馮源，陶然，卓智海

(北京理工大學(xué) 信息與電子學(xué)院，北京100081)

0 引言

近幾年來，港口水域內(nèi)水下攻防技術(shù)備受各國關(guān)注［1-2］。用于水下監(jiān)測系統(tǒng)、水聲導(dǎo)引頭和智能水聲引信的水聲探測及目標(biāo)分類識別技術(shù)，是研發(fā)先進(jìn)港口水域水下攻防裝備的關(guān)鍵技術(shù)之一。船只離靠港是港口水域目標(biāo)的典型運(yùn)動特征，加速或減速航行是它們必須經(jīng)歷的運(yùn)動過程。從離靠港船舶的螺旋槳輻射噪聲中提取與船只加速度相關(guān)水聲信號特征是探測及分類港口水域機(jī)動目標(biāo)的有效途徑。為獲取加速旋轉(zhuǎn)螺旋槳水聲信號特征及相應(yīng)的信號處理算法，研究加速旋轉(zhuǎn)螺旋槳噪聲測試的試驗(yàn)方法，并獲取加速螺旋槳噪聲數(shù)據(jù)是十分必要的。由于在海中進(jìn)行試驗(yàn)時，設(shè)備和人力成本高昂，且水聲環(huán)境的影響不易控制，因而初期采用符合國際標(biāo)準(zhǔn)的水洞試驗(yàn)方式是相對經(jīng)濟(jì)的，且試驗(yàn)參數(shù)易于控制。

眾多國內(nèi)外研究人員對在水洞中應(yīng)用縮比螺旋槳模型模擬實(shí)槳空化噪聲的試驗(yàn)進(jìn)行了研究［3-9］。其中，第18 屆國際拖曳水池會議(ITTC)空化委員會提出了進(jìn)行水洞噪聲測試試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則［3］，并成為爾后諸多水洞噪聲試驗(yàn)的參照準(zhǔn)則［4-7］。然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)中僅有一些關(guān)于水流不穩(wěn)定時聲信號特征的試驗(yàn)研究成果［8-9］，而尚未有關(guān)于利用模型槳在空泡水洞中模擬實(shí)槳加速過程的噪聲測試試驗(yàn)方法研究，且尚未獲得有意義的加速旋轉(zhuǎn)螺旋槳噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此，本文討論了在水洞試驗(yàn)相似準(zhǔn)則約束下，模型槳模擬實(shí)槳加速工況噪聲測試的試驗(yàn)條件，并提出相應(yīng)的試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)方法。文中還提出了從試驗(yàn)采集的螺旋槳轉(zhuǎn)速脈沖信號中獲取起始轉(zhuǎn)速及加速度參考值的方法。對實(shí)測的水洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，說明了螺旋槳在近似勻加速狀態(tài)下輻射噪聲與螺旋槳轉(zhuǎn)速的關(guān)系，為進(jìn)一步的試驗(yàn)、信號特征和信號處理方法研究奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 水洞介紹

為了研究處于加速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的螺旋槳噪聲的水聲信號特性，在中國船舶研究中心的大型空泡循環(huán)水洞進(jìn)行了加速螺旋槳噪聲測量試驗(yàn)。該循環(huán)水洞實(shí)驗(yàn)段的體積為10.5 m ×2.2 m ×2.0 m，水洞內(nèi)壓力調(diào)節(jié)范圍10～400 kPa，水流速度范圍1～15 m/s，流速不均勻度小于±1.0%，湍流度低于3.0%，并具有很低的背景噪聲。

水洞實(shí)驗(yàn)段的正下方安置了體積為9.5 m ×2.2 m×2.0 m 的水聲測量艙，為了減少水流對噪聲測量的影響，水洞試驗(yàn)段和水聲艙采用有機(jī)玻璃進(jìn)行隔離，計(jì)算中可忽略其對聲傳播的影響。為了減小壁面反射對噪聲測量的影響，水聲艙的四壁布滿消聲尖劈。在測量艙底部安裝有B＆K8015 標(biāo)準(zhǔn)水聽器及B＆K2635 放大器。以上這些性能指標(biāo)使得該水洞十分適合于進(jìn)行螺旋槳空化噪聲測量測試。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒榻B

由于該水洞龐大的容積，可以開展整船模型帶推進(jìn)器的噪聲測量試驗(yàn)，模擬伴流場更加接近于實(shí)船真實(shí)流場［7］。帶舵的某型集裝箱船模主要參數(shù)如表1所示。在整船模型的船尾，安裝有為該集裝箱船設(shè)計(jì)的五葉縮比模型槳，以產(chǎn)生試驗(yàn)中的目標(biāo)聲源，其主要參數(shù)如表2所示。

表1 整船模型參數(shù)Tab.1 Hull model parameters

表2 模型槳參數(shù)Tab.2 Model propeller parameters

帶舵的整船模型安裝螺旋槳的實(shí)物圖如圖1所示。噪聲測量試驗(yàn)的配置如圖2所示。

圖1 整船模型帶螺旋槳實(shí)物圖Fig.1 Photograph of hull model with model propeller

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)條件

圖2 試驗(yàn)配置Fig.2 Experimental setup

根據(jù)ITTC 建議的試驗(yàn)準(zhǔn)則及中國船舶研究中心提供的試驗(yàn)指導(dǎo)，在水洞中進(jìn)行模型槳模擬實(shí)槳加速過程噪聲測試時，需要遵守的相似準(zhǔn)則是［3-4］:

1)幾何相似:按縮尺比1∶28 制作的船體模型、螺旋槳模型保證了模型與實(shí)體的幾何相似，且強(qiáng)度、剛度滿足試驗(yàn)要求。

2)螺旋槳0.7R 處雷諾數(shù)超過臨界雷諾數(shù)Rn(0.7R)，

式中:va是螺旋槳前進(jìn)速度;C0.75R是0.75R 處槳葉切面弦長;R 為半徑;n 為螺旋槳轉(zhuǎn)速;D 為螺旋槳直徑;ν 是水的運(yùn)動粘滯系數(shù)。

3)推進(jìn)器的負(fù)荷系數(shù)KT相等，即

式中:ρs是海水的密度;ρm是水洞中水的密度;Ts是實(shí)槳推力;Tm是模型槳推力;Ds和Dm分別是實(shí)槳和模型槳的直徑;ns和nm分別是實(shí)槳和模型槳的轉(zhuǎn)速。

4)模型槳軸線正上方0.9R 處的空泡數(shù)σ(0.9R)m和實(shí)船空泡數(shù)σ(0.9R)s相等:

式中:Pa是大氣壓;hs是實(shí)槳槳軸中心沉深;P0是水洞中的壓力調(diào)節(jié)值;γ 是水的重量密度;h0.9R是0.9R半徑剖面在12 點(diǎn)鐘位置的深度;pv是水的飽和蒸汽壓。

當(dāng)模擬螺旋槳加速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時，首先可認(rèn)為對于實(shí)船和水洞試驗(yàn)，在較短的加速時間間隔內(nèi)，環(huán)境參數(shù)不會發(fā)生變化，即Pa、P0、ρm、ρs、γ、pv、v 為常數(shù);并可認(rèn)為實(shí)槳和模型槳的吃水深度不變，即h0.9R和hs為常數(shù)。另外由于螺旋槳的幾何參數(shù)Ds、Dm、C0.75R是恒定的，因此式(6)和式(7)可以寫成:

式中:cs和cm為常數(shù)。從式(8)和式(9)可以得出:當(dāng)實(shí)槳和模型槳的起始轉(zhuǎn)速能夠使式(5)成立，則當(dāng)ns和nm成比例增長時，可以滿足等空泡數(shù)的條件。

由于船舶通常具有較大的慣性，因此我們可以認(rèn)為在船舶螺旋槳相對短暫的加速過程中，船速是近似不變的，即va是常數(shù)。因此在螺旋槳加速旋轉(zhuǎn)時，若模型槳起始轉(zhuǎn)速滿足相似準(zhǔn)則的要求，則整個加速過程均可滿足雷諾數(shù)大于臨界雷諾數(shù)的要求。

考慮到船舶加減速時通常船速和螺旋槳轉(zhuǎn)速都對應(yīng)相應(yīng)的檔位，且各個檔位的進(jìn)速比J =va/nD 的設(shè)計(jì)值往往都落在螺旋槳特性曲線(KT-J 曲線)的線性段上，且遠(yuǎn)離非線性段的一端［10］。因此當(dāng)va是常數(shù)時，即使轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)的增長，仍能使負(fù)荷系數(shù)與進(jìn)速比保持線性關(guān)系。所以，在利用模型槳模擬實(shí)槳工況時，若能滿足假設(shè)條件:螺旋槳加速旋轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)速的提高不會使KT的值落在KT-J 曲線的非線性段上，則式(3)和式(4)可以寫成:

式中:as、am、a's和a'm均為固定的比例系數(shù)。因此，若實(shí)槳和模型槳的起始狀態(tài)能夠滿足式(2)，則當(dāng)ns和nm成比例增長時，可以滿足等負(fù)荷系數(shù)的準(zhǔn)則。

根據(jù)以上的分析，在水洞中進(jìn)行模型槳模擬實(shí)槳加速狀態(tài)下的噪聲測試試驗(yàn)時，為符合水洞試驗(yàn)相似準(zhǔn)則的要求，應(yīng)該滿足的試驗(yàn)條件是:

1)試驗(yàn)中，模型槳起始狀態(tài)的試驗(yàn)參數(shù)應(yīng)該滿足式(1)、式(2)、式(4)和式(5)，即模型槳起始狀態(tài)可預(yù)報(bào)到實(shí)船的某較低速工況;

2)試驗(yàn)中水流速度保持不變，模擬實(shí)槳加速而實(shí)船航速尚未來得及提高的過程;

3)試驗(yàn)中及實(shí)船工況下的環(huán)境參數(shù)保持不變，且槳軸深沉不變，即使式(8)和式(9)成立;

4)保證模型槳與實(shí)槳的負(fù)荷系數(shù)值在螺旋槳特性曲線的線性段范圍內(nèi)增加，并且模型槳與實(shí)槳轉(zhuǎn)速等比例增長，即使式(10)和式(11)成立。

其中，第2)～3)項(xiàng)的試驗(yàn)條件在較短的加速時間間隔內(nèi)與實(shí)際情況是近似相符的，第1)和4)項(xiàng)可以通過試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

2.2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

根據(jù)2.1 節(jié)中總結(jié)的試驗(yàn)條件，加速螺旋槳水洞噪聲測試試驗(yàn)的工況設(shè)計(jì)步驟為:

第1 步:根據(jù)實(shí)船的一個較低速的測試點(diǎn)工況，通過式(2)至式(7)計(jì)算起始試驗(yàn)參數(shù)，包括:水流速度、壓力調(diào)節(jié)值和模型槳起始轉(zhuǎn)速，并保證試驗(yàn)流速和模型槳轉(zhuǎn)速能夠滿足式(1)超過臨界雷諾數(shù)的要求。

第2 步:計(jì)算螺旋槳轉(zhuǎn)速允許增加的范圍。通過各自的KT-J 曲線確定其線性段對應(yīng)的最小的進(jìn)速系數(shù)值J'm及J's.再根據(jù)模型槳及實(shí)槳的負(fù)荷系數(shù)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，計(jì)算此模型槳的最大目的轉(zhuǎn)速

式中:vs是實(shí)船的航速;n's=vs/J'sDs是實(shí)槳的最大允許轉(zhuǎn)速。

第3 步:保持壓力和水流速度不變，均勻地調(diào)節(jié)控制臺的螺旋槳轉(zhuǎn)速控制旋鈕，提高螺旋槳的轉(zhuǎn)速且不超過n'm，這樣就可以通過模型槳在水洞中的加速試驗(yàn)?zāi)M了實(shí)槳加速工況，并進(jìn)而獲得有效的加速螺旋槳噪聲水洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)工況

本次試驗(yàn)?zāi)M的某集裝箱船的3 個起始工況的參數(shù)如表3所示。按照上文所述試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)步驟，并根據(jù)此工況下給定的實(shí)槳推力Ts及動力儀測得的模型槳推力Tm，通過式(2)～式(7)計(jì)算得到水洞試驗(yàn)螺旋槳起始參數(shù)也示于表3。

將表3中各個工況的螺旋槳起始試驗(yàn)參數(shù)帶入式(1)，可以滿足大于臨界雷諾數(shù)的要求。由于通常出于船舶推進(jìn)系統(tǒng)安全性等方面的考慮，其螺旋槳在加速過程中可認(rèn)為轉(zhuǎn)速的提高是近似均勻的，因此在試驗(yàn)中均勻提高模型槳的轉(zhuǎn)速至目的轉(zhuǎn)速，從而完成螺旋槳勻加速旋轉(zhuǎn)過程的模擬。在不同的工況下并分別進(jìn)行多次試驗(yàn)，以獲得多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表3 模擬工況及試驗(yàn)參數(shù)Tab.3 Simulated operation condition and test parameters

3.2 轉(zhuǎn)速參考值的獲取方法

水洞試驗(yàn)設(shè)備可輸出水流速度、水聽器采集信號及螺旋槳轉(zhuǎn)速3 路模擬信號，均通過采樣頻率Fs=108.696 kHz 的采集卡采樣，每次采集數(shù)據(jù)的時間為10 s.其中水流速度以電壓表示，且其數(shù)值與螺旋槳轉(zhuǎn)速無關(guān)，可以直接換算獲得。

而螺旋槳轉(zhuǎn)速并非直接輸出，而是每旋轉(zhuǎn)一圈，由螺旋槳動力儀產(chǎn)生256 個脈沖，從而形成連續(xù)的脈沖串信號，如圖3所示為0.005 s 內(nèi)的轉(zhuǎn)速脈沖串信號。

圖3 螺旋槳轉(zhuǎn)速脈沖信號Fig.3 Rotation pulse signal of the propeller

通常螺旋槳水洞試驗(yàn)中轉(zhuǎn)速是固定的，可以通過計(jì)算固定時間內(nèi)脈沖個數(shù)以換算得到轉(zhuǎn)速參考值，此時由于脈沖重復(fù)周期固定，轉(zhuǎn)速測量精度可得到保證;而當(dāng)螺旋槳加速旋轉(zhuǎn)時，脈沖重復(fù)周期不斷變短，仍采用這樣的計(jì)算方法精度也隨之變化。為此，采用螺旋槳每旋轉(zhuǎn)固定的角度所經(jīng)歷的時間進(jìn)行換算，此時時間精度為采樣間隔，不僅精度值固定且精度更高，同時也不會帶來運(yùn)算量的增加，因此是更好的獲取螺旋槳轉(zhuǎn)速與時間關(guān)系曲線(n-t 曲線)的方法。之后，再基于最小二乘準(zhǔn)則擬合n-t 曲線，以獲取起始轉(zhuǎn)速和加速度的參考值。獲取加速螺旋槳轉(zhuǎn)速信息的實(shí)現(xiàn)步驟為:

1)求出脈沖信號p(k)的中值A(chǔ)m，并計(jì)算pm(k)=p(k)-Am;

2)逐點(diǎn)掃描pm(k)，通過判斷pm(k)/pm(k -1)的正負(fù)以確定pm(k)是否過零，每過2 次零點(diǎn)計(jì)為一個脈沖;

3)每計(jì)64 個脈沖，計(jì)算掃描的采樣點(diǎn)數(shù)Np，以求出螺旋槳每旋轉(zhuǎn)90 度所經(jīng)過的時間Tp=Np/Fs，并換算得到該段時間的平均轉(zhuǎn)速vR=1/8Tp;

4)重復(fù)步驟3)，以獲得整個采集時間內(nèi)的n-t曲線;

5)分別截取螺旋槳勻速、加速時間段的n-t 曲線，根據(jù)文獻(xiàn)［11］中的計(jì)算方法，運(yùn)用最小二乘準(zhǔn)則擬合n-t 曲線。勻速段擬合階次取1，加速段擬合階次取2，從而得到螺旋槳的起始轉(zhuǎn)速、目的轉(zhuǎn)速和加速度參考值。

圖4所示為計(jì)算得到的某次試驗(yàn)的n-t 曲線。多次試驗(yàn)的n-t 曲線最小二乘擬合結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果一起列于表4中以進(jìn)行對比。

圖4 加速螺旋槳轉(zhuǎn)速-時間曲線Fig.4 Rotation speed-time curve of accelerating propeller

3.3 采集數(shù)據(jù)分析

在水洞中模擬實(shí)槳加速過程的試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱搜芯刻崛〖铀傩D(zhuǎn)螺旋槳水聲信號特征的方法，因而在滿足水洞試驗(yàn)相似準(zhǔn)則的前提下，主要關(guān)心的是試驗(yàn)數(shù)據(jù)所反映出的水聲信號變化規(guī)律，即所采集的數(shù)據(jù)能否反映螺旋槳轉(zhuǎn)速及其變化信息。被動水聲探測系統(tǒng)通常利用噪聲調(diào)制包絡(luò)分析［12］(DEMON)方法提取螺旋槳的轉(zhuǎn)速特征，因此分別計(jì)算得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的DEMON 圖，如圖5所示。

DEMON 圖體現(xiàn)了寬帶螺旋槳噪聲幅度調(diào)制包絡(luò)的時頻分布，由于的模型槳各槳葉間空化程度比較均勻，因此從圖5中可以看到輸出結(jié)果中僅葉頻分量顯著，而通常情況下，螺旋槳的一個葉片要比其他葉片空化劇烈［10-11］，在軸頻及其各次諧波處也有相應(yīng)的譜線。圖5說明在加速段調(diào)制信號的葉頻分量頻率是隨時間近似線性增加的。

對DEMON 圖所表征的加速段部分作Radon 變換，可以提取圖譜上的線譜成分。圖5的Radon 變換輸出如圖6所示。

圖5 實(shí)測加速螺旋槳噪聲的DEMON 圖Fig.5 DEMON spectrogram of measured propeller noise

圖6 加速螺旋槳噪聲DEMON 圖的Radon 變換結(jié)果Fig.6 Radon transform of the DEMON spectrogram

分別求采集的3 個工況6 次試驗(yàn)數(shù)據(jù)DEMON圖的Radon 變換，以其輸出的峰值所對應(yīng)角度的正切值估計(jì)得到螺旋槳軸頻加速度，將估值與參考值在表4中對比列出:

表4 螺旋槳轉(zhuǎn)速參考值與加速度估值對比Tab.4 The comparison of nominal value and estimated result for the propeller rotation speed

表4的對比結(jié)果表明，采用Radon 變換識別DEMON 圖上調(diào)制包絡(luò)變化率的結(jié)果接近于轉(zhuǎn)速加速度參考值，說明加速螺旋槳水洞噪聲測試試驗(yàn)所獲取的數(shù)據(jù)能夠反映出轉(zhuǎn)速變化率的信息，因而能夠?yàn)檫M(jìn)一步研究加速狀態(tài)下螺旋槳輻射噪聲的水聲信號特征及特征提取算法提供有力的支撐。

4 結(jié)論

本文開展了模型槳模擬實(shí)槳加速過程的噪聲測試水洞試驗(yàn)研究，獲得的主要結(jié)論有:

1)獲得了加速旋轉(zhuǎn)螺旋槳噪聲測試水洞試驗(yàn)條件與工況設(shè)計(jì)步驟，從而可通過水洞試驗(yàn)獲取能反映實(shí)槳加速狀態(tài)下輻射噪聲特性的有效試驗(yàn)數(shù)據(jù);

2)提出了從螺旋槳動力儀輸出脈沖信號中獲取轉(zhuǎn)速參考值的方法，且測量精度不受脈沖重周期變化的影響，固定為采樣間隔;

3)采用Radon 變換識別對加速旋轉(zhuǎn)螺旋槳試驗(yàn)數(shù)據(jù)DEMON 圖的分析結(jié)果表明，螺旋槳噪聲調(diào)制包絡(luò)頻率的變化率等于螺旋槳旋轉(zhuǎn)加速度，有助于進(jìn)一步研究螺旋槳在加速狀態(tài)下的水聲信號特征及其提取算法。

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