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(zhuǎn)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(zhuǎn)向相反，屬于組合式推進器，具有效率高、扭矩平衡、節(jié)能等優(yōu)點，是水下航行器實現(xiàn)高速運行的常用推進方式之一。為研究對轉(zhuǎn)螺旋槳的解調(diào)譜特性，本文對對轉(zhuǎn)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(tǒng)，獲取對轉(zhuǎn)螺旋槳在不同空化程度下的輻射噪聲數(shù)據(jù)，對對轉(zhuǎn)螺旋槳噪聲數(shù)據(jù)的解調(diào)譜特性進行分析；通過與輻射噪聲數(shù)值仿真計算結(jié)果的對比，完成對對轉(zhuǎn)螺旋槳空化過程噪聲的解調(diào)譜特性研究。

1 對轉(zhuǎn)槳噪聲解調(diào)譜特性預報

1.1 對轉(zhuǎn)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(fā)生空化，目標艦船航行于非空化狀態(tài)，螺旋槳噪聲較小，此時水下對轉(zhuǎn)螺旋槳槳葉壁面的湍流邊界層脈動壓力呈現(xiàn)偶極子屬性，輻射效率最高，是主要輻射聲源；而螺旋槳發(fā)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(zhuǎn)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。空化噪聲來源于空化泡的生成與潰滅，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(fā)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(shù)，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(xiàn)空化時，作用在槳葉表面的非定常力源為主要發(fā)聲源，性質(zhì)為偶極子源。考慮前后槳相互作用效應引起的遠場輻射噪聲，采用數(shù)學物理方法，經(jīng)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(shù)表示有：

式（3）中諧波流場作用的參數(shù)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(shù)，Bi表示前后槳的葉片數(shù)，MCA,FA分別表示葉片的側(cè)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(shù)，Mx表示前進馬赫數(shù)，Mt表示槳葉梢旋轉(zhuǎn)馬赫數(shù)，ψ表示螺旋槳槳葉切面的形狀函數(shù)。

得到對轉(zhuǎn)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(tài)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(jù)此可得空化狀態(tài)下對轉(zhuǎn)螺旋槳的噪聲模型，此處不再贅述。

1.2 對轉(zhuǎn)螺旋槳調(diào)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(fā)生空化時，其軸葉頻調(diào)制線譜不明顯，隨轉(zhuǎn)速提高，軸葉頻調(diào)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(diào)制線譜諧波被連續(xù)譜覆蓋。隨著螺旋槳由非空化狀態(tài)發(fā)展到空化狀態(tài)，根據(jù)輻射噪聲聲源級變化趨勢，同時結(jié)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(diào)制特征，有調(diào)制函數(shù)［4］：

對轉(zhuǎn)槳噪聲調(diào)制線譜的調(diào)制深度為

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

式中：BPF1，BPF2為前、后槳的葉頻，Pmod,hmod為諧波系數(shù)。

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

本文對分析得到的對轉(zhuǎn)槳噪聲模型進行仿真。圖1 為對轉(zhuǎn)螺旋槳的仿真信號的調(diào)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(zhuǎn)螺旋槳仿真調(diào)頻譜

2 對轉(zhuǎn)槳噪聲解調(diào)譜特性實驗

2.1 對轉(zhuǎn)螺旋槳噪聲模型

為了比較研究對轉(zhuǎn)槳在空化過程中的輻射噪聲特征，在空泡水筒中進行對轉(zhuǎn)螺旋槳噪聲測試?？张菟箔h(huán)境可以進行較大范圍內(nèi)的壓力和流速調(diào)節(jié)，容易達到螺旋槳在實際環(huán)境中的工作狀態(tài)。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(zhuǎn)槳空化發(fā)展過程測試采用等空泡數(shù)方法，試驗空泡數(shù)代表實際航行的空化狀態(tài)，并按照設定的流速和對轉(zhuǎn)槳設計進速系數(shù)確定試驗轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)下的工況。空泡數(shù)可以體現(xiàn)螺旋槳的空化狀態(tài)。不同工況空泡數(shù)與空化狀態(tài)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(shù)與空化狀態(tài)

對轉(zhuǎn)槳噪聲不同工況的功率譜處理結(jié)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(fā)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(jié)論：空化狀態(tài)下的對轉(zhuǎn)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(xiàn)對轉(zhuǎn)槳噪聲的特征，需要進一步對噪聲進行研究。

2.3 對轉(zhuǎn)螺旋槳試驗解調(diào)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(diào)制至高頻連續(xù)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(tài)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(diào)方法處理噪聲，解調(diào)出調(diào)制線譜，以期通過解調(diào)譜的結(jié)構(gòu)獲得目標的特征信息。

由于工況4 為空化初生狀態(tài)，本節(jié)將工況3 與工況4 進行橫向?qū)Ρ?，分析結(jié)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(diào)譜

圖4 工況3 的頻段2 解調(diào)譜

圖5 工況4 的頻段1 解調(diào)譜

圖6 工況4 的頻段2 解調(diào)譜

從工況3、工況4 的解調(diào)譜特征中可以得到以下結(jié)論。

（1）對轉(zhuǎn)螺旋槳的解調(diào)譜頻率滿足式（9）中的表述，即，調(diào)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(xiàn)，受試驗環(huán)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(xiàn)。

（2）非空化情形下，對轉(zhuǎn)槳的調(diào)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(diào)制深度淺。通過常規(guī)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(tài)。當對轉(zhuǎn)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(diào)制作用明顯，容易得到調(diào)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?qū)Ρ龋r5 解調(diào)譜如圖7、圖8 所示。

圖7 工況5 頻段1 解調(diào)譜

圖8 工況5 頻段2 解調(diào)譜

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

（1）完全空化狀態(tài)下的對轉(zhuǎn)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(tài)下，解調(diào)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(tài)下的對轉(zhuǎn)螺旋槳噪聲出現(xiàn)了大量的連續(xù)譜，螺旋槳幅度調(diào)制被空化噪聲所掩蓋。

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

（1）對轉(zhuǎn)槳未發(fā)生空化時，整體噪聲較弱，調(diào)制線譜較弱；

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

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

3 結(jié)語

本文依據(jù)高速螺旋槳輻射噪聲仿真模型，對對轉(zhuǎn)螺旋槳的聲場預報結(jié)果進行特征分析，結(jié)論為：水下對轉(zhuǎn)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(diào)制線譜主要集中在中低頻段，調(diào)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(gòu)成。

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