船舶無空泡螺旋槳誘導噪聲研究現狀綜述*

徐 野 熊 鷹 黃 政

(海軍工程大學艦船與海洋學院 武漢 430033)

0 引 言

隨著船舶向大型化、高速化方向發展，其噪聲也越來越強烈．對于民用船舶，噪聲影響船員的身心健康，過強的噪聲還會使一些精密設備的精度降低、壽命縮短，并且帶來海洋水下噪聲污染，對海洋動物造成嚴重危害．對于軍用艦艇，噪聲會影響聲吶等武器裝備的正常工作，削弱戰斗力；對于潛艇而言，噪聲的危害更大，會使潛艇更容易被敵方發現和跟蹤，甚至遭到攻擊．船舶領域將噪聲水平作為衡量船舶性能的一項重要指標．隨著國際海事組織海上安全委員會(MSC)第90次會議批準的《船上噪聲等級規則》修訂草案[1]正式生效，“降低5 dB”的要求對船舶設計建造提出了新的挑戰．

螺旋槳噪聲、水動力噪聲和機械噪聲是船舶的三大主要噪聲，其中螺旋槳噪聲尤為突出．船舶航行中，螺旋槳一旦發生空泡，螺旋槳空泡噪聲將成為船舶總噪聲中最主要的成分；在低航速，螺旋槳未發生空泡時，機械噪聲最高，螺旋槳噪聲次之，但噪聲級相差不大，而近幾十年來，各種主被動控制技術的應用使機械噪聲明顯降低，螺旋槳噪聲也相應日漸突出，成為船舶水下噪聲的主要成分．長期以來，人們普遍認為螺旋槳噪聲就是螺旋槳直接輻射的噪聲，經過大量的試驗與探討，逐漸認識到螺旋槳通過軸系或流體介質激勵船體振動引起的水下噪聲的重要性．因此，可將螺旋槳直接輻射噪聲和螺旋槳激勵船體振動的噪聲并稱為螺旋槳誘導噪聲．

螺旋槳誘導噪聲在船舶噪聲中占據重要地位，對其進行研究具有重要意義．文中將船舶無空泡螺旋槳誘導噪聲分為螺旋槳直接輻射噪聲和激勵船體振動的噪聲，按聲源類型的不同將螺旋槳直接輻射噪聲分又為流噪聲和振動噪聲；從理論預報、試驗研究和控制措施等方面總結了國內外對于不同噪聲成分的研究現狀，以指導無空泡螺旋槳誘導噪聲的進一步研究，為開展低噪聲船舶設計提供理論和數據支撐．

1 螺旋槳直接輻射噪聲

1.1 螺旋槳流噪聲

螺旋槳流噪聲按物理特性的不同，可分為空泡噪聲和無空泡噪聲．螺旋槳空泡噪聲是由于空泡的生成與潰滅引起壓力變化而產生的．理論研究及實測表明，螺旋槳空化是最主要的艦船輻射噪聲源．在以往的船舶設計中，螺旋槳大部分時間工作在空泡工況下，空泡噪聲十分突出，其預報自然就被重視起來，因此空泡噪聲預報研究較無空泡噪聲開展得早．但由于觀察、計量空泡的困難，且空泡與噪聲輻射不成線性關系，螺旋槳空泡噪聲的理論描述相當復雜，所以目前主要通過對模型測試結果的換算來預報實槳空泡噪聲．

隨著設計方法的改進，螺旋槳空泡臨界航速大大提高，特別是對于潛艇而言，螺旋槳空泡工況已經不具有典型性，無空泡噪聲逐漸凸顯，因此，對無空泡噪聲的預報研究逐漸得到重視和發展．螺旋槳無空泡噪聲按頻譜特性可分為低頻線譜噪聲、低頻寬帶譜噪聲和高頻寬帶譜噪聲．螺旋槳噪聲頻率范圍的劃分目前還沒有統一的標準，其中低頻噪聲通常在100 Hz以下，也有一些研究將其范圍取為200～500 Hz以下；高頻噪聲通常在1 000～2 000 Hz以上，而低頻與高頻之間過渡頻段的噪聲也稱為中頻噪聲．對于螺旋槳低頻線譜和寬帶譜噪聲，經過試驗驗證發現，理論預報和實際相差不大，具有很強的可行性，因此,一般采用理論方法進行預報．而對于高頻寬帶譜噪聲，由于湍流邊界層的描述極其復雜，理論方法難以完全模擬其物理特性，因此，目前一般采用統計模型或試驗換算的方法進行預報．

1.1.1螺旋槳低頻線譜噪聲

螺旋槳工作在船尾的非均勻伴流場中，槳葉產生非定常負載，從而輻射低頻噪聲，這些噪聲成分在頻譜中通常互不連續，且在螺旋槳的葉頻及各階倍葉頻處信號突出，因此稱為線譜噪聲．螺旋槳低頻線譜噪聲的預報主要是基于聲類比理論．Lighthill[2]從流體基本方程入手，提出描述聲源分布產生聲傳播的Lighthill方程，奠定了氣動聲學的基礎，但其局限性在于無法考慮有固體邊界存在的情況．Curle[3]對Lighthill方程進行積分運算，考慮固體邊界的影響.Ffowcs等[4]采用廣義函數理論對Lighthill方程進行了改進，推導出有任意運動固體邊界存在時流體發聲的聲學公式，即著名的FW-H方程，成為螺旋槳噪聲理論發展中的一個重要里程碑．用Lighthill方程或廣義的Lighthill方程來計算聲場輻射的方法統稱為聲類比方法．

聲類比方法一般先通過試驗或數值計算等方法確定聲源強度，再通過FW-H方程求解由固體邊界和Lighthill應力張量所輻射的聲場，通常可分為時域法和頻域法．Hanson[5]首先對Goldstein方程進行傅里葉變換，然后在給定的螺旋槳坐標系下進行廣義積分，提出了螺旋槳噪聲的頻域預報方法．Farassat[6]對FW-H方程進行變換，得到了適用于亞音速、跨音速情況下時域內的積分表達式，并給出了相應的求解方法．FW-H方程中包括單極子、偶極子和四極子項：槳葉旋轉、非定常片空泡體積脈動對應于單極子源，產生厚度噪聲；槳葉表面脈動壓力對應于偶極子源，產生負載噪聲；對于船舶螺旋槳，由于水中聲速比槳葉旋轉速度大得多，四極子項相對于前兩者是小量，通常可忽略不計．

結合FW-H方程，可以采用數值方法計算螺旋槳低頻線譜噪聲．在早期，一般先采用基于勢流理論的非定常升力面法或面元法等獲得槳葉表面壓力分布，將其作為聲源進行預報．Seol等[7]采用時域聲類比方法預報了無空泡及空泡螺旋槳噪聲(圖1)．采用面元法得到槳葉時域壓力和片空泡體積，將其作為聲源輸入FW-H方程預報遠場聲輻射，但由于空泡潰滅等的非線性影響過于復雜，研究只考慮了低頻空泡噪聲，得到結論為：無空泡工況下，偶極子為主要聲源；片空泡出現后，空泡為主要聲源，此時由于槳葉表面壓力變化減小，負載噪聲將比無空泡時減小．Salvatore等[8]采用面元法結合FW-H方程計算了空泡螺旋槳噪聲，但其研究重點在于螺旋槳空泡的預報，并未給出噪聲計算結果和分析．國內學者朱錫清等[9]運用非定常升力面方法和聲類比理論研究了螺旋槳的負載噪聲特性，通過與國外研究結果進行對比驗證了方法的可行性，其研究表明，隨螺旋槳側斜和葉數的增加、直徑和轉速的減小，其負載噪聲降低；噪聲的指向性取決于槳的幾何型值(主要是螺距分布)和工況；切向伴流較大時，需考慮三維伴流場對噪聲預報的影響．孫紅星等[10]采用面元法計算出螺旋槳的非定常力，將其結果作為FW-H方程的源項進行了螺旋槳線譜噪聲預報，并通過螺旋槳參數變化得到線譜噪聲變化規律：減小直徑和增大側斜可以降低螺旋槳噪聲；增加槳葉數可以降低單個槳葉的負載，從而使得噪聲降低，但是會增大螺旋槳的中高頻噪聲．張永坤等[11]基于面元法對螺旋槳的無空泡及空泡噪聲開展了大量研究：文獻[12]采用面元法計算非定常力，通過力與聲級的關系換算出低頻線譜噪聲；文獻[13]使用面元法計算槳葉非定常載荷和片空泡體積，使用FW-H方程預報了空泡螺旋槳噪聲，除得出與文獻[7]相似的結論外，還得出空泡螺旋槳聲指向性不如無空泡時明顯，空泡噪聲衰減比無空泡噪聲慢等結論．

圖1 文獻[7]的研究對象及部分計算結果

隨著計算機計算能力的飛越式發展，使用計算流體動力學(CFD)結合聲類比方法預報螺旋槳噪聲成為可能．采用CFD方法進行計算更加符合流動的真實湍流情況，也可以獲得更多的流場信息．Ianniello[14]以分離渦模擬(DES)計算結果作為聲源，通過求解FW-H方程對比了直升機螺旋槳與船舶螺旋槳的厚度噪聲，認為船舶螺旋槳的聲源主要是非線性聲源，與空氣螺旋槳相比，其厚度噪聲在遠場衰減很快，可忽略不計．Jang等[15]以雷諾時均N-S方程(RANS)方法計算得到的槳葉表面壓力作為旋轉偶極子聲源，結合聲學有限元法考慮水洞壁的反射作用，計算了無空泡螺旋槳的線譜噪聲，計算結果與試驗數據吻合較好，研究提供了一種能夠考慮船體反射作用的螺旋槳噪聲計算方法．Viitanen等[16]結合RANS與聲類比方法預報了無空泡及空泡螺旋槳噪聲，研究還考慮了螺旋槳尾渦的體聲源，并對比了兩種不同湍流模型的計算結果，得到結論為：螺旋槳尾渦表現為寬帶譜聲源特性，梢渦空泡顯著提高了線譜噪聲；兩種湍流模型均可捕捉到低階線譜噪聲，但對于與尾渦及空泡相關的噪聲，采用非線性的SSTk-ωEARSM模型更加合適．Lidtke等[17]也采用類似方法預報了相同螺旋槳的空泡噪聲，結果表明，螺旋槳噪聲主要是葉頻處的偶極子聲源，同時也存在與空泡體積變化相關的單極子聲源和與尾渦速度梯度相關的四極子聲源；聲源面的選取對噪聲計算結果影響較大．Bensow等[18]結合大渦模擬(LES)與聲類比方法對船后空泡螺旋槳噪聲進行預報(圖2)，計算網格數量高達2.68×107，時間步長低至螺旋槳旋轉0.05(°)/步，計算噪聲的頻率范圍為0～104Hz．研究表明，目前基于CFD的噪聲預報方法仍不能滿足片空泡和梢渦空泡噪聲的精度要求，網格數量和質量還需進一步增加．王超[19]使用在Fluent軟件中的DES方法計算了螺旋槳噪聲，通過計算結果與試驗值的比較，驗證了CFD技術在螺旋槳噪聲計算方面的可行性，得出結論為：使用較大時間步長計算得到的聲壓級及其變化幅值低于較小時間步長時的計算值；隨著空泡數增加，聲壓級的衰減幅度逐漸減小．

圖2 文獻[18]的聲源面及部分計算結果

聲類比理論中將聲場分為近場和遠場，由于緊致聲源假設，僅能得到遠場的輻射噪聲，無法對近場進行計算，而且在計算過程中做出的假定可能會使流場中的重要信息丟失．而聲學邊界元法則解決了這些問題，通過將Lighthill方程與Helmholtz方程結合，將三維問題降為二階問題，既簡化了計算，又無需做出過多假定，且整個聲場的聲學信息均可求解．其基本思想是：根據積分定理，應用Helmholtz方程和格林函數，將求解域內的微分方程轉變為在邊界上的積分方程，然后將邊界分解為有限個邊界元網格，并通過網格節點將積分方程離散為每個網格上的求和方程，最后得到系數矩陣并求解．近年來，隨著商業軟件的普及，采用聲學邊界元法開展的螺旋槳噪聲研究越來越多，為螺旋槳噪聲預報提供了一種新的途徑．文獻[20]結合LES方法與聲學邊界元法，計算了艇后伴流場中大側斜螺旋槳的噪聲．魯利等[21]將RANS、DES和LES三種方法得到的脈動壓力作為聲源，結合聲學邊界元法預報螺旋槳噪聲，計算結果表明：低頻線譜噪聲是螺旋槳總噪聲的主要貢獻者；三種方法的一階葉頻上的噪聲預報結果較為接近，可以采用RANS方法進行快速預報；當預報高階葉頻上的噪聲時，采用LES方法預報的結果更加準確.

1.1.2螺旋槳低頻寬帶譜噪聲

螺旋槳低頻寬帶譜噪聲主要是由于螺旋槳工作在船尾的湍流邊界層中，湍流和螺旋槳葉片相互作用產生隨機升力脈動，從而產生低頻寬帶譜噪聲．螺旋槳低頻寬帶譜噪聲因其傳播距離遠、能量大、容易造成槳-軸-船耦合振動等危害而備受關注．以譜方法為理論基礎，條帶法為數值方法是目前理論預報螺旋槳低頻寬帶譜噪聲的主要手段．

Blake[22]從頻域出發提出了低頻寬帶噪聲預報的譜方法，主要思想是利用薄翼理論，結合包含湍流信息的湍流波數譜和流體動力響應函數，求出展向(螺旋槳對應徑向)單位長度上下表面的壓力差，從而求得非定常升力，而后對展向積分，得到槳葉的脈動力譜，再利用偶極子輻射模型得到聲壓譜．由于譜方法對展向的積分難以求得解析解，Kirschner等[23]提出了條帶理論，通過將槳葉沿徑向劃分為不同的條帶，認為每個條帶都是一個二維機翼，在每個條帶上物理量保持不變，條帶之間沒有相互影響，通過條帶累加實現對整個槳葉的積分．在譜方法和條帶理論的基礎上，大批學者對空氣中旋轉機械的低頻寬帶噪聲進行了大量的理論和試驗研究．朱錫清等[24]在風洞中測量了船尾模型螺旋槳盤面處的湍流場特性，從而得到湍流強度和湍流相關長度，計算了某船在不同航速下的低頻寬帶噪聲級，預報值與實船噪聲試驗值吻合較好，并指出為降低寬帶噪聲級，航速、螺旋槳直徑、轉速、弦長、葉片數等應適當減小．熊紫英等[25]首先針對十葉槳試驗模型計算了其非定常推力譜，理論計算結果與試驗結果總體趨勢一致(見圖3)，在此基礎上預報了某五葉槳的低頻寬帶噪聲，預報結果顯示，螺旋槳低頻寬帶噪聲量級主要取決于0.7R處的條帶，且在葉頻及其諧頻處存在脈動的峰值，并初步分析了設計參數對噪聲峰值的影響，指出要降低螺旋槳低頻寬帶噪聲，必須盡量降低來流湍流強度，同時避免來流湍流積分尺度位于臨界值附近；螺旋槳低頻寬帶噪聲峰值隨槳轉速、直徑、弦長的增加而增加，隨螺距的增加而減小，槳葉數較少時隨槳葉數的增加而增加，槳葉數到一定程度時基本保持不變．

圖3 文獻[25]的研究對象及部分計算結果

除譜方法外，Gavin等[26]從頻域出發提出了低頻寬帶噪聲預報的相關法．該方法為了得到槳葉上脈動寬帶力的特性，必須將槳葉劃分成許多小面元，各個面元上的力通過速度脈動的相關函數和相鄰面元的誘導作用來聯系，最后脈動力譜只取決于頻率響應函數和速度相關函數，只要求解得到這兩個函數，即可得到螺旋槳的寬帶力.相關法能夠同時捕捉到低頻寬帶噪聲的寬帶成分和葉頻及其諧頻處的窄帶成分．

此外，Casper等[27]從時域出發提出了低頻寬帶噪聲預報的方法．通過求解由薄翼理論得到的一個簡單解析表達式，得到NACA0015機翼表面非定常脈動力，將其作為力源輸入求解FW-H方程得到的理論預報公式，即可求解得到低頻寬帶噪聲引起的時域聲壓，隨后對時域聲壓作傅里葉變換可得到其相應的聲壓級．時域的表面脈動壓力可以通過試驗測量得到，也可由解析表達式或CFD數值模擬計算得到．

1.1.3螺旋槳高頻寬帶譜噪聲

槳葉湍流邊界層內隨機的速度擾動產生隨機的脈動壓力，這種槳葉表面的隨機脈動壓力產生了高頻寬帶譜噪聲．對于湍流邊界層內脈動壓力的描述，目前通用的方法是采用頻率-波數譜模型進行定量描述的統計湍流理論．

Kraichnan[28]最早開展了定量描述邊界層脈動壓力及聲輻射的研究．Corcos[29]基于試驗提出了經典的湍流邊界層脈動壓力頻率-波數譜模型，用大量試驗結果擬合出窄頻帶上脈動壓力時間-空間互相關函數，通過時域和空間域傅里葉變換得到其頻率-波數譜，實際應用發現，其模型在遷移波數附近的高波數范圍內準確度較好，而在低波數區域預報值則偏高．針對Corcos模型在低波數區域預報值偏大的缺點，Chase[30]拓展了Corcos模型低波數段的適用范圍，提出了兩種新的模型，模型中包含有多個由試驗確定的可調參數；Martin等[31]根據大量試驗結果回歸了低波數段的脈動壓力頻率-波數譜．Smol’yakov等[32]引入邊界層排擠厚度作為建模參數，并且考慮了空間分離的影響，建立了一種新的脈動壓力頻率-波數譜模型，使模型與邊界層流動狀態相聯系．Dhanak[32]首次考慮了物面曲率對湍流脈動壓力的影響，其方法是在柱坐標系下求解Lighthill方程，得到圓柱曲率對脈動壓力的修正因子，針對低馬赫數和低波數情況，建立了適用于圓柱物面的湍流脈動壓頻率-波數譜模型．運用該模型對邊界層進行的研究表明，物面勢流壓力梯度主要影響邊界層內部的大尺度旋渦，且逆壓梯度使邊界層增厚．

目前，湍流邊界層脈動壓力的頻率-波數譜模型主要應用于潛艇艇體、聲吶導流罩和舵翼結構等相對簡單的對象，而關于螺旋槳的研究還不多見．實際工程應用中預報螺旋槳高頻寬帶噪聲一般采用相似的方法將模型槳噪聲換算成實槳噪聲．

槳葉隨邊渦發放產生的渦旋噪聲也是螺旋槳中高頻寬帶譜噪聲的重要來源．對渦旋噪聲的研究大多集中在圓柱和機翼上，直接討論螺旋槳渦旋噪聲的理論工作一直很少．湯渭霖[34]建立了一種半經驗半理論的方法，根據單槳葉的試驗規律總結出槳葉微元隨邊的渦發放特性，以此為基礎應用力源公式可導出槳葉渦旋噪聲的聲場，其噪聲譜由槳葉各微元處的貢獻迭加而成．采用估計單個槳葉輻射噪聲功率譜的公式比較了均勻流中等截面、不等截面槳葉和不均勻流中不等截面槳葉的渦旋噪聲譜，計算結果表明：均勻流中等截面槳葉各段產生同樣的譜，迭加后譜的形狀不變，強度增加；不等截面槳葉各段產生中心頻率不同的譜，迭加后形成具有一定寬度的譜峰，不均勻流的頻譜形狀更寬，這種情況更加接近實際螺旋槳槳葉．

1.2 螺旋槳流噪聲的試驗研究

試驗是一種比較簡捷、直接的螺旋槳噪聲預報方法，其關鍵是要解決螺旋槳噪聲試驗的相似性、聲場的敞水修正以及模型槳和實槳的噪聲換算等問題．通過多年模型試驗積累的經驗與相似理論的分析，目前這些問題已得到解決，但因空泡水洞試驗設備本身的條件，測量噪聲的下限頻率受到限制，測量對象以空泡噪聲為主，且水洞背景噪聲難以分離，因此，通過模型試驗預報的噪聲還需實船試驗進行驗證．

Paik等[35]采用高速攝像機和水聽器對碳纖和玻纖復合材料螺旋槳水彈性及噪聲性能進行了試驗研究(見圖4).結果表明，玻纖槳比碳纖槳的彈性大，推力和扭矩都較小，彈性越大效率越低；玻纖槳的葉頻聲壓級和噪聲總聲級低于碳纖槳．Lafeber等[36]在減壓水池(見圖5)中對船后螺旋槳空泡噪聲進行試驗預報研究，但測量結果經過換算后與實船測試數據相差較大，達到約10 dB．Arveson等[37]對散貨船輻射噪聲進行測量，得到不同航速時該船的噪聲譜級，試驗結果表明，航速較高時，螺旋槳空化噪聲是船舶主要噪聲源；空化出現時，寬頻段聲壓級迅速增大；螺旋槳空化噪聲頻譜在50～100 Hz的低頻范圍內具有明顯峰值．劉竹青等[38]通過改變壓力，在循環水槽(見圖6)中分別測量了有/無空泡時螺旋槳模型的噪聲，并換算得到實槳噪聲譜級，得出結論為：螺旋槳空化噪聲峰值頻率在50 Hz以下，在該峰值頻率以上，螺旋槳輻射噪聲基本以6 dB/oct(八度)下降，整個頻段內螺旋槳的輻射噪聲比無空化時高10 dB以上．熊鷹等[39]以模型試驗的方法研究了導邊充氣對螺旋槳水動力和輻射噪聲的影響，得到了導邊葉面小氣量充氣既可降低噪聲又對螺旋槳水動力性能影響較小的結論；在循環水槽中對某高速雙槳船假體后螺旋槳模型的空泡噪聲進行了測量，得出總噪聲級隨航速增加而逐步增加，隨含氣量的增加而略有下降，噪聲隨速度的變化規律受頻率影響很大的結論；開展了Kappel槳與傳統槳的噪聲對比試驗，得出Kappel槳無空泡噪聲與傳統槳相當，但由于與傳統螺旋槳相比空泡性能較差，其空化輻射噪聲高于傳統槳的結論．

圖4 文獻[35]的試驗模型及部分結果

圖5 文獻[36]水池中的水聽器

圖6 文獻[38]循環水槽中的測試聲艙

1.3 螺旋槳振動噪聲

對于船舶螺旋槳的噪聲研究，在很長的一段時間里人們通常只考慮其流噪聲．螺旋槳在流體激勵作用下的振動噪聲與流噪聲相比同樣不可忽視，因此近年來螺旋槳結構方面的研究重點也從其振動特性轉向振動噪聲．此外，在螺旋槳噪聲研究中較早受到關注的螺旋槳唱音是一種渦激共振噪聲，其本質上也屬于螺旋槳振動噪聲.

1.3.1槳葉脈動壓力激振噪聲

早期螺旋槳振動的研究對象為空氣螺旋槳，早在上世紀三四十年代，美國國家航空咨詢委員會(NACA)就針對空氣螺旋槳的振動開展了大量理論和試驗研究．1940年在《Nature》發表的文章中就已注意到螺旋槳唱音并介紹了螺旋槳振動特性的測量試驗．此后，國內外學者開始對螺旋槳的振動特性開展研究，其中研究對象以空氣螺旋槳居多，研究方式以試驗居多．早期的試驗研究多以模態測量為主，Burrill等[40]開展了船舶螺旋槳的水下模態測量試驗，結果表明，槳葉在空氣和水中的振型相似，水阻尼對低階模態固有頻率影響較大，而對高階模態影響較小，水中與空氣中固有頻率的比值與槳葉振型節點數大致呈線性關系．Bl?chl等[41]在消聲室中開展了螺旋槳振動和振動噪聲指向性的試驗研究，試驗結果表明，噪聲幅值的空間變化隨槳葉數的增加而減小，聲指向性與螺旋槳振型有關；模態測量結果表明，各槳葉的振幅不同，振動不存在對稱性，由此導致了振動噪聲的復雜性．黃政等[42]分別采用有限元法和應變模態測量試驗對比了金屬槳和碳纖維槳模型的固有頻率和模態振型，結果表明，碳纖維槳各階固有頻率均小于銅槳，模態振型相似，結構阻尼前者是后者的4倍左右．

隨著測試技術的發展，激光多普勒測振儀(LDV)及布拉格光柵(FBG)等新技術的應用極大地豐富了螺旋槳振動特性的研究方式．Sikora等[43]采用脈沖激光全息技術測量了水中旋轉螺旋槳的模態振型，為旋轉螺旋槳模態的非接觸式測量提供了一種新方法，測量結果表明，在轉速從0變化至38 rad/s時，槳葉主要彎曲振動模態不隨螺旋槳轉速變化.Castellini等[44]使用跟蹤激光掃描測振儀測量了水中旋轉螺旋槳的振動特性，測量結果表明，螺旋槳旋轉時，槳葉振動傳遞至水流，增大了槳葉的附加質量，導致其固有頻率降低；由于激勵力頻率較低，槳葉的扭轉剛度較大，因此槳葉振動以彎曲振動為主．Javdani等[45]采FBG測量了空氣和水中實尺度螺旋槳的振動特性(圖7)，并與有限元軟件ABAQUS的計算結果進行對比，得出了與文獻[41]類似的結論，其結論還有：槳葉的固有頻率測量結果與浸深無關，激勵源的位置直接影響各頻率處的振幅．

近年來，為了更加真實地模擬水動力載荷導致的螺旋槳振動噪聲，國內外學者均開展了水洞中運轉螺旋槳的振動特性及噪聲試驗．Tian等[46]對七周期伴流場中銅和塑料七葉大側斜螺旋槳的流激振動特性進行了試驗和數值研究，試驗在水洞中進行，槳葉振動由加速度傳感器測得后經滑環傳出(圖8)，數值研究采用LES方法計算槳葉表面壓力脈動，有限元結合邊界元計算槳葉強迫振動響應，結果表明，槳葉振動主頻為螺旋槳葉頻，螺旋槳流激振動受伴流場和槳葉模態特性的共同影響．在理論研究方面，由于空氣螺旋槳形狀相對簡單，可采用解析法進行研究，如Dirac[47]將空氣螺旋槳的槳葉簡化為旋轉懸臂彈性直桿，推導了其橫振和扭振的頻率方程和在激勵力作用下

圖7 文獻[45]中的螺旋槳及FBG傳感器

圖8 文獻[46]中的滑環、加速度計及伴流格柵

的振動特性方程．Hunter[48]提出了一種計算空氣螺旋槳槳葉橫振固有特性的數值方法，由兩個耦合四階微分運動方程控制梁在兩個方向的位移，采用積分矩陣法進行求解，與試驗及其他計算結果的對比表明該方法精度較高．許慧春等[49]利用基于均勻湍流統計模型的相關分析方法，求取了槳葉表面的壓力譜空間分布；通過將槳葉簡化為彎曲梁，運用基于模態疊加法的隨機振動理論，研究了螺旋槳在寬帶激勵力下的振動特性．

對于變截面變螺矩的船舶螺旋槳槳葉，由于難以得到解析解，其振動特性的研究一般采用有限元法，Kosmatka等[50]分別采用解析法和有限元法計算了復合材料渦輪螺旋槳的自由振動特性，低階模態的計算結果與試驗結果吻合良好．Hashemi等[51]建立了旋轉螺旋槳槳葉的動力有限元方程，其固有頻率計算結果與其他公開發表的計算結果吻合良好．Park等[52]采用NASTRAN軟件中的虛擬質量法對螺旋槳槳葉的振動特性進行了研究，得到了其固有頻率，并與試驗結果進行比較，鑒別出螺旋槳發生唱音現象時的共振頻率．李澤成等[53]采用類似方法計算了螺旋槳在空氣和水中的固有頻率和振型，并通過采集槳葉被敲擊后產生振動噪聲的方式測量了空氣中螺旋槳的固有頻率．計算和試驗結果表明，螺旋槳振型分為三類：槳轂基本不動而槳葉振動、槳轂與槳葉一起作橫向、縱向振動．近年來，CFD、有限元與邊界元法相結合成為計算槳葉振動噪聲的有效方法，文獻[54]先采用CFD方法計算得到槳葉表面壓力脈動，然后將其作為激勵源，加載于槳葉有限元模型進行振動響應分析，最后利用邊界元法計算得到了槳葉的振動輻射噪聲．

1.3.2槳葉渦激共振噪聲——螺旋槳唱音

唱音是螺旋槳發出的一種有音調的，周期性出現、消失的尖叫聲，直到20世紀50年代，人們逐漸認識到是由槳葉隨邊處出現分離渦，當渦發放頻率與槳葉固有頻率耦合時發生共振所致．其特點是一個單頻率的音調聲，有相當高的聲級，聲能集中在很窄的帶寬內，在頻譜中與鄰近譜級比較一般可高出10～15 dB以上，并且唱音一旦產生，可在很寬的轉速范圍內持續．

由于槳葉不同半徑處的剖面有不同繞流速度和不同厚度，其分離渦的頻率也不同，而且分離的渦在槳葉徑向還應相連，加上槳葉是多質量系統，其自振頻率也非常豐富，導致唱音的預報非常困難．因此對于唱音的研究一般是根據渦發放頻率和槳葉固有頻率判斷唱音的可能性，以指導消除唱音．魏以邁等[55]對實槳進行水下激振試驗，獲得槳葉共振頻率，根據Strouhal數估算槳葉各剖面尾緣的旋渦發放頻率，估算出最有可能發生唱音的轉速范圍．Powell等[56]則是根據有限元法得到的槳葉固有頻率，判斷唱音發生的可能性．李潔雅等[57]直接采用經驗公式估算渦發放頻率和槳葉固有頻率范圍，判斷是否發生唱音．

為了消除或抑制唱音，人們提出了各種方法，如將槳葉隨邊部分區域加厚、減薄或進行特殊加工等，工程中最常見抗唱音的方法是采用抗鳴邊：將槳葉隨邊的一小段削薄，擾動槳葉下洗的水流，使水流不能形成有規律的渦分離流動，因此，自1950年代以后，人們失去了研究唱音的興趣，因為已經找到有效的、簡便的辦法(抗鳴邊)，能用于所有現行結構形式的螺旋槳，用來消除唱音現象，而且還不帶來任何有負面影響的后果．

1.4 低噪聲螺旋槳技術

船舶低噪聲推進器的開發一直是國內外學者的研究熱點．目前采取的主要措施有改善伴流場，改變螺旋槳幾何特征、剖面翼型或結構材料等．

船尾非均勻伴流場是螺旋槳低頻線譜噪聲的根源，因此優化船尾線型，控制船尾邊界層流動，改善伴流品質，能夠顯著降低由于槳盤面伴流不均勻帶來的螺旋槳噪聲．其具體應用如在潛艇尾舵與艇體之間采用填角過渡以改善螺旋槳入流均勻性(見圖9a))．

改變螺旋槳幾何特征，如采用變螺距、中大側斜、多葉(五或七葉)螺旋槳，使槳葉周向載荷均勻，可以更好地適應船尾伴流場，降低螺旋槳噪聲．俄羅斯克雷諾夫研究院在20世紀80年代就開始對螺旋槳的葉數、側斜、直徑和葉梢卸載等對螺旋槳噪聲的影響進行了詳細的研究，提出了在無空泡條件下，增加側斜和槳葉數可以有效降低螺旋槳低頻線譜噪聲.目前五葉、七葉等多葉大側斜葉梢卸載的螺旋槳(見圖9b))已成為艦船螺旋槳的主要形式，與常規螺旋槳相比，提高了臨界航速，并且其低頻線譜噪聲有較大幅度的降低．

采用新型槳葉剖面翼型主要是針對螺旋槳的空泡噪聲．Eppler等[58]提出了新型抗空泡葉剖面的設計方法，使設計者可以針對特定船舶的設計條件，預先給定葉剖面的表面壓力分布，用保角變換方法求取葉剖面形狀，得到具有更寬空泡斗的葉剖面形式，改善螺旋槳的空泡性能.但對于無空泡螺旋槳噪聲，新型葉剖面的相關研究還不充分．

采用高阻尼材料制造槳葉，使彈性振動能轉化為熱能耗散，達到振幅快速衰減的目的，從而抑制槳葉振動、降低輻射噪聲．從20世紀60年代起，錳銅基合金、鎳銻合金、鐵鉻鋁合金等高阻尼合金材料先后用于螺旋槳，取得了良好的降噪效果．雖然高阻尼合金螺旋槳的降噪效果良好，但其耐腐蝕和抗空泡剝蝕性能差，復合材料螺旋槳的出現則解決了這些問題，并且具有重量輕、可設計性強等諸多優勢．復合材料螺旋槳降噪研究主要體現在纖維鋪層與水動力載荷相互作用對振動噪聲的影響上．通過一段時期的研究，國外復合材料螺旋槳在潛艇和魚雷上的應用已經相對成熟，如德國212A潛艇(見圖9c))、美國Mk54魚雷、意大利黑鯊魚雷的螺旋槳都采用復合材料制造，達到了實用化的程度，取得了明顯的降噪效果．

圖9 低噪聲螺旋槳技術的應用

2 螺旋槳激勵船體振動噪聲

2.1 螺旋槳激勵船體振動聲輻射特性的預報

近年來的試驗研究表明，船舶在低速巡航或螺旋槳無空泡工況下，螺旋槳激勵船體振動也是重要的噪聲源．螺旋槳激振力分為槳葉非定常載荷通過軸系傳遞到船體形成的軸承力和螺旋槳誘導壓力場經過水傳遞至船體表面形成的表面力，預報螺旋槳激勵船體振動聲輻射時，一般先計算船體結構在螺旋槳激振力作用下的振動響應，然后將其作為聲源得到振動聲輻射．振動響應的求解可采用解析法或有限元法，解析法將船體結構簡化為若干簡單結構的組合，分別建立其結構動力學方程，再通過幾何連續條件與位移協調條件將方程聯立求解，通過求得結構振動方程的解析解就可以準確計算出結構的振動響應，其計算時間短，便于進行機理分析，但僅能求解簡單結構在簡單邊界條件下的解，因此多用于研究船體梁和加肋圓柱殼等簡化結構；而有限元法從理論上講可以用于任意復雜結構的靜、動力學分析，在船舶等大型復雜結構振動響應預報中的應用越來越廣泛．振動聲輻射的求解可采用聲極子模型或邊界元法，聲極子模型要求聲源滿足聲緊致條件，因此適用于研究船體梁的低頻振動聲輻射；而邊界元法則可用于任意復雜結構，隨著計算機技術的發展，有限元法與邊界元法相結合被越來越多地應用于研究螺旋槳激勵船體振動聲輻射．

在螺旋槳激勵船體振動特性的研究方面，Nilsson[59]采用簡支板模型研究了螺旋槳誘導脈動壓力激勵船底板的振動，研究表明，增加板厚、減小板的尺度能夠降低板的振動響應；所研究的頻率較低時，板的振動取決于船尾整體振動，此時板模型已不再適用．Pan等[60]設計了包括螺旋槳、軸及推進電機的試驗模型，用支撐平板模擬推力軸承基座，研究螺旋槳縱向激勵力通過軸承傳遞到支撐結構的機理，通過測量螺旋槳激勵力及推力軸承剛度，認為推力軸承中的液膜剛度與軸系轉速有關并隨頻率變化，試驗中，由于螺旋槳的進速為零，其激勵特性與實際船舶螺旋槳存在差異．Kinns等[61]采用圓柱體模擬艇體結構，使用偶極子模型描述螺旋槳引起的流體脈動力，研究了螺旋槳激勵力通過流體介質傳遞到艇體的規律．結果表明，流體脈動傳遞的螺旋槳激勵在某些情況下甚至與軸系傳遞的激勵力相當，但其研究忽略了艇尾是錐段且脈動壓力分布存在較大相位差，對流體傳遞激勵的估計偏大．Besnier等[62]以螺旋槳軸承力、表面力以及主機激振力作為激勵源，采用有限元法計算了船體的振動響應，并提出了一種調整螺旋槳與主機曲軸相位角的減振方法，與試驗數據的對比表明，這種綜合考慮整個動力系統耦合激勵的方法計算精度較高，部分計算結果見圖10．謝基榕等[63]建立船體梁-軸系耦合振動的數學物理模型，分別采用聲偶極子和單極子模型模擬船體彎曲振動和縱向振動噪聲，得出結論為：螺旋槳縱向力激勵船體振動輻射噪聲主要體現為船體首階縱振的強輻射特性和軸系首階縱振的力放大作用，并提出了降低推力軸承縱向動剛度以降低軸系縱向首階共振頻率，以及使用動力吸振器削弱軸系或船體首階縱向固有頻率處力傳遞的控制策略．

在目前螺旋槳激勵船體振動聲輻射研究中，大多將螺旋槳簡化為集中質量，使用簡諧單位力模擬螺旋槳軸承力，偶極子模型模擬螺旋槳表面力，或直接使用經驗公式進行估算．這些方法雖然簡化了計算，但是由于激勵源與真實螺旋槳的激勵特性相差較大，適用于研究結構本身的振動特性，但不利于準確預報螺旋槳激勵船體振動聲輻射．因此，對螺旋槳非定常力和脈動壓力進行數值計算或試驗測量，將其結果作為激勵源，能夠更加真實地模擬螺旋槳激勵特性，提高螺旋槳激勵船體振動聲輻射的預報精度．相關研究如Lee等[64]使用CFD計算得到船后空泡螺旋槳在船體上的誘導脈動壓力，探討了有無相位差的分布激勵、垂向點激勵等不同脈動壓力加載方式對船尾振動響應計算結果的影響，得出結論為：無相位差的分布激勵計算結果偏小，垂向點激勵計算結果偏大，并推薦使用考慮相位差影響的分布激勵載荷．

圖10 文獻[61]中振動計算與測量結果的對比

2.2 螺旋槳激勵船體振動聲輻射控制技術

研究螺旋槳激勵船體振動特性，其目的是指導振動控制措施的設計并評估控制效果．目前的控制措施大體可分為控制激勵源和控制振動傳遞兩類．控制激勵源的具體方式有改善伴流分布，優化螺旋槳設計等．實踐證明，伴流場的不均勻性是槳葉非定常流動現象的根源，因此改善伴流分布，使其盡可能均勻的措施最為有效，是一種治本的方法，如Norrie[65]提出優化艉部線型、使用多體船型、吊艙推進器及導管等；Hylarides[66]提出在艉部安裝部分導管或鰭等導流裝置，以降低船尾伴流場不均勻程度，減小螺旋槳激振力．在伴流分布已不能進一步改善的情況下，可改進螺旋槳設計，使其適應于伴流分布，如Hammer等[67]分析了大側斜螺旋槳的減振效果，認為使用大側斜螺旋槳可將船體總振動水平降低50%．控制振動傳遞則是一種治標的方法，通常在激勵源控制不能達到理想效果時采用，如Sukhanov等[68]介紹了在螺旋槳上方安裝彈性結構，在支撐軸承處安裝彈性單元以控制螺旋槳激振力傳遞的方法，實船試驗表明，上述兩種方法可分別降低船體振動7～15 dB和6～8 dB．

近年來，使用動力吸振器等對螺旋槳軸承力的傳遞進行主動控制成為國內外學者的研究重點．澳大利亞學者對共振變換器的優化設計及減振效果開展了大量研究，Dylejko[69]使用傳遞矩陣法建立槳-軸-艇系統模型，采用四端參數法建立耦合系統的振動方程，然后分別以傳遞到艇體的激勵力和功率為控制目標，研究了軸系共振變換器的參數優化設計，以及使用多個共振變換器的減振效果，研究充分考慮槳-軸-艇的耦合作用，但只考慮了結構的縱向振動．Merz等[70]使用偶極子模型表示螺旋槳通過流體作用在艇尾的激勵力，并用有限元結合邊界元法分析艇體與流體的耦合作用，研究了螺旋槳激勵力的流體傳遞途徑對軸系共振變換器效果的影響，結果表明，在艇體共振頻率以上，激勵力的流體傳遞途徑降低了共振變換器的減振效果，研究同樣只考慮了縱向振動．Carest等[71]建立組合殼體的運動方程，采用解析法計算了耦合系統在縱向及橫向簡諧激勵力作用下的結構響應與聲輻射，并在此基礎上增加槳軸系統，探討了推力軸承基座和共振變換器參數的影響，并分析了主動振動控制(AVC)與主動結構聲控制(ASAC)兩種不同控制策略的效果，見圖11．研究表明，槳軸系統通過共振變換器及彈性基座與艇體連接能夠顯著降低振動聲輻射；AVC的目的是減小結構響應而非輻射噪聲，因此其對輻射噪聲的控制效果不如ASAC，甚至僅使用一個誤差傳感器時反而會導致輻射噪聲的增大．

圖11 文獻[71]中不同控制策略的效果

國內學者也對動力吸振器的控制策略和效果等開展了理論及試驗研究．曾革委[72]采用有限元法建立了螺旋槳-軸系-艇體與磁流變阻尼器縱向振動的物理數學模型，采用現代控制理論進行半主動控制仿真，仿真結果表明，磁流變阻尼器可以獲得大于10 dB的降噪效果．曹貽鵬[73]對螺旋槳縱向激勵力引起艇體振動輻射噪聲的控制措施開展了大量理論及試驗研究，分析了安裝動力吸振器、彈簧隔振器和改變軸承參數等降噪措施．張志誼等[74]對軸系-殼體耦合系統模型開展了振動主動控制的試驗研究，通過自適應反饋控制策略使安裝于軸系上的主動減振器產生與干擾力相抵消的控制力，使激勵力引起的振動得到了不同程度的抑制．

3 結 論

1) 目前使用FW-H方程預報螺旋槳低頻線譜噪聲的技術已比較成熟，隨著計算機計算能力的不斷提高，以LES為代表的CFD方法在聲源求解上的應用越來越廣泛，同時聲學邊界元法也為螺旋槳噪聲預報提供了一種新的途徑．以譜方法為基礎的條帶數值法是螺旋槳低頻寬帶譜噪聲主要研究手段，而頻率-波數譜模型作為描述湍流脈動壓力的通用方法，在螺旋槳高頻寬帶譜噪聲方面的應用還不多．

2) 國內外學者的研究重點從螺旋槳振動特性轉向振動噪聲，有限元與邊界元法相結合成為預報槳葉振動噪聲的有效方法．隨著水洞中螺旋槳振動測量試驗的開展和LDV等測量技術的應用，通過試驗可以得到更加真實的螺旋槳振動特性．螺旋槳隨邊渦發放可產生渦旋噪聲并最終導致唱音，但抗鳴邊等有效措施使得近年來該方面的研究較少．

3) 螺旋槳激勵船體振動的噪聲逐漸引起關注．對于簡單結構，使用解析法開展的研究仍然較多；對于大型復雜結構，采用CFD方法得到螺旋槳激振力，結合有限元與邊界元法來預報振動噪聲的方法較為常見．近年來，由于激勵源控制和被動控制的改進空間有限，螺旋槳激振噪聲控制的研究熱點逐漸轉向以動力吸振器為代表的主動控制．

4) 在以往的研究中，螺旋槳直接輻射噪聲和激勵船體振動的噪聲通常是分離的，因此,亟須在研究螺旋槳直接輻射噪聲的同時，考慮螺旋槳真實激勵特性，進一步開展螺旋槳激勵船體振動噪聲的研究，綜合船舶無空泡螺旋槳誘導噪聲中各種成分的影響，形成一種更加全面、精度更高的預報和分析方法．