曾 賽，杜選民，范 威 ，劉竹青

（1.上海船舶電子設(shè)備研究所 水聲對(duì)抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201108；2.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫 214082）

0 引 言

對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳具有推進(jìn)效率高、扭矩平衡等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于水下高速航行體、高速快艇等[1]。單槳螺旋槳?jiǎng)t被廣泛應(yīng)用在水面船舶上，如民船領(lǐng)域。近年來(lái)，水下目標(biāo)的分類(lèi)與識(shí)別技術(shù)備受各國(guó)聲納和艦船科研工作者的關(guān)注，用于水下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水下作戰(zhàn)武器自導(dǎo)系統(tǒng)、水聲引信的水聲探測(cè)的目標(biāo)分類(lèi)識(shí)別技術(shù)，是研發(fā)水聲對(duì)抗器材、水下探測(cè)系統(tǒng)、港口預(yù)警防御系統(tǒng)以及水下攻防設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)[2]。隨著人類(lèi)海洋活動(dòng)的日益頻繁，水下或者水上航行體的聲隱身指標(biāo)越來(lái)越重要，作為重要噪聲源的螺旋槳始終是被關(guān)注的重點(diǎn)。已有的船舶噪聲治理文獻(xiàn)表明，艦船的三大水下噪聲源中螺旋槳噪聲對(duì)總噪聲貢獻(xiàn)最大[3]。從螺旋槳輻射噪聲中提取與水下以及水面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)相關(guān)信號(hào)特征是分類(lèi)水下目標(biāo)的有效途徑。為了探索螺旋槳空泡以及非空泡輻射噪聲的水聲信號(hào)特征以及相關(guān)的信號(hào)處理方法，比較對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳和單槳在輻射噪聲上的差異性，研究螺旋槳噪聲測(cè)試的實(shí)驗(yàn)方法以及獲得對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳和單槳的輻射噪聲數(shù)據(jù)是十分必要的。目前，與航空領(lǐng)域?qū)β菪龢肼暤难芯肯啾?，學(xué)術(shù)界對(duì)于水下螺旋槳空泡以及非空泡噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和模型建立尚不成熟和完備，還不能精確預(yù)報(bào)螺旋槳的空泡和非空泡噪聲譜級(jí)，加之海試實(shí)驗(yàn)存在設(shè)備和人力成本高昂的問(wèn)題，且水聲環(huán)境的影響不易控制，故在研究的初期采用符合ITTC（國(guó)際拖曳水池會(huì)議International Towing Tank Conference）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的水筒試驗(yàn)方式是經(jīng)濟(jì)可行的，且不斷有科技工作者在大型空泡水筒或者減壓水池等設(shè)備中來(lái)探索螺旋槳的空泡和非空泡噪聲特性，試圖發(fā)現(xiàn)螺旋槳的輻射噪聲規(guī)律[4]。

眾多國(guó)內(nèi)外研究人員在空泡水筒或水洞中應(yīng)用縮比模型針對(duì)螺旋槳空化噪聲進(jìn)行了試驗(yàn)研究[5]。ITTC亦給出了進(jìn)行水筒噪聲測(cè)試的注意要點(diǎn)和進(jìn)行水洞試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則，并且逐步成為此后水洞和水筒噪聲測(cè)試的準(zhǔn)則[6]。國(guó)內(nèi)科研工作者也利用水筒或水洞設(shè)備對(duì)螺旋槳噪聲進(jìn)行了探索，突出的工作來(lái)自于中國(guó)船舶科學(xué)研究中心的朱錫清[7]，其利用空泡水筒測(cè)試了不同對(duì)轉(zhuǎn)槳的噪聲和水動(dòng)力性能，得到了一系列關(guān)于對(duì)轉(zhuǎn)槳噪聲特性的研究成果。曾賽[8-10]針對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳的無(wú)空化噪聲進(jìn)行了深入的理論分析，進(jìn)行了數(shù)值仿真驗(yàn)證，并通過(guò)空泡水筒試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析和數(shù)值計(jì)算結(jié)果。楊勇等[11]利用中型空泡水筒對(duì)單槳的空泡噪聲進(jìn)行了測(cè)量，提出了利用橫向和垂向加速度計(jì)進(jìn)行噪聲消除的技術(shù)。馮源等[12]利用水洞研究了螺旋槳在加速狀態(tài)下的輻射噪聲特征。胡健等[13]利用水筒測(cè)試了單槳的空泡噪聲以此來(lái)驗(yàn)證其空泡數(shù)值模型。

然而，已有的研究工作都是針對(duì)單一槳型展開(kāi)模型試驗(yàn)，對(duì)轉(zhuǎn)槳和單槳由于結(jié)構(gòu)上的差異，其輻射噪聲譜在結(jié)構(gòu)上也應(yīng)該存在差異，尚沒(méi)有公開(kāi)文獻(xiàn)表明有人對(duì)此展開(kāi)過(guò)對(duì)比研究。本文討論了在ITTC準(zhǔn)則下空泡水筒測(cè)量螺旋槳噪聲的試驗(yàn)條件，提出了相應(yīng)的試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)方法，針對(duì)水筒測(cè)量信號(hào)局限性的問(wèn)題，提出了多頻段調(diào)制譜處理方法的信號(hào)處理手段，提取了對(duì)轉(zhuǎn)槳和單槳在空泡以及非空泡工況下的低頻調(diào)制線(xiàn)譜，比較了二者的特征，為進(jìn)一步的試驗(yàn)、信號(hào)特征和處理方法奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 試驗(yàn)水筒簡(jiǎn)介

為了比較研究對(duì)轉(zhuǎn)槳和單槳分別在空化和非空化狀態(tài)下輻射噪聲的水聲信號(hào)特征，在中國(guó)船舶科學(xué)研究中心的大型空泡水筒中進(jìn)行了對(duì)轉(zhuǎn)槳和單槳的空化和非空化輻射噪聲測(cè)量試驗(yàn)。該大型空泡水筒實(shí)驗(yàn)段的體積為3.2 m×0.8 m×0.8 m，水筒可以進(jìn)行較大范圍內(nèi)的壓力調(diào)節(jié)，水流速度范圍為2～20 m/s，流速不均勻度小于1%，最小空泡數(shù)為0.15?？张菟补ぷ鞫问疽鈭D如圖1所示。

空泡水筒實(shí)驗(yàn)段的側(cè)壁安置有體積為1 m×0.6 m×0.6 m的水聲測(cè)量消聲艙，為了盡可能減少水流湍動(dòng)對(duì)噪聲測(cè)量的影響，在水筒實(shí)驗(yàn)段的側(cè)壁上采用有機(jī)玻璃透聲窗將水聲測(cè)量消聲艙與實(shí)驗(yàn)段隔離，在數(shù)據(jù)處理階段，可以忽略有機(jī)透聲窗對(duì)聲信號(hào)傳播的影響。水聲艙體積較為狹小，不能產(chǎn)生開(kāi)闊水域的聲場(chǎng)測(cè)量條件，為了減小壁面反射對(duì)噪聲測(cè)量的影響，在水聲艙內(nèi)層四壁布滿(mǎn)了消聲尖劈。在消聲艙與實(shí)驗(yàn)段相結(jié)合的部位安裝有B&k8105標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器。采集的數(shù)據(jù)最終在顯示屏上呈現(xiàn)。以上的性能指標(biāo)使得該大型空泡水筒能夠用于進(jìn)行螺旋槳噪聲測(cè)試。

1.2 試驗(yàn)槳模簡(jiǎn)介

本次實(shí)驗(yàn)擬在空泡水筒中測(cè)量對(duì)轉(zhuǎn)槳和單槳在均勻進(jìn)流條件下的無(wú)空化和空化輻射噪聲信號(hào)。選用的對(duì)轉(zhuǎn)槳槳模參數(shù)如表1所示，前槳為DTMB3686，后槳為DTMB3849。單槳槳模選用DTMB3686槳模。

圖1 空泡水筒工作段的示意圖Fig.1 Schematic diagram of cavitation tunnel working section

表1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突緟?shù)Tab.1 The basic parameters of experimental model

圖2 加工后槳模示意圖Fig.2 Schematic diagram of propeller model

圖3 槳模型安裝圖Fig.3 Schematic diagram of mounted propeller model

加工好的槳模如圖2所示。對(duì)轉(zhuǎn)槳的前后槳采用不同的動(dòng)力儀進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，前槳用直流動(dòng)力儀驅(qū)動(dòng)，后槳用斜流動(dòng)力儀驅(qū)動(dòng)。模型安裝如圖3所示。

2 試驗(yàn)方法和工況設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)則

根據(jù)ITTC的建議和中國(guó)船舶科學(xué)研究中心的試驗(yàn)規(guī)程，在該大型空泡水筒中進(jìn)行對(duì)轉(zhuǎn)槳槳模試驗(yàn)時(shí)，前后槳安裝在空泡水筒的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，前槳使用同軸的長(zhǎng)軸動(dòng)力儀驅(qū)動(dòng)，后槳使用斜流動(dòng)力儀驅(qū)動(dòng)，斜流動(dòng)力儀安裝在筒壁上，前后槳的軸線(xiàn)就是旋轉(zhuǎn)軸的中心線(xiàn)，安裝的過(guò)程中要確保對(duì)轉(zhuǎn)槳的前后槳相對(duì)來(lái)流水速無(wú)攻角和無(wú)漂角，前后槳的間距固定，前后槳在軸上通過(guò)鍵槽固定牢固，確保在試驗(yàn)中前后槳在來(lái)流的沖擊下不出現(xiàn)抖動(dòng)。為了確保水筒中水流的“純凈”，在槳模安裝好以后，需要進(jìn)行一段時(shí)間的除氣處理，因?yàn)槿苡谒械目諝獾刃в跉夂?，氣核的存在將直接影響到?duì)轉(zhuǎn)槳以及單槳的空泡起始，這對(duì)于非空化噪聲的測(cè)量試驗(yàn)是不利的；若不進(jìn)行除氣處理，一旦產(chǎn)生一定程度的空泡，這部分氣核空泡會(huì)阻止其他部分空泡的崩潰，影響測(cè)量的總噪聲級(jí)，還會(huì)直接影響到聲學(xué)介質(zhì)的特性，這對(duì)于空泡噪聲的測(cè)量試驗(yàn)是不利的。試驗(yàn)測(cè)量開(kāi)始之前進(jìn)行排氣處理，經(jīng)過(guò)處理后，水筒中的氣泡含量比為0.85。

為了模擬螺旋槳所在流場(chǎng)的真實(shí)情形，要求螺旋槳0.7R處雷諾數(shù)超過(guò)臨界雷諾數(shù)[6]，即，

式中：va為螺旋槳前進(jìn)速度；C0.75R為0.75R處槳葉切面弦長(zhǎng)；R為螺旋槳半徑；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速；D為螺旋槳直徑；ν為水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)。在試驗(yàn)開(kāi)始前的參數(shù)設(shè)計(jì)階段要考慮到這些準(zhǔn)則的要求和限制，使設(shè)計(jì)的參數(shù)滿(mǎn)足準(zhǔn)則要求。

2.2 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

在空泡水筒中進(jìn)行螺旋槳噪聲測(cè)試試驗(yàn)，包含有兩部分系統(tǒng)的搭建，第一部分是動(dòng)力儀部分，在對(duì)轉(zhuǎn)槳噪聲測(cè)量時(shí)，前槳使用直流長(zhǎng)軸動(dòng)力儀驅(qū)動(dòng)，后槳使用斜流動(dòng)力儀驅(qū)動(dòng)，如圖3所示；第二部分為水聲信號(hào)的采集與分析部分，采用注水艙單水聽(tīng)器測(cè)量的方法。試驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)的原理如圖4所示。試驗(yàn)中，為了觀察槳葉表面的空化情形以及附近的流場(chǎng)形態(tài)，采用頻閃儀輔助觀察。圖5為顯示螺旋槳轉(zhuǎn)速的裝置，結(jié)合該裝置給出的螺旋槳轉(zhuǎn)速便可以調(diào)節(jié)頻閃儀輔助觀察螺旋槳槳葉表面的流場(chǎng)以及空化情形。

圖4 試驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the experimental measurement platform

圖5 轉(zhuǎn)速顯示與頻閃輔助觀察設(shè)備Fig.5 Schematic diagram of speed display and auxiliary stroboscopic observation equipment

2.3 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

根據(jù)1.1給出的試驗(yàn)準(zhǔn)則以及試驗(yàn)條件，對(duì)轉(zhuǎn)槳和單槳非空化和空化噪聲測(cè)試的工況設(shè)計(jì)步驟為：

（1）根據(jù)螺旋槳尺寸以及動(dòng)力儀量程初步估算空泡水筒中進(jìn)行螺旋槳試驗(yàn)時(shí)的極限轉(zhuǎn)速，為了避免給動(dòng)力儀帶來(lái)?yè)p壞，螺旋槳的設(shè)計(jì)工況轉(zhuǎn)速不能高于該極限轉(zhuǎn)速。

（2）結(jié)合螺旋槳的水動(dòng)力性能曲線(xiàn)和極限轉(zhuǎn)速的限制，計(jì)算起始試驗(yàn)的參數(shù)，即水筒來(lái)流速度、水筒壓力調(diào)節(jié)值、空泡數(shù)和模型槳起始轉(zhuǎn)速。確保模型槳能夠滿(mǎn)足臨界雷諾數(shù)的要求。

（3）只有槳轂時(shí)噪聲的測(cè)量。在進(jìn)行有槳噪聲測(cè)試之前，針對(duì)每一種工況下的槳轂噪聲進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量，方便與有槳葉時(shí)的噪聲進(jìn)行比較研究。

（4）保持水筒壓力和來(lái)流速度不變，調(diào)節(jié)控制平臺(tái)的螺旋槳轉(zhuǎn)速控制按鈕，使轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值，待穩(wěn)定后獲得螺旋槳噪聲水筒試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)工況

空泡水筒在設(shè)定水速和固定加壓情形下，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制按鈕使得螺旋槳處于試驗(yàn)工況。對(duì)轉(zhuǎn)槳和單槳的噪聲試驗(yàn)工況如下表所示。表2中，A表示對(duì)轉(zhuǎn)槳的工況1，即只有前后槳轂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的噪聲，稱(chēng)之為對(duì)轉(zhuǎn)槳背景噪聲工況；B表示對(duì)轉(zhuǎn)槳噪聲測(cè)試工況，其中B-5為對(duì)轉(zhuǎn)槳空化工況；含氣比是指空泡水筒經(jīng)過(guò)排氣處理后，水筒的含氣量與原含氣量的比值；進(jìn)速系數(shù)按照定義計(jì)算而來(lái)，此時(shí)的進(jìn)速系數(shù)是指前槳的進(jìn)速系數(shù)，當(dāng)試驗(yàn)的水流速度和對(duì)轉(zhuǎn)槳轉(zhuǎn)速確定后便可以計(jì)算得到進(jìn)速系數(shù)；下表3中的項(xiàng)目意義與表2一樣，其中C表示單槳背景噪聲工況，D為單槳噪聲測(cè)試工況。D-5為單槳空化工況。

表2 對(duì)轉(zhuǎn)槳噪聲試驗(yàn)工況表Tab.2 The noise test table of counter-rotation propeller

表3 單槳噪聲試驗(yàn)工況表Tab.3 The noise test table of single propeller

續(xù)表3

3.2 對(duì)轉(zhuǎn)槳和單槳聲壓頻譜比較

在空泡水筒中進(jìn)行螺旋槳噪聲測(cè)試試驗(yàn)，應(yīng)遵守ITTC給出的規(guī)范準(zhǔn)則，即聲模數(shù)準(zhǔn)則。

式中：N為聲模數(shù)，c為水中聲速，f為噪聲頻率，V為實(shí)驗(yàn)段體積。利用本試驗(yàn)使用的空泡水筒參數(shù)可以計(jì)算得到，可以利用的噪聲頻段為800 Hz以上。本試驗(yàn)利用的噪聲測(cè)試頻段為800 Hz～63 kHz。

按照表2和表3給出的工況情形，分別測(cè)量離槳盤(pán)面0.642 m處的螺旋槳噪聲，其中對(duì)轉(zhuǎn)槳測(cè)量為前槳的盤(pán)面處。對(duì)所測(cè)得的噪聲時(shí)域信號(hào)進(jìn)行1/3倍頻程分析，得到各類(lèi)工況下的1/3倍頻程功率譜如下圖所示。圖中直接從水筒的有效頻段開(kāi)始作圖，去掉了800 Hz以下部分，n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，rps表示轉(zhuǎn)每秒。為了作圖美觀，橫坐標(biāo)使用對(duì)數(shù)坐標(biāo)。

圖6 對(duì)轉(zhuǎn)槳A工況槳轂1/3倍頻程功率譜Fig.6 Schematic diagram of 1/3 octave spectrum of counter-rotation propeller hub

圖7 單槳C工況槳轂1/3倍頻程功率譜Fig.7 Schematic diagram of 1/3 octave spectrum of single propeller hub

如圖6-7所示為對(duì)轉(zhuǎn)槳和單槳槳轂在試驗(yàn)空泡水筒中1/3倍頻程功率譜曲線(xiàn)。從圖中可以看出，無(wú)論是對(duì)轉(zhuǎn)槳還是單槳，其槳轂噪聲在整個(gè)測(cè)量頻段上均有分布，動(dòng)力儀槳轂噪聲在不同的頻段上分布有較大差異，隨著軸轉(zhuǎn)速的升高，背景噪聲級(jí)逐漸增加，在測(cè)量的頻段內(nèi)，對(duì)轉(zhuǎn)槳典型工況下的總背景噪聲級(jí)分別為109.1 dB、112.8 dB、115.1 dB、116.2 dB和120.8 dB；單槳典型工況下的總背景噪聲級(jí)為100.7 dB、103.8 dB、104.6 dB、105.6 dB和109.3 dB。從中可以看出，由于對(duì)轉(zhuǎn)槳后槳槳轂的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得對(duì)轉(zhuǎn)槳的背景噪聲比單槳大9～11.5 dB，驅(qū)動(dòng)后槳轉(zhuǎn)動(dòng)的斜流動(dòng)力儀對(duì)整個(gè)背景噪聲貢獻(xiàn)較大。對(duì)轉(zhuǎn)槳和單槳的槳轂背景噪聲存在一些特征，首先，在3.8 kHz和8 kHz附近均存在功率譜峰值。其次，對(duì)轉(zhuǎn)槳背景噪聲在800 Hz～10 kHz頻段內(nèi)噪聲功率譜較高，10 kHz～30 kHz頻段內(nèi)噪聲功率譜按照倍頻程10 dB衰減，在30～63 kHz頻段內(nèi)為高頻連續(xù)譜，對(duì)轉(zhuǎn)槳噪聲衰減非常緩慢；單槳的背景噪聲頻譜特征與對(duì)轉(zhuǎn)槳的基本一致。

圖8 對(duì)轉(zhuǎn)槳非空泡工況1/3倍頻程功率譜Fig.8 Schematic diagram of non-cavitation 1/3 octave spectrum of CRP

圖9單槳非空泡工況1/3倍頻程功率譜Fig.9 Schematic diagram of non-cavitation 1/3 octave spectrum of single propeller

圖8 所示為對(duì)轉(zhuǎn)槳模在非空化工況下的噪聲1/3倍頻程功率譜，在非空化工況情形下，總噪聲級(jí)隨著轉(zhuǎn)速的升高而增加，在測(cè)試頻段內(nèi)總聲級(jí)分別為116.8 dB、119.2 dB、126.2 dB和131.1d B。在800 Hz～5 kHz頻段內(nèi)，噪聲功率譜存在兩個(gè)峰值，這與水筒自身特性有關(guān)，主要由水筒的混響造成，詳見(jiàn)3.3節(jié)。在5～40 kHz頻段內(nèi)，噪聲功率譜呈現(xiàn)穩(wěn)定的衰減特性，在測(cè)量工況情形下以每倍頻程9.25～10.5 dB規(guī)律快速衰減，至40 kHz時(shí)，噪聲功率譜趨于穩(wěn)定；對(duì)比圖8和圖6所示的對(duì)轉(zhuǎn)槳背景輻射噪聲頻譜，可以看出，在800 Hz～63 kHz頻段內(nèi)，對(duì)轉(zhuǎn)槳噪聲級(jí)比背景噪聲高5 dB以上，說(shuō)明測(cè)試信號(hào)具有較好的信噪比。在1.8 kHz和3.8 kHz附近，有槳時(shí)的譜峰值明顯高于無(wú)槳時(shí)的背景噪聲。

圖9所示為單槳槳模在非空化工況下的噪聲1/3倍頻程功率譜。其噪聲級(jí)隨轉(zhuǎn)速而變化的規(guī)律與對(duì)轉(zhuǎn)槳一致，在測(cè)試頻段內(nèi)，典型工況對(duì)應(yīng)的總噪聲級(jí)分別為110 dB、113.4 dB、118.6 dB和132.2 dB。在800 Hz～5 kHz頻段內(nèi)存在兩個(gè)明顯的峰值，分別在3.8 kHz附近和8 kHz附近，這兩個(gè)峰值產(chǎn)生的原因與對(duì)轉(zhuǎn)槳非空化噪聲功率譜曲線(xiàn)中峰值產(chǎn)生的原因是不同的，詳見(jiàn)3.3節(jié)。單槳轉(zhuǎn)速為14 rps時(shí)，在8 kHz附近產(chǎn)生非常劇烈的峰值，高出背景噪聲達(dá)40 dB，原因是此時(shí)單槳發(fā)生了“唱音”效應(yīng)，在試驗(yàn)測(cè)試中也聽(tīng)到了單槳螺旋槳發(fā)出的“嘯叫”。在10～40 kHz頻段內(nèi)，噪聲功率譜呈現(xiàn)穩(wěn)定的衰減特性，在測(cè)量工況情形下以每倍頻程11～14 dB規(guī)律快速衰減，至40 kHz時(shí)，噪聲功率譜趨于穩(wěn)定；比較圖9和圖7所示的單槳背景輻射噪聲頻譜，可以看出背景輻射噪聲較高，在800 Hz～3 kHz范圍內(nèi)，信噪比在1～3 dB，至3 kHz以后，信噪比大于6 dB，說(shuō)明測(cè)試信號(hào)具有較好的信噪比。

比較圖8和圖9對(duì)轉(zhuǎn)槳和單槳的非空化噪聲功率譜，可以發(fā)現(xiàn)其在噪聲級(jí)、噪聲衰減特性、信噪比和頻譜峰值上存在差異。在相同工況下，對(duì)轉(zhuǎn)槳非空化噪聲級(jí)明顯高于單槳非空化噪聲級(jí)。這是由于后槳的存在以及流場(chǎng)特征差異造成的；在噪聲衰減特性上，二者基本一致，單槳的非空化噪聲每倍頻程的衰減要大于對(duì)轉(zhuǎn)槳非空化噪聲；在800 Hz以上的研究頻段，空泡水筒中對(duì)轉(zhuǎn)槳非空化噪聲的測(cè)試信噪比要優(yōu)于單槳；頻譜峰值上，對(duì)轉(zhuǎn)槳的頻譜峰值集中在5 kHz以下，主要與空泡水筒自身的結(jié)構(gòu)特征有關(guān)，單槳的頻譜峰值除了與水筒自身結(jié)構(gòu)特征有關(guān)，與槳模自身的特征有關(guān)。

圖10單槳與對(duì)轉(zhuǎn)槳空泡工況1/3倍頻程功率譜Fig.10 Schematic diagram of cavitation 1/3 octave spectrum of CRP and single propeller

圖10 所示為單槳和對(duì)轉(zhuǎn)槳空化工況下噪聲測(cè)試結(jié)果，從中可以看出，空泡工況下，對(duì)轉(zhuǎn)槳和單槳的1/3倍頻程功率譜曲線(xiàn)變化趨勢(shì)基本一致，在3.8 kHz附近均存在頻譜峰值，這主要與水筒自身的結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。5～40 kHz頻段內(nèi)，噪聲倍頻程衰減值比非空泡工況下要小，對(duì)轉(zhuǎn)槳和單槳的空泡工況下倍頻程噪聲級(jí)按照6 dB衰減。

3.3 空泡水筒自身特征自振頻率的影響

根據(jù)對(duì)圖6～10的單槳和對(duì)轉(zhuǎn)槳噪聲1/3倍頻程功率譜圖分析可知，在1.8 kHz（圖8）、3.8 kHz（圖6～10）和 8 kHz（圖 7、圖 9）附近會(huì)出現(xiàn)峰值譜線(xiàn)。 根據(jù) Ross的《Mechanics of Underwater Noise》[14]，這是由空泡水筒的特征頻率所決定的，聲波在有限體積內(nèi)傳播會(huì)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象?？张菟驳奶卣髯哉耦l率為：

其中：nx，ny和nz為空泡水筒邊壁的方向余弦，lx，ly和lz為水筒三個(gè)方向的特征尺度，C為此時(shí)水中聲速。對(duì)于試驗(yàn)使用空泡水筒，三個(gè)方向的特征尺度分別為0.4 m、0.4 m和1.6 m，水中聲速取C=1 450 m/s。當(dāng)取水筒x方向的筒壁方向余弦值為0.5，y方向的筒壁方向余弦值為0，z方向的筒壁方向余弦值為0時(shí)，f=1.86 kHz；當(dāng)取水筒x方向的筒壁方向余弦值為1，y方向的筒壁方向余弦值為0，z方向的筒壁方向余弦值為0時(shí)， f=3.7 kHz；計(jì)算說(shuō)明，該空泡水筒的特征自振頻率為1.86 kHz和3.7 kHz，試驗(yàn)值在該值附近會(huì)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，事實(shí)上，由圖6～10中，在1.8 kHz和3.8 kHz附近出現(xiàn)了峰值譜線(xiàn)。而單槳測(cè)試中在14 rps時(shí)在8 kHz時(shí)出現(xiàn)非常高的峰值，這是由單槳自身的“唱音”所引起。

3.4 調(diào)制特征線(xiàn)譜分析

螺旋槳噪聲中有本質(zhì)上存在的一些特征，這些本征特征對(duì)于水下以及水面目標(biāo)的識(shí)別具有重要意義，線(xiàn)譜特征又稱(chēng)為“聲紋”特征，是一些穩(wěn)定的離散線(xiàn)譜分量，其不會(huì)隨著背景噪聲的增加而消失。大量的文獻(xiàn)研究表明，螺旋槳的低頻離散線(xiàn)譜對(duì)高頻連續(xù)譜存在調(diào)制作用[15-18]。由于水筒測(cè)試噪聲的局限性，使得800 Hz以下的低頻噪聲沒(méi)有足夠的信噪比，無(wú)法直接使用傳統(tǒng)的傅里葉變換分析螺旋槳低頻離散線(xiàn)譜。3.2節(jié)的分析表明，空泡水筒中對(duì)轉(zhuǎn)槳噪聲在800 Hz～40 kHz頻段內(nèi)具有良好的信噪比，單槳噪聲在3～40 kHz頻段內(nèi)具有良好的信噪比，可以使用DEMON（Detection of Envelope Modulation On Noise）分析方法處理具有良好信噪比的中高頻段噪聲，解調(diào)出低頻特征線(xiàn)譜。DEMON特征具有明確的物理意義，可以獲得螺旋槳不變的物理特征，如確定螺旋槳的軸頻、葉頻甚至葉數(shù)等。然而，不同頻段內(nèi)的解調(diào)效果是不同的，本節(jié)采用多頻段調(diào)制譜處理有良好信噪比的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。多頻段調(diào)制譜方法流程圖如圖11所示。

圖11 多頻段調(diào)制譜理論框圖Fig.11 Schematic diagram of multi-band modulation spectrum theory

對(duì)單槳和對(duì)轉(zhuǎn)槳的非空泡工況7 rps和14 rps以及空泡工況18 rps測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行多頻段調(diào)制譜分析，得到的這三個(gè)工況下的調(diào)制譜如下圖所示，其中，選擇的解調(diào)區(qū)間為3～40 kHz，劃分的子帶帶寬為1 kHz，橫坐標(biāo)為頻率，頻段為0～1 kHz，縱坐標(biāo)為歸一化幅度值，幅度的大小表示該線(xiàn)譜調(diào)制的深度。

圖12 單槳7 r/s時(shí)全頻帶內(nèi)的調(diào)制譜Fig.12 The modulation in whole band spectrum of single propeller in 7r/s

圖13 對(duì)轉(zhuǎn)槳7 r/s時(shí)全頻帶內(nèi)的調(diào)制譜Fig.13 The modulation in whole band spectrum of CR propeller in 7r/s

圖14 單槳14 r/s時(shí)全頻帶內(nèi)的調(diào)制譜Fig.14 The modulation in whole band spectrum of single propeller in 14 r/s

圖15 對(duì)轉(zhuǎn)槳14 r/s時(shí)全頻帶內(nèi)的調(diào)制譜Fig.15 The modulation in whole band spectrum of CR propeller in 14 r/s

圖16 單槳18 r/s時(shí)全頻帶內(nèi)的調(diào)制譜Fig.16 The modulation in whole band spectrum of single propeller in 18 r/s

圖17對(duì)轉(zhuǎn)槳18 r/s時(shí)全頻帶內(nèi)的調(diào)制譜Fig.17 The modulation in whole band spectrum of CR propeller in 18 r/s

圖12 所示為單槳在7 rps工況下的調(diào)制譜。從中可以看出，單槳一階葉頻的調(diào)制作用最強(qiáng)，其低頻調(diào)制線(xiàn)譜的頻段主要集中在200 Hz以下，低頻調(diào)制線(xiàn)譜比較單一，且頻段較窄。圖13為對(duì)轉(zhuǎn)槳在7 rps時(shí)的調(diào)制譜，從中可以看出，對(duì)轉(zhuǎn)槳在低頻段的調(diào)制線(xiàn)譜要比單槳的低頻調(diào)制線(xiàn)譜豐富得多，對(duì)轉(zhuǎn)槳前后槳一階葉頻的組合調(diào)制作用最強(qiáng)，對(duì)轉(zhuǎn)槳調(diào)制線(xiàn)譜的頻段分布范圍較廣，在0～1 kHz的頻段內(nèi)有豐富的調(diào)制線(xiàn)譜出現(xiàn)。圖14與圖15分別為單槳和對(duì)轉(zhuǎn)槳在14 rps工況時(shí)的調(diào)制譜，從中可以看出，其對(duì)比規(guī)律與圖12和圖13的對(duì)比規(guī)律一致。

圖16所示為單槳在18 rps空泡工況下的調(diào)制譜。從中可以看出，在空化情形下，單槳一階葉頻的調(diào)制作用最強(qiáng)，其調(diào)制線(xiàn)譜的分布頻段仍然較窄且較為單一。圖17為對(duì)轉(zhuǎn)槳在18 rps時(shí)的調(diào)制譜，從中可以看出，在空泡工況下，對(duì)轉(zhuǎn)槳前后槳一階葉頻的組合的調(diào)制作用最強(qiáng)，且其調(diào)制譜分布頻段比單槳的調(diào)制譜分布頻段廣，調(diào)制線(xiàn)譜的數(shù)目也較為豐富。

3.5 單槳與對(duì)轉(zhuǎn)槳空泡發(fā)展情形

設(shè)計(jì)工況B-4為對(duì)轉(zhuǎn)槳發(fā)生初生空化的工況，B-5為對(duì)轉(zhuǎn)槳發(fā)生梢渦空化的工況；D-4為單槳發(fā)生初生空化的工況，D-5為單槳發(fā)生梢渦空化時(shí)的工況。借助于高分辨率攝像機(jī)，在高速頻閃儀的輔助下，可以觀察到發(fā)生在對(duì)轉(zhuǎn)槳和單槳葉面上的初生空化和梢渦空化，如圖18和圖20所示。此時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)槳的槳葉隨邊處面上出現(xiàn)弱空化，但是空化面積非常小，處于初生空化狀態(tài)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，對(duì)轉(zhuǎn)槳和單槳的梢渦渦核壓力進(jìn)一步降低，空化進(jìn)一步生長(zhǎng)，如圖19和圖21所示。由于前后槳的相互干擾，使得對(duì)轉(zhuǎn)槳的渦線(xiàn)分布發(fā)生紊亂，如圖19所示。在梢渦工況下，渦尾跡出現(xiàn)明顯的收縮現(xiàn)象。

圖18 對(duì)轉(zhuǎn)槳初生空化Fig.18 The initial cavitation of CR propeller

圖19 對(duì)轉(zhuǎn)槳梢渦空化Fig.19 The tip vortex cavitation of CR propeller

圖20 單槳初生空化Fig.20 The initial cavitation of single propeller

圖21 單槳梢渦空化Fig.21 The tip vortex cavitation of single propeller

4 結(jié) 論

在大型空泡水筒中測(cè)量了單槳和對(duì)轉(zhuǎn)槳的非空化以及空化噪聲，通過(guò)比較二者噪聲特性的差異性，以期為水下目標(biāo)識(shí)別和分類(lèi)提供判斷依據(jù)。且針對(duì)測(cè)試使用空泡水筒的特性進(jìn)行了探討。得到如下結(jié)論：

（1）空泡水筒中的背景噪聲較高，其中驅(qū)動(dòng)后槳的斜流動(dòng)力儀背景噪聲最強(qiáng)。

（2）空泡水筒由于自身結(jié)構(gòu)上的特殊性，在某些頻率附近易出現(xiàn)噪聲異常。

（3）對(duì)轉(zhuǎn)槳和單槳在非空泡噪聲上存在較大差異，表現(xiàn)在噪聲級(jí)、噪聲衰減特性、信噪比和三分之一倍頻程譜峰值方面。在相同工況下，對(duì)轉(zhuǎn)槳非空泡噪聲級(jí)要比單槳高6 dB以上；對(duì)轉(zhuǎn)槳非空泡噪聲的倍頻程衰減要略微小于單槳非空泡噪聲的衰減；在該空泡水筒中，800 Hz以上的測(cè)試頻段，對(duì)轉(zhuǎn)槳噪聲的測(cè)試信噪比要優(yōu)于單槳；對(duì)轉(zhuǎn)槳非空化噪聲頻譜在1.8 kHz和3.8 kHz附近出現(xiàn)了頻譜峰值，這主要與空泡水筒的混響有關(guān)，而單槳非空化噪聲頻譜在3.8 kHz和8 kHz附近出現(xiàn)頻譜峰值，其主要原因分別是混響和單槳“唱音”作用的結(jié)果。

（4）對(duì)轉(zhuǎn)槳和單槳在空泡噪聲上差異較小，其三分之一倍頻程譜結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)基本一致。相同工況下，對(duì)轉(zhuǎn)槳空泡噪聲要高于單槳空泡噪聲。

（5）對(duì)轉(zhuǎn)槳和單槳的非空化以及空化多頻段調(diào)制譜在結(jié)構(gòu)上存在較大差異，單槳的多頻段調(diào)制譜較為簡(jiǎn)單，其一階葉頻的調(diào)制深度最大，且調(diào)制頻段較窄，一般在0～200 Hz。對(duì)轉(zhuǎn)槳的多頻段調(diào)制譜較為復(fù)雜，其前后槳一階葉頻的組合調(diào)制深度最大，調(diào)制頻段較寬。

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