测点。振动测量仪器选择RIONVM-54测振仪，分别对舵机舱底板、强纵向构件和主机基座等部位的振动加速度响应进行了测试。噪声测量仪器选择RION-VM-52声级计，分别对舵机舱和主机舱进行了A声级和1/3倍频程测试分析。同时，对舰船尾部舱室异常声响工况下进行了音频数据采集，采样频率为44100 Hz。

2.2 测量结果分析

机械故障的特征频率及其幅值信息在结构故障诊断研究中具有重要的作用，可以确定故障的部位、类型和程度等问题。为有效确定本船故障，分别对采集的振动和声信号进行频谱分析，确定故障的特征频率，对故障进行判别。

2.2.1 振动测量结果分析

工况一状态下船尾典型结构测点的垂向振动频谱图如图1-图4所示。

图1 舵机舱左舷内底板振动频谱图

图2 舵机舱左舷内底强构件振动频谱图

图3 舵机舱右舷内底板振动频谱图

图4 主机舱左舷主机基座振动频谱图

从频谱图中可以看出，尾部板上有相应中高频成分，强力构件上的中高频成分较弱，主机基座就几乎没有测到。这个结果表明，中高频振源可能来自舷外水动力，不会是主机和轴系所产生。

2.2.2 噪声测量结果分析

2.2.2.1 舱室A声级和1/3倍频程测试分析

表2为船尾典型舱室A声级测量结果。当异常声响存在时，舵机舱声级大于主机舱声级。如工况一，舵机舱左舷和右舷分别是90 dB（A）和91.5 dB（A），而主机舱左舷和右舷分别是87.8 dB（A）和88.2 dB（A），声源靠近舵机舱。

表2 船尾典型部位噪声测量结果

下页图5-图8为工况一状态下船尾典型部位1/3倍频程频谱图，图9-图10对应工况三，图11-图12对应工况四。

可以看出，各频谱图在600 Hz左右出现了较高较密集的幅值，而且与邻近谱级相比高出15～25 dB，其余频率下幅值均较低，相同工况下舵机舱内声压级较主机舱内声压级高，由此得出，异常声响为600 Hz左右的中高频成分，可诊断为螺旋桨唱音。

图5 舵机舱左舷1/3倍频程频谱图

图6 舵机舱右舷1/3倍频程频谱图

图7 主机舱左舷1/3倍频程频谱图

图8 主机舱右舷1/3倍频程频谱图

图9 舵机舱左舷1/3倍频程频谱图

图10 舵机舱右舷1/3倍频程频谱图

图11 舵机舱左舷1/3倍频程频谱图

图12 舵机舱右舷1/3倍频程频谱图

图13 舵机舱内现场录音信号频谱图

2.2.2.2 舵机舱现场录音数据分析

舵机舱现场音频数据频谱图如图13所示。

从图中数据可以看出，600 Hz左右出现了较强的窄带强线谱，且频谱中幅值较大的频带同舵机舱内底板振动频谱图和各工况下舵机舱及机舱内1/3倍频程频谱图相对应，由此得出，异常声响可诊断为螺旋桨唱音引起。

3 消除方法及处理结果

3.1 螺旋桨唱音的消除方法

为避免唱音再次出现，需要对其进行消除。根据唱音产生原因可针对性地采取方法，目前可供借鉴的方法主要有以下几种：

（1）修削桨叶的随边，将桨叶随边进行适当减薄（如图14中阴影部分）。要改变发放频率首先要改变桨叶随边的厚度，而随边的结构形态会影响发放旋涡的频率与强度，也决定了所形成涡街的横向与纵向间距比。由于随边被削弱的过薄会影响螺旋桨强度，因此还应该考虑实际工作需要。

图14 螺旋桨伸张轮廓图

（2）对桨叶随边（如图14）进行特殊加工，如在阴影部分挖锯齿状三角孔槽或粘贴一排小圆块。通常，为不影响螺旋桨的水动力性能，在桨叶背面进行以上操作。

（3）增加桨叶表面阻尼。在桨叶的表面涂覆经稀释的高粘度氯丁橡胶或类似产品以增加桨叶阻尼，可有效抑制振动［8］。

3.2 螺旋桨唱音消除方案与结果

该船采取的螺旋桨唱音消除方案是修削左、右螺旋桨的随边。

如图15为螺旋桨随边切削方案，切削长度X和随边厚度Y满足关系式：

X= 20 +［5（D-2）］ mm（X最大为 30 mm ；D为螺旋桨直径，m；Y= 0.1Xmm）。

图15 螺旋桨随边切削方案

修整前后的螺旋桨外观图如图16所示。

图16 修整前后螺旋桨外观图

为进一步验证消除方法的有效性，进行如下试验：

（1）静平衡试验。结果表明桨叶质量和外观良好，符合船级社规范。

（2）航行试验。试验期间同步对船尾异常声响整改情况进行了监测，船分别在左、右轴分别单轴进一、进二工况和双轴进一至进五等9个工况下正常直线航行，航行时间约4 h。在整个试验过程中，尾部未出现异常声响，证实了该方法合理有效。

4 结 论

根据以上分析，可以得到如下结论：

（1）从振动测量的角度，在螺旋桨上方内底板上能够测量得到螺旋桨唱音激起船体结构响应，而在强构件上很难测量得到，因此在实船测试时应合理布置典型测点；从舱室噪声测量的角度，测点靠近声源的舵机舱声压级较大，据此可近似判断出噪声源位置。

（2）经过对振动和噪声测量数据的频谱分析，靠近螺旋桨附近内底板振动频谱图和舱室音频数据频谱看出螺旋桨唱音情况下频谱图中高频部分出现窄带强线谱。

（3）根据螺旋桨唱音的产生原因，对桨叶随边采取削切方法可有效消除唱音。