泵噴推進器導管對噪聲傳播特性的影響

劉 敏，張 寧，李新汶，周友明

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

1 概述

泵噴推進器相對于自由空間槳而言，不僅在水動力學方面具有不同的流體流動現象，同時其噪聲傳播非常有特點。由于導管的存在，一般將泵噴推進器流場分解成內外流場，其相應的聲場為內外聲場。導管內轉子的旋轉，受流體激勵的導管表面等都是重要的噪聲源。其噪聲引起導管結構發生耦合振動，部分聲波在導管表面發生反射，在非均勻流體內發生折射，其聲傳播現象豐富。內聲場通過導管口向外聲場傳播，相對于自由空間而言，其指向性明顯不同。

進行導管槳聲學設計時，導管的聲學設計非常重要。林大楷［1］等通過二維數值計算指出導管對推進器線譜聲繞射現象較為明顯，這是由于單頻噪聲的波長較長，使得聲波基本上以球面波的形式傳出。而寬頻噪聲源產生的輻射聲場具有相對較強的指向性。美國航空航天局(NASA)［2］提出了一種TBIEM3D模型進行航空發動機的艙內聲學設計，并在其“先進亞聲速運輸機“項目中得到了應用。目前航空發動機導管聲學設計在實際工程設計中得到了應用，并在導管聲襯吸聲設計、導管噴口形狀降噪設計、導管氣動振動設計等方面持續進行研究。Tyler和Sofrin［3］在分析航空發動機轉子和定子噪聲相互作用規律時，首次提出了導管聲波模態概念，用模態分析法揭示了具有不同葉片通過頻率的模態在導管中的傳播和衰減規律，指出可以利用模態相互作用來抑制導管噪聲。模態分析理論成為后來大多數噪聲預報方法的基礎。王曉宇［4］針對航空發動機短艙聲學設計的需要，發展一種快速計算方法—傳遞單元法(TEM)，并與直接邊界元方法相結合，計算發動機遠場聲輻射。呂亞東［5］針對干線飛機發動機短艙進行消聲設計，在轉/靜干涉噪聲聲源模態和管內傳播模態之間的聲學匹配理論基礎上，提出了敷設多段聲襯圓環形管道內噪聲傳播、衰減的理論預測方法。并對風扇轉速、轉/靜子葉片數、轉/靜子軸向間距對管內噪聲衰減量和管道前后總聲功率級(也包括葉片通過頻率各階諧波聲功率級)的影響進行了計算，為發動機短艙的消聲設計提供了若干工程設計參考準則。

導管聲學設計在水下推進器聲學設計方面未見相關報道。相對于航空發動機導管聲學設計，水下推進器聲學設計具有如下特點:① 導管內外均存在流動，流動相互之間緊密耦合，導管外形對推進器性能影響較大;②導管內外均存在聲場，內外聲場之間緊密耦合。這些特點給導管聲學設計帶來了困難，同時由于水中聲速遠大于空氣聲速，若對一般只有幾十赫茲頻率的螺旋槳低頻噪聲產生抑制作用，需要遠大于空氣中尺寸的導管，但這樣巨大的導管將會嚴重降低推進效率，給結構設計和載荷分布帶來困難。

正如文獻［1］指出的，導管對高頻噪聲抑制效果明顯，而螺旋槳正常工作時產生的水動力噪聲，空化噪聲都位于高頻段;針對低頻段線譜噪聲，也可采用導管內鋪設聲學材料的方法進行降噪設計。還可以利用導管改變聲場指向性來減少某些方向的聲輻射，降低敏感方向的噪聲，同樣可以降低被探測的可能性。本文采用有限元方法模擬泵噴推進器導管內聲源模型噪聲傳播特征，比較有無導管對噪聲傳播特性的影響，分析了導管對聲傳播指向性及聲壓級的影響。

2 計算模型及方法

導管截面采用NACA66系列水翼翼型，長3 m，進口直徑2 m，最大厚度0.2 m，導管內外表面設置為shell單元，材料為鋼，厚度為0.005 m;計算聲場為半徑10 m的球體，材料為水，球體表面設置為無限元單元。計算頻率為1～1000 Hz，考慮此時最小波長為1.45 m(聲速按1450 m/s)，在1個波長方向上布置20個節點，節點間距設置為0.08 m，總節點數10萬個左右。同時在導管橫剖面半徑為10 m上一周布置100個節點，用于計算聲場指向性，如圖1所示。

圖1 計算模型及網格Fig.1 Computation model and mesh

非均勻來流中，轉子葉片的旋轉引起葉片表面非定常脈動力，同時葉片葉頂流動分離及葉頂泄露渦等引起導管表面壓力脈動，因此導管槳的主要噪聲源位于轉子葉片及其導管表面。本文為了簡化聲源，僅考慮轉子葉片作為聲源，由于計算頻率為1～1000 Hz，在此頻率范圍內，波長遠大于轉子葉片半徑，將轉子葉片做緊致聲源考慮［6］。根據文獻［6］的方法將轉子聲源等效為7個旋轉點聲源，點聲源之間相隔360/7的相位角，點聲源頻譜圖如圖2所示，經CFD計算后做傅立葉分析所得，其中葉頻為41.4 Hz，在葉頻及1/2葉頻處存在明顯的峰值。該頻譜包含100 Hz以下的低頻線譜及1000 Hz以下的連續譜。

圖2 聲源頻譜圖Fig.2 FFT Spectrum of sound source

3 計算方法及結果分析

考慮聲與結構的耦合方程，不失一般性，忽略結構阻尼表示為下式:

式中:u為位移;Ms為質量矩陣;ks為剛度矩陣;Fs為結構載荷;Fas為聲場對結構的作用力。在有限元模型中，結構控制方程和聲場控制方程正是通過位移量進行耦合的。

圖3所示為41 Hz時導管在聲源作用下的結構表面位移云圖，從圖中可見其主要的結構位移發生于導管內表面，在圓周方向上呈現波峰波谷的交替形態;而在較高頻率，如圖4所示801 Hz時，結構位移主要分布于導管外表面，在軸向呈波峰波谷交替形態。

聲場聲壓級分布云圖如圖5～圖8所示。在41 Hz下，導管附近聲壓級有較小的差別，由于該頻率下波長較長，導管對聲波的影響較小，因此聲場較快轉變為均勻聲場輻射;隨著頻率的增加，聲波波長減小，在導管表面發生反射，改變了聲場的輻射特性。綜上所述，隨著頻率的升高，導管對聲場的影響效果越明顯。

圖9所示為不同頻率下的聲場指向性。隨著頻率增加，聲場指向性越明顯，在高頻段存在較多峰值，其中導管進出口方向上聲壓級較大。將導管進口、出口及頂部方向3個半徑為10 m的測量點處頻譜圖示于圖10，可見在低于165 Hz時，三者頻譜曲線相互重合，在高于165 Hz后導管進出口方向上聲壓級明顯大于導管頂部方向聲壓級，可見導管在較高頻率段可明顯改變噪聲傳播指向性，其中導管進出口方向上聲壓級較大，導管頂部方向上噪聲級較低。

為了比較有無導管對聲場傳播的影響，圖11和圖12分別給出了41 Hz和621 Hz時有無導管條件下的聲場指向性。在低頻(41 Hz)時，導管對聲場指向性影響不大，兩者趨勢相同，在導管進口方向聲壓級相差最大為3 dB，其余方向聲壓級基本相等;在高頻(621 Hz)時，導管對噪聲傳播影響較大。相比于無導管條件下的均勻指向，導管的存在使得在導管進出口及 30°，40°，90°，140°方向上存在明顯的峰值，同時聲壓級較無導管時低2～20 dB，降噪效果明顯。

4 結語

通過采用有限元方法在頻域內對聲場聲壓分布云圖、聲壓指向性圖及有無導管作用下聲場指向性圖進行模擬及分析可見:

1)導管在較高頻率下可以明顯改變聲場分布，其中導管進出口方向上聲壓級大于其他方向聲壓。

2)相對于自由空間，在有導管存在條件下，較高頻段噪聲均能得到一定的抑制，在高頻率段降噪效果明顯，本文算例中在621 Hz下降低2～20 dB。

［1］林大楷，李曉東.管道聲輻射的高階數值模擬［A］.第十屆船舶水下噪聲學術討論會論文集［C］.2005.LIN Da-Kai，LI Xiao-dong.High-order numerical simulation of noise propagation in a duct［A］.The 10thacademia conference of underwater ship noise［C］，2005.

［2］DUNN M H，TWEED J，FARASSAT F.The application of a boundary integral equation method to the prediction of ducted fan engine noise［J］.Journal ofsound and vibration，1999，227(5):1019 －1048.

［3］TYLER，J M，SOFRIN，T G.Axial flow compressor noise studies［J］.SAE Trans.，1962，70:309 －332.

［4］王曉宇，杜林，等.考慮變截面影響的航空發動機短艙聲學模型及數值結果［J］.航空學報，2006，(6):86－92.WANG Xiao-yu，DU Lin，et al.A new approach for the acoustic desing of aeroengine nacelle with the effect of varying cross-section aera［J］.Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica，2006，(6):86 －92.

［5］呂亞東，余永祥，胡宗安，孫曉峰.發動機轉/靜干涉聲源模態與多段聲襯管內傳播模態的匹配理論和計算［A］.全國環境聲學學術討論會論文集［C］，2007.LV Ya-dong，YU Yong-xiang，HU Zong-an，SUN Xiao-feng.Modal matching method and calculations for rotor-stator interaction source modes and propagation modes in an annularductwith nulti-treatments［A］.Academina conference of environment acoutics in china［C］，2007.

［6］ROGER M.The acoustic Analogy some Theoretical Background［R］.Noise in Turbo-machines，Von Karman Institute for Fluid Dynamics，2000.