螺旋槳噪聲貢獻分離模型的仿真研究

龍 軍

(大連測控技術研究所，遼寧大連 116013）

螺旋槳噪聲貢獻分離模型的仿真研究

龍 軍

(大連測控技術研究所，遼寧大連 116013）

介紹一種從輻射噪聲中分離出螺旋槳噪聲的方法。根據螺旋槳噪聲同航速的變化關系，將輻射噪聲1/3 Oct譜級進行歸一化處理，求得艇體函數，給出各工況下螺旋槳絕對聲壓譜。對分離算法進行建模仿真，重點討論不同航速工況的選取和機械噪聲隨航速的增長規律這2個因素對分離結果的影響。

螺旋槳噪聲;分離模型;歸一化算法;艇體函數

0 引言

隱蔽性是保證潛艇戰斗力的關鍵因素，破壞潛艇隱蔽性的主要因素是輻射噪聲。潛艇的輻射噪聲主要由機械噪聲、螺旋槳噪聲及水動力噪聲構成［1］。實現對其分離將有助于確定各噪聲源的貢獻量，從而能為潛艇的設計提供各噪聲源有針對性控制的依據。分離螺旋槳貢獻的方法主要窄帶線譜法和通過特性法等［2］。本文主要建立一種螺旋槳噪聲的貢獻分離模型，并對其進行仿真研究。

1 分離模型

1.1 理論基礎

螺旋槳對輻射噪聲的貢獻主要體現在直發聲和槳軸激勵艇體噪聲。在非空化條件下，螺旋槳直接輻射噪聲隨航速的變化規律是在低頻段成6次方變化，高頻段成5次方變化，在中頻段由于西爾斯函數的減縮作用，其輻射噪聲隨轉速成6～5次方變化［3］。同時機械分量的增加強度——同航速的不大于2次方成比例。結果是，在低航速時船只的聲壓脈動場由機械聲源決定，在高航速時則由螺旋槳聲源決定。

螺旋槳上的不定常力通過軸系向艇體傳遞，導致艇體的振動及其聲輻射。這與螺旋槳的直發聲構成1對反相偶極子對［4］，其在遠場的合成擾動可分離條件是h≥1，其中h=，l為船體長度，λ為水中聲波波長。對于實艇測量而言，考察的下限頻率在10 Hz，滿足可分離條件。

來自螺旋槳的擾動力頻率同艇體的某一構件的固有頻率諧振重合時，會對艇體產生的聲壓脈動分量進行共振放大。把其放大量稱為艇體貢獻。根據實艇的結構特征，這種共振現象主要發生在低頻段，一般不超過100 Hz。

1.2 實現方法

1.2.1 總體實現方法

根據實測不同航速下的潛艇輻射噪聲1/3 Oct譜級數據 (最好有在螺旋槳非空化條件下的最高航速工況數據），剔除與螺旋槳無關的峰，然后對其進行歸一化處理，計算艇體函數。最后計算螺旋槳產生的平均額定聲壓譜和不同航速下的螺旋槳絕對聲壓譜。

1.2.2 航行工況輻射噪聲譜級的歸一化處理

根據螺旋槳直接輻射噪聲同航速的關系，對各工況航行輻射噪聲1/3 Oct譜級進行歸一化換算［5］。由于航速同螺旋槳轉速的線性關系，螺旋槳輻射噪聲從轉速n1換算到轉速n2可表示為

1.2.3 艇體函數求解

首先利用最接近臨界轉速下的2個工況其歸一化譜接近或相等時確定艇體函數的最高頻率，然后通過機械噪聲為起主要作用的中間工況歸一化譜的差值來確定整個頻帶的艇體函數。這個過程主要要求對螺旋槳不重合的歸一化譜設置合理的插值步長，采用差值遞推技術、多項式擬合技術合成的逐次逼近分析方法，得到艇體作用函數。

2 仿真分析

2.1 仿真模型建立

文獻［6］討論了艦船輻射噪聲建模方法。根據機械噪聲和螺旋槳噪聲特征，主要建立以螺旋槳轉速r1工況為基準工況的機械噪聲脈動譜和螺旋槳噪聲譜，而艇體作用函數模型的建立依據其艇體作用主要集中在低頻段 (低于100 Hz），頻率越高，其艇體作用越小的特征。

依據以上特征模型，根據機械噪聲和螺旋槳噪聲隨轉速變化規律及艇體函數為不隨轉速變化的固有特性，可建立不同轉速下的合成譜。如圖1所示，其中r1～r9依次增大。

圖1 不同轉速下的輻射噪聲聲壓脈動譜Fig.1 Radiated noise sound spectrograph in different speed

2.2 基于仿真模型的分離結果

利用Matlab軟件編寫分離算法程序，實現螺旋槳噪聲分離。

首先，要實現螺旋槳噪聲分離，分離算法需要至少3個航速不同的工況的輻射噪聲數據，考慮選取不同的航速進行分離計算，比較其分離結果。主要對比模型與求得的艇體函數和螺旋槳平均額定聲壓脈動譜。圖2和圖3分別給出選取不同轉速工況進行螺旋槳噪聲分離求得的艇體函數和螺旋槳平均額定聲壓脈動譜與仿真模型的比較。

圖2 選取不同轉速求得的艇體貢獻與仿真模型比較Fig.2 Comparison submarine body function in different speed with simulation model

圖3 選取不同轉速求得的螺旋槳平均額定聲壓脈動譜與仿真模型比較Fig.3 Comparison propeller average rated sound spectrograph in different speed with simulation model

從艇體函數看不出明顯規律，由r5～r7算得的結果最接近艇體函數的仿真模型，而從螺旋槳平均聲壓脈動譜看，轉速越高求得的結果越接近仿真模型。但在實際應用時，并非越高越好，高航速下螺旋槳出現空化或流激殼體可能對輻射噪聲產生巨大影響，從而導致分離不可實現或錯誤。綜合考慮，應該在保證螺旋槳未空化條件下，盡可能選取較高航速下工況。

其次考慮機械噪聲不同的增長規律對分離結果的影響。由于機械噪聲隨航速的變化不超過2次方增長，事實上多數機械設備振動不隨航速變化，只有如推進電機等少數設備振動噪聲隨航速變化。圖4和圖5給出了選取不同機械增長次方進行螺旋槳噪聲分離求得的艇體函數和螺旋槳平均額定聲壓脈動譜與仿真模型的比較。

圖4 選取不同機械增長規律求得的艇體貢獻與仿真模型比較Fig.4 Comparison submarine body function in differentmachinery noise gain with simulationmodel

圖5 選取不同機械增長規律求得的螺旋槳平均額定聲壓脈動譜與仿真模型比較Fig.5 Comparison propeller average rated sound spectrograph in differentmachinery noise gain with simulationmodel

機械分量增長的越快，求得的艇體函數越大，越偏離實際值。這是很容易理解的，在較高轉速下，進行無量綱歸一時，機械噪聲雖然所占成分比例較小，但不能完全排除其影響。所以機械噪聲隨轉速增長越快，分離時帶來的誤差越大。

3 結語

本文主要建立一種從潛艇輻射噪聲中定量分離螺旋槳噪聲的方法，并對分離算法進行仿真分析，討論對分離結果產生影響的主要因素。仿真分析證明，這種分離算法是有效和可實現的。需要說明的是，由于沒有考慮流噪聲的影響，對實際測量的輻射噪聲進行定量分離螺旋槳噪聲時，必須嚴格剔除與螺旋槳無關的峰，才能保證分離的螺旋槳噪聲的有效性。

［1］URICK R J.Principles of underwater sound［M］.New York:Mcgraw-Hill Book Co.，1983.

［2］蔣行海，秦同杰，張靖.螺旋槳噪聲貢獻的分離方法研究［J］.聲學技術，2009，28(2）:287－288.

JIANG Xing-hai，QIN Tong-jie，ZHANG Jing.Research on the method of separate propeller noise contribution［J］.Technical Acoustics，2009，28(2）:287 －288.

［3］陳廣福，劉文帥，張文平.艦艇輻射噪聲源分離方法研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2004，25(5）:563－565.

CHEN Guang-fu，LIUWen-shuai，ZHANGWen-ping.Study of separation method of naval ship radiated noise sources［J］.Journal of Harbin Engineering University，2004，25(5）:563－565.

［4］LIGHTHILL J.Waves in fluids［M］.Cambridge University Press，1978.

［5］張永坤，況貺.螺旋槳噪聲的無量綱化研究［J］.艦船科學技術，2007，29(2）:65 －68.

ZHANG Yong-kun，KUANG Kuang.Research of propeller noise non-dimensionalization［J］.Ship Science and Technology，2007，29(2）:65 －68.

［6］龍軍，張靖，劉文帥.艦船輻射噪聲特征建模［J］.艦船科學技術，2011，33(7）:68－70.

LONG Jun，ZHANG Jing，LIU Wen-shuai.Study of modeling the characteristic spectral of naval ship radiated noise［J］.Ship Science and Technology，2011，33(7）:68 －70.

Simulation research on the contribution separation model of propeller

LONG Jun
(Dalian Scientific Test and Control Technology Institute，Dalian 116013，China）

A method about separation propeller noise from submarine radiated noise was introduced.Based on the relationship between the propeller noise and the speed of submarine，1/3 octave spectrum of the radiated noise could be normalized，and the submarine body function could be gotten，then the absolute spectrum graph of the propeller in various conditions.Finally the model of the separating method was simulated;the infection of the choosing of speed and themachinery noise gain with the speed to the results of separation was discussed.

propeller noise;separation model;normalized process;submarine body function

P733.22

A

1672－7649(2014）04－0114－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.023

2012－11－20;

2013－06－13

龍軍(1985－），男，工程師，從事水聲物理研究。