螺旋槳空化對噪聲調制特征影響研究

李 陽，何 琳，崔立林，徐榮武

(1. 海軍工程大學 振動與噪聲研究所，湖北 武漢 430033；2. 船舶振動噪聲重點實驗室，湖北 武漢 430033)

0 引 言

螺旋槳空化噪聲是艦艇在中高速航行時的主要噪聲源，是導致艦艇暴露的重要原因[1]。隨著當前艦艇向高速化發展，空化現象在航行時出現更為頻繁，對螺旋槳空化的檢測引起了人們的廣泛關注。當前實船螺旋槳空化的檢測通常采用聲學手段，通過分析螺旋槳噪聲中高頻帶的能量變化確定空化是否出現，這種方法簡單易行，但在環境變化和背景噪聲起伏時，檢測的準確度會下降。由于空化噪聲的高度非線性和復雜性，實現空化狀態的準確識別往往需要結合聲信號的多方面特征。

幅度調制是包含螺旋槳在內的旋轉類設備噪聲信號的重要特性，螺旋槳噪聲的調制特征通常與目標識別和狀態評估聯系在一起[2]。國內外很多學者對調制現象的成因、調制譜結構、建模方法以及特征提取方法開展了大量研究[3–8]，而對調制特征與空化發展之間關系沒有明確的定論。

本文結合實船數據，運用小波包和解調技術，提取了螺旋槳噪聲信號中的調制信息，并分析調制特征與空化發展之間的關系，旨在為螺旋槳空化的檢測提供參考依據。

1 調制特征及提取方法

1.1 螺旋槳噪聲的調制特征

艦船螺旋槳的轉動、船尾不均勻流場中空泡崩潰的周期性或準周期性成分，使得在螺旋槳噪聲中存在著“節奏”式的幅度調制，即噪聲強度隨著時間有規律的起伏，調制包絡是慢變化的周期或準周期性過程，并為寬帶艦船噪聲所填充[9]。

文獻[3]將艦船噪聲看作具有隨機幅度、相同形狀和重復周期的脈沖性隨機過程處理，推導了非均勻多葉調制包絡的功率譜，以4葉調制為例，其表達式為：

從式（1）可以看出調制譜受脈沖幅值影響的同時還與脈沖的能量譜有關。

文獻[4]從螺旋槳自身結構、尾流因素對空化的影響出發，對空化噪聲調制解調譜進行推導，得到其表達式為：

由式（1）和式（2）可以看出，空化噪聲包絡譜由連續譜和與軸頻對應的線譜組成，空化發展過程中噪聲信號的脈沖參數變化和空泡半徑變化等因素會對包絡譜特性產生影響。本文主要討論空化發展過程中與包絡譜中線譜相關的特性變化。

1.2 調制特征提取方法

文獻[8]對當前艦船噪聲調制特征的提取方法進行介紹和仿真分析，結合空化噪聲的寬帶特性，從工程實用角度，本文選取檢波濾波法進行空化噪聲的包絡譜分析。

對于一單頻調制的信號：

選取合適的參數對信號進行檢波濾波，即可得到包含調制頻率的信號：

對于空化噪聲這類寬帶噪聲信號，其載波包含較大的頻率范圍，其中較低的頻率會對解調后頻率成分產生干擾，因此在進行檢波濾波前需要進行選頻處理。

針對螺旋槳空化噪聲寬帶非平穩特征及實船噪聲干擾多、信噪比低的特點，利用小波包分析原理對螺旋槳噪聲信號進行重構，得到反映螺旋槳空化特性的空化特征信號。

小波包分析包含分解及重構算法，正交小波包分解遞歸算法為：

小波包分解系數重構算法為：

結合小波包選頻和檢波濾波方法，本文螺旋槳噪聲調制特征提取步驟如圖1所示。

2 螺旋槳噪聲測量試驗

為研究螺旋槳噪聲信號調制特征與空化發展之間的關系，在某試驗船上開展多工況下的螺旋槳噪聲測量試驗。試驗海區海況平穩，近距離范圍內無其他水面船只，環境干擾因素小。

該試驗船螺旋槳為5葉大側斜槳，可利用船上安裝的空化監測試驗裝置采集螺旋槳自噪聲信號，試驗裝置的結構如圖2所示。

水聽器位于船體尾部結構上，可實時采集螺旋槳部位的噪聲信號，采樣頻率102.4 kHz，最大量程達180 dB（參考聲壓1 μPa），滿足試驗過程中的測量需求。

試驗過程如下：試驗船只按照規定轉速在海區內直線航行，待轉速穩定后采集螺旋槳噪聲數據。起始轉速為n r/min，轉速間隔為2 r/min，共進行轉速從n～n+30的16組測試，每組測試數據長度約為40 s。結合該試驗船前期測試信息，該轉速區間包含螺旋槳空化起始階段。

3 數據處理及調制特征分析

3.1 空化特征信號重構

實船航行時機械噪聲干擾會對空化特征的分析造成影響。機械噪聲集中在低頻，而空化噪聲由低頻線譜和高頻連續譜構成，選取合適的節點信號進行重構，提取空化噪聲中的高頻成分用以反映空化狀態，可以有效避免機械噪聲帶來的干擾。

根據空化噪聲信號的瞬變特性，選用Daubechies系列小波中的db4小波基對采集到的螺旋槳噪聲進行小波包分解，利用小波包分解系數對信號進行重構得到節點信號。

定義能量分布系數：

3.2 空化狀態判斷

實船測試中無法通過直接觀察判斷螺旋槳的空化狀態，需要利用間接的手段獲取相關信息。在海況平穩、背景噪聲干擾較小時，可以通過中高頻帶的信號能量變化情況評估螺旋槳的實際空化狀態。圖4為空化特征信號能量級隨轉速的變化曲線。

圖中在轉速n + 12 r/min后曲線斜率出現增大，由文獻[10]中臨界轉速的判別方法2可知，該試驗船的臨界轉速約為n + 12 r/min，據此將試驗數據分成表1中的3組，便于對比分析。圖5為螺旋槳不同空化狀態下原始信號波形和經過小波包重構得到的空化特征信號波形。可以看出與原始信號相比，不同組別下重構的信號幅值、脈沖等特征存在顯著變化，說明了空化特征信號重構方法的正確性。

3.3 包絡譜提取與分析

由式（7）知重構信號S頻帶范圍為6.4～38.4 kHz，根據螺旋槳軸頻、葉頻及低階倍頻的頻率范圍，選取合適參數對重構信號S進行絕對值變換、低通濾波，得到空化特征信號的包絡，對包絡進行譜分析，提取出與軸頻、葉頻相關的頻率成分。

部分工況下包絡時域波形和包絡譜如圖6所示，圖中圖6（a）～圖6（d）對應的轉速依次增加。為便于工況圖像的對比并顯示更多細節，圖6（a）和圖6（b）、圖6（c）和圖6（d）對應的縱坐標范圍一致。

表 1 試驗數據分組Tab. 1 Cavitation state of each test set

從包絡時域信號可以看出，在未發生空化時，包絡信號波形接近單頻信號，如圖6（a）所示，說明此時空化特征信號中存在著明顯的幅度調制。隨著螺旋槳轉速的提高，包絡信號中出現脈沖，引起波形的畸變，信號仍具有明顯的周期性，如圖6（b）所示。當空化程度進一步加深時，相互重疊的脈沖使得包絡信號波形又恢復至接近單頻信號，如圖6（c）和6（d）所示。

各工況下包絡譜中線譜均與螺旋槳軸頻相對應，這與大側斜槳的軸頻調制明顯、葉頻調制減弱的特性相符，驗證解調方法的準確性。在未發生空化時，包絡譜中只存在與軸頻對應的線譜，如圖6（a）所示。在空化起始階段包絡譜中出現明顯的諧波分量，如圖6（b）所示，這與空化初期空泡分布不均勻，空泡在旋轉周期的特定時刻發生潰滅，引起波形的畸變相關，這一現象在包絡時域信號中有著具體的體現。同時可以觀察到，當空化程度進一步加深時，軸頻線譜幅值增加，同時諧波分量相對軸頻明顯減弱，如圖6（c）和6（d）所示。

可以看出在未發生空化的轉速下，調制程度保持在較低的水平，當空化出現之后，調制程度隨空化的發展出現明顯的增大，代表著與螺旋槳軸頻相對應的能量起伏程度隨著空化的發展而變化。該曲線與圖4中高頻帶能量隨轉速變化曲線具有較好的對應關系，因此調制程度的變化可以作為監測螺旋槳空化狀態的參量。

4 結 語

1）空化現象出現的前后，在螺旋槳噪聲的中高頻段均存在幅度調制，同時調制特征變化與空化的發生有關；

2）在空化發展初期，由于信號中脈沖的作用，包絡譜中出現明顯的諧波成分，包絡譜結構發生變化；

3）螺旋槳噪聲在中高頻段的調制程度也可以作為空化監測的參量：在一定范圍內，隨著空化的發展，調制程度增強，且調制程度隨轉速變化曲線與中高頻段能量隨轉速變化曲線的趨勢較為吻合。