指揮室圍殼水動力噪聲及控制技術(shù)研究綜述

章文文，徐榮武*

1 海軍工程大學(xué) 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

指揮室圍殼是為滿足潛艇在水面狀態(tài)時的指揮、觀通等需求而設(shè)置的突體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部通常圍封耐壓指揮室和通信天線、潛望鏡、通氣管等多種升降桅桿，一般情況下，圍殼也是潛艇最大的附體結(jié)構(gòu)。

以往對圍殼的設(shè)計主要考慮的是其對潛艇阻力、操縱性等水動力性能的影響，近年來，隨著潛艇航速的提高，圍殼部位的水動力噪聲問題逐漸凸顯，指揮室圍殼等水下翼型結(jié)構(gòu)的水動力噪聲總級通常與流速的5～7 次方成正比，在高流速時，甚至是以流速的10 次方的規(guī)律增長[1]。文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]分別對潛艇的水動力噪聲進(jìn)行了實測數(shù)據(jù)分析和數(shù)值計算，結(jié)果均表明潛艇的自噪聲分布在指揮室圍殼和潛艇尾部存在2 個明顯的“駝峰”。針對圍殼部位突出的水動力噪聲問題，美國致力于潛艇水動力、結(jié)構(gòu)與噪聲綜合研究的部門-水面戰(zhàn)研究中心卡德洛克分部曾專門成立先進(jìn)的圍殼研發(fā)計劃（advanced sail project），從水動力、水動力噪聲、復(fù)合材料技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計等多方面對先進(jìn)的圍殼開展了深入研究深入研究[4-6]。可見，指揮室圍殼是潛艇輻射噪聲的重點部位。

目前，關(guān)于指揮室圍殼部位的水動力噪聲研究已得到廣泛關(guān)注，但系統(tǒng)、全面論述圍殼水動力噪聲機(jī)理、特性和控制技術(shù)進(jìn)展的文獻(xiàn)很少。本文將側(cè)重于指揮室圍殼水動力噪聲的特點，對國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)及其研究進(jìn)展進(jìn)行回顧與總結(jié)。

1 圍殼水動力噪聲機(jī)理和特性研究

圍殼部位具有非常復(fù)雜的流動特征。在圍殼根部，圍殼與艇體表面構(gòu)成流動角區(qū)，致使來流邊界層容易在該區(qū)域產(chǎn)生復(fù)雜的三維分離流動，形成由圍殼前緣向后緣流動的“馬蹄渦”；在圍殼尾部，受逆壓梯度和黏性阻力的影響，容易發(fā)生邊界層分離和渦脫落；在圍殼頂部，由于翼型的端面效應(yīng)，當(dāng)來流與圍殼存在一定攻角時（轉(zhuǎn)向航行），容易在圍殼頂部產(chǎn)生梢渦；同時，圍殼上的各類開孔還容易發(fā)生流激空腔振蕩。這些流動會在圍殼表面產(chǎn)生湍流脈動壓力，表面湍流脈動壓力一方面會直接產(chǎn)生噪聲，另一方面又會激勵圍殼結(jié)構(gòu)振動并輻射噪聲。

圍殼表面多種不穩(wěn)定流也使得圍殼水動力噪聲具有多種復(fù)雜的機(jī)理。Liu 等[7]通過大渦模擬和水洞試驗對圍殼水動力噪聲機(jī)理進(jìn)行了研究，指出圍殼在不同類型不穩(wěn)定流激勵下產(chǎn)生的噪聲特性不同，如馬蹄渦主要貢獻(xiàn)了500 Hz 以下的低頻噪聲，尾渦主要產(chǎn)生線譜噪聲（595 Hz），而邊界層分離產(chǎn)生的噪聲則具有寬頻特性。Dowling[8]指出水動力噪聲應(yīng)重點關(guān)注其低頻特性，因為低頻噪聲容易與結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生明顯的耦合，成為水動力噪聲的主要貢獻(xiàn)部分。根據(jù)噪聲的頻率特性和產(chǎn)生機(jī)理，本文將圍殼水動力噪聲歸納為4 類：1）圍殼表面湍流脈動壓力的直接輻射噪聲；2）湍流脈動壓力激勵圍殼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動進(jìn)而產(chǎn)生的輻射噪聲，也稱為二次輻射噪聲；3）圍殼開口部位在水流作用下產(chǎn)生的流激空腔噪聲；4）當(dāng)圍殼尾部渦脫落頻率與圍殼固有頻率相近時，產(chǎn)生的渦激共振噪聲。圍殼水動力噪聲機(jī)理如圖1 所示。其中前2 類噪聲源主要構(gòu)成圍殼水動力噪聲的低頻寬帶分量，第3 類噪聲主要表現(xiàn)為低頻線譜分量，第4 類噪聲通常也表現(xiàn)為線譜噪聲，但在未發(fā)生共振時線譜幅值較小。由于第4 類噪聲本質(zhì)上也可以分解為第1 類和第2 類噪聲，因而，本文主要對前3 類噪聲研究進(jìn)行回顧和總結(jié)，并概述水動力噪聲在試驗測量方面的研究進(jìn)展。

圖 1 圍殼水動力噪聲機(jī)理Fig. 1 The mechanism of the hydrodynamic noise of sail

1.1 圍殼直接輻射噪聲

圍殼由于突出于潛艇艇體表面，破壞了艇體表面的均勻流場，因此在水下航行時，圍殼表面會形成以馬蹄渦、片狀湍流邊界層、梢渦和尾流渦為代表的復(fù)雜湍流繞流，湍流中的速度、壓力和溫度等物理參數(shù)將發(fā)生近乎無規(guī)則的脈動，這些復(fù)雜的湍流脈動一方面會使流體介質(zhì)產(chǎn)生密度波動，即聲波，另一方面，入射到壁面的湍流脈動又會因壁面的存在而發(fā)生動量損失，引起動能向聲能的轉(zhuǎn)換，在壁面形成偶極子聲源并輻射噪聲，這種由繞流中的湍流脈動直接輻射的噪聲稱為直接輻射噪聲。由于湍流脈動具有隨機(jī)性，因而直接輻射噪聲通常表現(xiàn)為寬帶噪聲。

起初，湍流運(yùn)動和噪聲似乎屬于2 個完全不相干的領(lǐng)域，很難將這兩者聯(lián)系起來，以致于早期研究人員總是把流體運(yùn)動引起的噪聲問題轉(zhuǎn)化為流體激勵板、殼等結(jié)構(gòu)的振動發(fā)聲問題。為解釋湍流發(fā)聲的機(jī)理，Lighthill[9]提出了聲比擬理論，其通過將N-S 方程左端重組為經(jīng)典聲學(xué)中的聲傳播方程，將剩余各項作為聲源項置于方程右端，用以表征湍流運(yùn)動對聲傳播的影響。Lighthill 聲比擬方程首次在理論上將自由湍流運(yùn)動與噪聲建立聯(lián)系，直觀地揭示了湍流中的速度脈動、黏性應(yīng)力以及熵波動會在流場中產(chǎn)生的密度波動（即聲波），并表現(xiàn)出四極子源聲輻射特性。

但采用Lighthill 聲比擬方程還不能完全解釋圍殼繞流等繞流輻射噪聲問題，因為繞流噪聲場會受到壁面邊界的影響，而Lighthill 聲比擬方程是基于自由湍流場提出的。為解釋壁面影響下的湍流發(fā)聲問題，Curle[10]將固壁邊界的湍流脈動壓力或剪切力作為表面偶極子源，對Lighthill 聲比擬理論做了推廣，成功解釋了湍流邊界層與固壁作用的發(fā)聲問題。Williams 等[11]進(jìn)一步考慮旋轉(zhuǎn)壁面對聲場的影響，運(yùn)用廣義函數(shù)法進(jìn)一步對聲比擬理論做了推廣，得到了聲比擬理論的一般形式FW-H 方程，該方程揭示了旋轉(zhuǎn)壁面與流場相互作用形成的噪聲成分除了有四極子源、偶極子源外，還有因壁面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動產(chǎn)生的單極子源。

在圍殼直接輻射噪聲問題中，由于不存在旋轉(zhuǎn)壁面邊界，因此不考慮單極子聲源。圍殼繞流是典型的低馬赫數(shù)流動，Howe[12]在聲比擬理論的基礎(chǔ)上，通過渦旋理論研究表明，低馬赫數(shù)流動中的四極子源的輻射效率很低，可以忽略不計，主要聲源是偶極子源，即壁面湍流脈動壓力。通過聲比擬理論，可以較為清晰地解釋圍殼直接輻射噪聲主要由壁面湍流脈動壓力決定，但聲比擬理論主要由理論公式推導(dǎo)得來，對于壁面湍流脈動壓力是如何輻射噪聲的物理機(jī)制還難以解釋。Howe[13]對湍流脈動壓力的聲輻射的物理機(jī)制進(jìn)行了總結(jié)：湍流脈動根據(jù)特征值可以分解為聲波、渦波和熵波，對應(yīng)聲速的擾動分量為聲波，對應(yīng)來流速度的擾動分量為渦波和熵波。渦波常被用于描述湍流脈動，熵波在等熵流動中可以忽略。聲波與固壁邊界的相互作用是經(jīng)典的散射問題，而當(dāng)渦波入射到固壁邊界時，由于邊界條件的限制，必須誘導(dǎo)出另外的運(yùn)動產(chǎn)生反向速度以抵消入射渦波在壁面法向的分量，當(dāng)入射渦波為非穩(wěn)態(tài)（湍流脈動本身為非穩(wěn)態(tài)的）時，會在固壁表面產(chǎn)生非定常壓力分布（聲源），從而向外輻射偶極子聲。

根據(jù)聲比擬理論，作為偶極子源的壁面湍流脈動壓力可以通過求解N-S 方程準(zhǔn)確求得，進(jìn)而計算出流動噪聲的聲場分布，這也是流動噪聲數(shù)值預(yù)報的基礎(chǔ)，但要更好地實現(xiàn)對繞流直接輻射噪聲的控制，還必須將壁面湍流脈動壓力與實際的湍流物理圖像聯(lián)系起來。Powell[14]和Howe[15]建立的渦聲理論揭示了流動噪聲實際上與湍流中渦的結(jié)構(gòu)和尺度密切相關(guān)。雖然湍流的機(jī)理至今尚未徹底解釋清楚，也沒有準(zhǔn)確的定義，但普遍認(rèn)為湍流是包含各種大尺度渦和小尺度渦的非定常復(fù)雜流動。Hardin[16]曾對低馬赫數(shù)下的湍流邊界層聲源進(jìn)行研究，認(rèn)為湍流邊界層的主要聲源是邊界層中大渦之間的相互作用；Kine 等[17]認(rèn)為大渦運(yùn)動呈現(xiàn)一定的統(tǒng)計規(guī)律，并非為完全隨機(jī)的，這種具有一定規(guī)律的大渦運(yùn)動是湍流邊界層低頻脈動的主要原因，而小尺度渦運(yùn)動則是高頻脈動的主要原因。Huerre 等[18]和Mankbadi等[19]對低馬赫數(shù)流動中大尺度湍流渦與聲輻射的關(guān)系進(jìn)行研究，證明了低馬赫數(shù)流動中大尺度渦是主要的湍流噪聲源。

在圍殼繞流中，根據(jù)不同部位的幾何特征，有不同的大尺度渦，如圖2 所示。圍殼根部以“馬蹄渦”為主要特征；在圍殼頂部，湍流脈動壓力主要受梢渦尺度的影響；圍殼尾部一般會伴有較強(qiáng)的渦脫落，形成尾流渦，周期性的渦脫落會對圍殼尾部產(chǎn)生較強(qiáng)的附加脈動壓力；而在圍殼中部，邊界層主要經(jīng)歷由層流到轉(zhuǎn)捩再到完全發(fā)展為湍流邊界層的過程，該區(qū)域的湍流脈動壓力主要由片狀邊界層決定。其中，圍殼根部的“馬蹄渦”是圍殼水動力噪聲的突出噪聲源和振動激勵源[20]，它的形成實際上是由于圍殼等突體結(jié)構(gòu)對來流的阻滯作用，在其上游形成逆壓梯度進(jìn)而引起艇體表面邊界層發(fā)生三維流動分離，并在主、附體交接的角區(qū)沿突體表面卷繞，形成所謂的馬蹄渦[21]，馬蹄渦在角區(qū)附近發(fā)生卷并、集中的過程中伴隨著強(qiáng)烈的振蕩現(xiàn)象，并在表面產(chǎn)生較強(qiáng)的脈動壓力和剪切力[22]。圍殼根部的馬蹄渦強(qiáng)度與來流攻角密切相關(guān)，Jiménez 等[23]發(fā)現(xiàn)當(dāng)攻角小于17°時，圍殼馬蹄渦的強(qiáng)度會隨攻角的增大而增大，而當(dāng)攻角大于17°時，馬蹄渦強(qiáng)度的變化趨勢則相反。由于流場中的大渦結(jié)構(gòu)和尺度與流動邊界條件密切相關(guān)，因而可以通過圍殼外形優(yōu)化來減小或消除馬蹄渦、尾渦等大尺度渦強(qiáng)度，達(dá)到降低圍殼水動力噪聲的目的，后文將對相關(guān)研究進(jìn)一步總結(jié)。

圖 2 圍殼表面渦流Fig. 2 Vortex flow on the surface of sail

1.2 圍殼二次輻射噪聲

圍殼表面的湍流脈動壓力一方面會直接產(chǎn)生聲輻射，另一方面還會激勵圍殼結(jié)構(gòu)振動并產(chǎn)生輻射噪聲，即二次輻射噪聲。由于指揮室圍殼為透水結(jié)構(gòu)，不需要承受靜水壓力，因而其結(jié)構(gòu)整體剛度通常小于艇體結(jié)構(gòu)剛度，受流體激勵而產(chǎn)生的振動響應(yīng)較大，所以由圍殼結(jié)構(gòu)受激振動產(chǎn)生的二次輻射噪聲通常是圍殼水動力噪聲中不可忽視的噪聲分量，甚至是水動力噪聲的主要分量[24]。

二次輻射噪聲是典型的流體-結(jié)構(gòu)-聲場的相互作用問題，通常分3 個步驟進(jìn)行求解：獲得流體激勵力、計算結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)、求解結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的輻射聲場。在圍殼流激振動噪聲問題中，流體激勵力主要是圍殼表面的湍流脈動壓力，這里需要指出的是，湍流中的脈動壓力包含聲壓和偽聲壓2 個部分，其中聲壓是由于雷諾應(yīng)力而產(chǎn)生的密度起伏，滿足波動方程，偽聲壓則是由于速度脈動而產(chǎn)生的動量起伏，滿足動量方程。偽聲壓占湍流脈動壓力的絕大部分能量，在二次輻射噪聲計算中，通常只將由速度脈動引起的偽聲壓部分當(dāng)作流體激勵源[25]。

表面湍流脈動壓力是時空變化的隨機(jī)激勵源，如何對這種面分布的激勵力進(jìn)行描述是首先需要解決的問題，一種常用的方法是通過頻率-波數(shù)譜描述。湍流脈動壓力的頻率-波數(shù)譜實際上是基于統(tǒng)計湍流理論和試驗結(jié)果的一種半經(jīng)驗方法，在求解由結(jié)構(gòu)受激振動產(chǎn)生的二次輻射噪聲時，需要選擇合適的湍流脈動壓力頻率-波數(shù)譜模型。俞孟薩等[24]曾對采用湍流脈動壓力的頻率-波數(shù)譜模型計算結(jié)構(gòu)受激振動產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行過詳細(xì)的總結(jié)與回顧。但需要注意的是，采用湍流脈動壓力的頻率-波數(shù)譜模型只能計算平板或圓柱殼體等簡單結(jié)構(gòu)的受激振動聲輻射問題，而圍殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其表面脈動壓力不僅僅只來源于湍流邊界層，還有馬蹄渦、梢渦、尾部邊界層分離和渦脫落等其他湍流脈動源，無法采用湍流邊界層脈動壓力的頻率-波數(shù)譜模型表示，通常需要借助計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)先提取出湍流脈動壓力作為激勵力，再對湍流脈動壓力進(jìn)行頻率-波數(shù)譜轉(zhuǎn)換，進(jìn)而求解二次輻射噪聲。Liu 等[7]便通過大渦模擬與頻率波數(shù)譜相結(jié)合的方法，對指揮室圍殼的二次輻射噪聲進(jìn)行過數(shù)值求解。

隨著計算機(jī)性能和CFD 理論的快速發(fā)展，諸如大渦模擬（LES）等數(shù)值模擬方法已經(jīng)可以實現(xiàn)在有限的計算機(jī)資源下對湍流脈動進(jìn)行準(zhǔn)確求解。目前，對二次輻射噪聲的數(shù)值求解通常是將流場計算和聲場計算分開進(jìn)行，即先通過CFD 數(shù)值求解得到結(jié)構(gòu)表面的湍流脈動壓力，再將表面湍流脈動壓力作為彈性結(jié)構(gòu)的激勵力，計算結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)和聲輻射。實際上，圍殼二次輻射噪聲在數(shù)值模擬求解的過程中不可能完全考慮流體-結(jié)構(gòu)-聲介質(zhì)的相互耦合作用，其原因一方面是部分的耦合作用機(jī)理還不清晰；另一方面是計算機(jī)資源往往不允許。由于水介質(zhì)中的二次輻射噪聲問題通常是低馬赫數(shù)繞流和結(jié)構(gòu)小振幅振動問題，故在數(shù)值模擬計算中可以只考慮單向耦合作用，即只考慮水對彈性結(jié)構(gòu)的作用，這樣可以大幅提高數(shù)值計算效率，同時也能保證較高的二次輻射噪聲計算精度。

1.3 圍殼開口流激空腔噪聲

圍殼并非為全封閉的短翼形結(jié)構(gòu)，其頂部存在為升降桅桿而設(shè)置的開孔，圍殼壁上通常設(shè)有通氣孔和流水孔，這些開孔與圍殼內(nèi)部腔體相連形成開口腔，當(dāng)圍殼表面湍流邊界層流經(jīng)這些開孔時，會在孔口形成剪切層振蕩，引起流激空腔噪聲。流激空腔噪聲是圍殼水動力噪聲低頻線譜分量的主要噪聲源。

所謂流激空腔噪聲是指流體流經(jīng)腔口導(dǎo)邊時，邊界層在前緣分離并在腔口形成具有振蕩特性的剪切流動，剪切層到達(dá)腔口隨邊時，與隨邊發(fā)生碰撞并產(chǎn)生壓力脈動，壓力脈動向上游傳播至導(dǎo)邊又進(jìn)一步影響前緣的邊界層分離，在一定條件下剪切層擾動形成一個閉合反饋環(huán)，產(chǎn)生單一頻率的自持振蕩[26-27]，自持振蕩還會與空腔聲模態(tài)、空腔彈性結(jié)構(gòu)模態(tài)發(fā)生多種形式的耦合共振，從而輻射強(qiáng)烈的線譜聲[28]。Rockwell 等[26]通過對眾多不同開口、不同腔體的空腔振蕩特性進(jìn)行分析，將空腔振蕩形式分為了3 類：1）流體動力振蕩，由剪切層固有不穩(wěn)定性和腔口處的閉合聲反饋形成，即自持振蕩；2）流體共振空腔振蕩，即腔口的自持振蕩頻率與腔內(nèi)駐波頻率發(fā)生的共振振蕩；3）流體彈性空腔振蕩，為腔口自持振蕩與空腔彈性壁面振動發(fā)生耦合共振的振蕩形式。圖3 較為準(zhǔn)確地揭示了目前被認(rèn)可的流激空腔發(fā)聲機(jī)理，圖中的①，②，③，④分別代表腔口自持振蕩反饋環(huán)、流體共振振蕩過程、流體彈性共振振蕩過程和各種振蕩形式混合的發(fā)聲機(jī)制。

圖 3 流激空腔噪聲機(jī)理[29]Fig. 3 Mechanisms of flow-induced cavity noise[29]

空腔噪聲的研究最早始于20 世紀(jì)50 年代在轟炸機(jī)彈艙上出現(xiàn)的周期性強(qiáng)壓力脈動問題[30]，但以1964 年Rossister[31]提出的聲反饋模型為空腔噪聲研究的發(fā)展標(biāo)志。Rossister 針對空腔流動開展了大量的風(fēng)洞試驗，認(rèn)為空腔腔口剪切層振蕩的聲反饋機(jī)制是空腔產(chǎn)生顯著線譜噪聲的主要原因，并提出了空腔剪切層自持振蕩頻率的半經(jīng)驗預(yù)報公式，該公式成為后續(xù)空腔噪聲頻率預(yù)報的“母型”公式，眾多學(xué)者針對具體的空腔流動問題對Rossister 公式進(jìn)行了修正：Heller 等[32]將Rossiter公式中向上游傳播的擾動聲波速度修正為了當(dāng)?shù)芈曀伲⒅赋鯮ossiter公式只在馬赫數(shù)大于0.8 時較為準(zhǔn)確；Bilanin 等[33]專門研究了Rossister 經(jīng)驗參數(shù)的取值問題；國內(nèi)的張強(qiáng)[34]、朱幼君等[35]則針對低馬赫數(shù)空腔流動，對Rossiter 公式中的經(jīng)驗參數(shù)做了進(jìn)一步修正，使空腔振蕩的頻率預(yù)報相較于Rossiter 和Heller 公式更為準(zhǔn)確。以上空腔振蕩頻率預(yù)報公式都是基于空氣介質(zhì)流動提出的，頻率預(yù)報相對較為準(zhǔn)確。然而，關(guān)于水介質(zhì)當(dāng)中的空腔自持振蕩頻率預(yù)報研究則很少，Howe[36]曾對極小馬赫數(shù)下的空腔和開口線譜噪聲進(jìn)行了研究，這對水中空腔噪聲頻率預(yù)報研究具有一定的借鑒意義。

流激空腔噪聲的特點在于，即使在較低流速下，也會有腔口剪切層自持振蕩發(fā)生，并輻射線譜噪聲；而當(dāng)自持振蕩與空腔共振頻率接近時，線譜噪聲幅值會驟然增加。Elder[37]最早對空腔自持振蕩輻射的線譜噪聲和空腔共振時輻射的線譜噪聲進(jìn)行了區(qū)分，并分別稱之為“剪切純音”（shear tone）和“空腔純音”（cavity tone），其中剪切純音在很寬的流速范圍下都會發(fā)生，而空腔純音只在有限的幾個流速范圍內(nèi)發(fā)生。大量研究表明，空腔共振模態(tài)主要發(fā)生在最大尺度方向。Sarohia等[38]根據(jù)空腔長度L 與深度D 的比值將空腔劃分為深腔和淺腔，當(dāng) L/D＞1 時稱為淺腔，L/D＜1 時稱為深腔，淺腔通常在流向的聲模態(tài)發(fā)生空腔共振，而深腔常在深度方向的聲模態(tài)發(fā)生共振。East[39]和Heller 等[32]通過試驗研究，分別建立了深腔和淺腔的空腔共振頻率預(yù)報經(jīng)驗公式。對于水中空腔流動，馬赫數(shù)通常很小，而聲波波長較長，腔口發(fā)生的自持振蕩頻率很難接近空腔聲模態(tài)頻率（除非空腔尺度很大而開口尺度很小）。實際上，水中空腔流動仍然存在共振線譜噪聲，這是因為在水中，流體介質(zhì)與空腔壁存在較強(qiáng)的彈性耦合，會降低空腔聲模態(tài)頻率。袁國清[29]和高巖等[40]對此類水中彈性腔的耦合共振問題進(jìn)行了研究，證明彈性壁會降低空腔聲模態(tài)頻率，從而更容易發(fā)生流激空腔共振。

對于影響流激空腔振蕩和聲輻射特性的因素，除L/D 以外，還有來流邊界層厚度[41-43]、開口形狀[44-45]、來流攻角[46]、空腔幾何外形[47-49]等因素。此外，朱習(xí)劍等[50]認(rèn)為，指揮室圍殼的空腔結(jié)構(gòu)為突出式空腔，應(yīng)區(qū)別于飛機(jī)彈倉、船體上流水孔等陷落腔結(jié)構(gòu)來進(jìn)行研究。但無論何種結(jié)構(gòu)、何種形狀的空腔，腔口的剪切層振蕩是流激空腔噪聲的激勵源，腔口的聲反饋環(huán)是自持振蕩形成的必要條件，正如Blake[51]所指出的，控制空腔共振最有效的方法首先是降低或消除腔口剪切層的發(fā)展，其次是破壞或阻擋反饋環(huán)的形成，當(dāng)無法做到這些時，那么就要盡量避免流激空腔共振發(fā)生。

1.4 水動力噪聲計算與測量

對水動力噪聲的計算和測量是揭示水動力噪聲機(jī)理和特性以及對其進(jìn)行有效治理的2 個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在水動力噪聲計算方面，李環(huán)等[52]和王春旭等[53]進(jìn)行了較為詳細(xì)的綜述，限于文章篇幅，本文不再贅述。針對水動力噪聲測量的實驗研究，目前主要有水筒測量、拖曳模測量、大尺度自航模測量和浮體測量等試驗方法。

水筒測量是一種比較成熟且常用的水動力噪聲測試方法，它需要保持測試模型在水筒內(nèi)不動，利用水筒內(nèi)的循環(huán)水流與測試模型形成相對運(yùn)動而進(jìn)行水動力噪聲測量。這種測量方法的主要優(yōu)勢是可以對流速、壓力等水力參數(shù)精確調(diào)整，同時方便利用激光多普勒測速（LDV）、粒子成像測速（PIV）等技術(shù)對流場進(jìn)行觀察。在用水筒測量水動力噪聲時，水聽器可置于水筒內(nèi)用于測量模型的水動力噪聲。Li 等[54]和黃橋高等[55]直接將水聽器置于水筒內(nèi)，分別測量了水面船和回轉(zhuǎn)體水下航行器縮比模型的水動力噪聲，并較為準(zhǔn)確地預(yù)報了實尺度下的水動力噪聲。更為常用的水筒測量方法是將水聽器置于與水筒工作段相連接的外部水箱中，這要求與外部水箱連接的水筒壁具有良好的透聲性。Abshagen 等[56]通過外置水聽器的水筒測量方法，對平板的流噪聲進(jìn)行了測量，測量結(jié)果與拖曳模的測量結(jié)果相近。用水筒測量水動力噪聲往往也存在諸多限制，首先是受限于水筒工作段尺寸，無法對較大尺度模型開展水動力噪聲試驗，而更為重要的限制因素是狹小密閉的水筒內(nèi)往往存在強(qiáng)烈的混響，水筒內(nèi)的背景噪聲甚至?xí)蜎]所要測量的水動力噪聲。減少這些限制影響的一個有效措施就是增大水筒的工作段尺寸。世界各大先進(jìn)空泡水筒（循環(huán)水槽）也確實是在朝這個方向發(fā)展，如中國船舶科學(xué)研究中心的循環(huán)水槽工作段截面尺寸達(dá)到了 2.2 m×2.0 m[57]，這也是國內(nèi)目前最大的循環(huán)水槽。德國漢堡水池大型空泡水筒工作段的截面尺寸為 2.8 m×1.6 m，美國海軍水面戰(zhàn)研究中心的William B Morgan 大型空泡水筒的工作段截面尺寸更是達(dá)到了 3.05 m×3.05 m[58]。當(dāng)水筒的背景噪聲過于強(qiáng)烈時，一般通過測量模型的表面脈動壓力來對水動力噪聲進(jìn)行評估。袁國清[29]采用這種測量表面脈動壓力的方法在重力水筒內(nèi)對由空腔繞流引起的水動力噪聲進(jìn)行了實驗研究。

拖曳模測量是通過低噪聲拖曳裝置帶動試驗?zāi)Ｐ驮谒貎?nèi)以一定的速度運(yùn)動，進(jìn)而對模型產(chǎn)生的水動力噪聲進(jìn)行測量，相較于水筒測量方法，拖曳模測量對模型尺度的限制以及受背景噪聲的影響都要小得多。拖曳模測量水動力噪聲通常是在專門的拖曳水池中進(jìn)行。Gao 等[59]在拖曳水池中通過固定位置的單點水聽器，對水面船模型進(jìn)行了水動力噪聲測量，并利用短時傅里葉變換將測量的時域噪聲信號映射至?xí)r間-頻率域，有效識別出了水動力噪聲分量。Haimov 等[60]在拖曳水池中將由4 個水聽器組成的圓周陣列與螺旋槳一同固定到拖曳架上，使水聽器陣與螺旋槳保持相對位置固定，進(jìn)而對螺旋槳噪聲進(jìn)行了測量。戴紹仕等[61]利用脈動壓力傳感器對陷落式空腔內(nèi)部的脈動壓力進(jìn)行測量，在拖曳水池內(nèi)對不同功角下的流激空腔振蕩特性進(jìn)行了實驗研究。當(dāng)對水動力噪聲試驗環(huán)境有特殊要求時，拖曳模測量水動力噪聲也可以在其他類型的水域中進(jìn)行。Abshagen 等[62]在研究湍流邊界層脈動壓力和水動力噪聲的關(guān)系時，因需要盡可能降低海洋背景噪聲以及測量裝置噪聲的影響，故選擇在1 000 m水深的挪威松恩海峽開展拖曳模水動力噪聲試驗，并將拖曳模置于 100 ～150 m 水深區(qū)間，通過線型等距分布的水聽器陣列對拖曳模水動力噪聲進(jìn)行了測量。

浮體測量是Haddle 等[63]于上世紀(jì)60 年代最早提出一種水動力噪聲測量方法。它是將試驗浮體模型從深水湖底自由釋放，完全利用其自身的浮力，而無需利用任何動力裝置推動浮體沖向水面，進(jìn)而測量浮體模型在上浮過程中產(chǎn)生的水動力噪聲。由于幾乎完全消除了機(jī)械噪聲的影響，可以顯著提高水動力噪聲測量的準(zhǔn)確性，且浮體模型通常可以達(dá)到較高的上浮速度，因此浮體測量十分有利于中、高速水下航行體的水動力噪聲測量。美國和俄羅斯等國專門建設(shè)了浮體測量試驗基地，如俄羅斯克雷洛夫中央船舶研究所早在上世紀(jì)60 年代就設(shè)計建造了深水浮體測量基地，專門用于測量水下航行器的水動力噪聲，其浮體最高上浮速度可超過22 m/s[64]；美國在位于愛達(dá)荷州的本德奧瑞湖潛艇水聲試驗區(qū)也專門規(guī)劃了浮力艇試驗區(qū)，通過使大比例實艇自浮模型從300 m 水深的湖底自由加速上浮升至湖面，專門用于潛艇艇首和指揮室圍殼部位的水動力噪聲測量試驗[65]。國內(nèi)針對浮體測量水動力噪聲的試驗研究相對較少。陳燦[66]采用了浮體測量方法相似的原理，通過測量球形體在湖上無動力下沉過程中的水動力噪聲，對球形體的水動力噪聲特性進(jìn)行了實驗研究。張翰欽等[67]則將潛艇指揮室圍殼縮比模型縛于浮力回轉(zhuǎn)體上進(jìn)行自由上浮試驗，通過測量表面脈動壓力，對開孔圍殼的流激振蕩現(xiàn)象進(jìn)行了研究。目前，國內(nèi)還沒有建成專門的浮體測量試驗平臺，但鑒于其在水動力噪聲試驗方面的顯著優(yōu)勢，建成專門的浮體測量試驗平臺對進(jìn)一步探明水動力噪聲機(jī)理、降低水下航行器在中、高航速下的水動力噪聲等具有積極的意義。

2 圍殼水動力噪聲控制技術(shù)進(jìn)展

圍殼水動力噪聲控制主要從3 個方面開展：降低流體激勵力、降低圍殼結(jié)構(gòu)受激振動響應(yīng)、降低聲輻射效率。在降低流體激勵力方面，主要是通過開展圍殼的水動力外形優(yōu)化來降低馬蹄渦、梢渦和尾渦等大尺度渦強(qiáng)度，如填角設(shè)計、線型優(yōu)化、開孔設(shè)計等；在降低圍殼結(jié)構(gòu)受激振動方面，主要涉及開展圍殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高整體或局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，如加強(qiáng)圍殼結(jié)構(gòu)布置和尺寸的優(yōu)化設(shè)計；在降低聲輻射效率方面，主要涉及材料的使用，如在圍殼表面涂覆柔性阻尼材料、采用復(fù)合材料建造圍殼等。

2.1 填角設(shè)計

填角是圍殼前緣與艇體過渡連接的一段具有一定弧度的結(jié)構(gòu)，主要用于減弱或消除圍殼根部由前緣向下游發(fā)展的馬蹄渦，其外形如圖4 所示。

采用填角設(shè)計來控制馬蹄渦的發(fā)展最早出現(xiàn)于空氣動力學(xué)領(lǐng)域。Devenport 等[68-69]最先利用填角對機(jī)翼馬蹄渦進(jìn)行了控制研究，并指出填角在高度等于翼型厚度、長度等于弦長時抑制馬蹄渦的效果最好。Simpson[21]研究指出首部填角可降低繞流邊界層中的逆壓梯度，抑制邊界層分離，進(jìn)而可以實現(xiàn)在零攻角下消除主、附體結(jié)合部位的馬蹄渦。Zess 等[70]對應(yīng)用于汽輪機(jī)葉片上填角的最佳消渦尺寸進(jìn)行了研究，認(rèn)為當(dāng)填角高度為邊界層厚的1 倍、長度為邊界層厚2 倍的尺度下，消除馬蹄渦效果最好。

在圍殼馬蹄渦控制研究中，Gorski[71]最先對填角的渦控效果進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)圍殼填角能有效降低圍殼前緣的逆壓梯度，進(jìn)而消除馬蹄渦的產(chǎn)生；Seil 等[72]探究了圍殼與主艇體交接部位結(jié)合外形對表面渦流和阻力的影響，結(jié)果表明在圍殼首部加裝填角能減弱馬蹄渦強(qiáng)度，同時也能降低阻力；Toxopeus 等[73]通過數(shù)值模擬研究了抑制圍殼根部馬蹄渦的最佳填角尺度，認(rèn)為填角在長度等于圍殼翼型剖面半弦長、高度為弦長的15%時效果最佳；Lin 等[74]和張楠等[75]通過大渦模擬的數(shù)值計算方法，分別對圍殼加裝填角后的輻射噪聲和表面脈動壓力進(jìn)行了計算，結(jié)果表明填角可使圍殼的輻射噪聲和表面脈動壓力分別降低2～5 dB和～26.7 dB。

圖 4 “弗吉尼亞”級核潛艇的圍殼填角[76]Fig. 4 The sail fillet on the Virginia-class SSN[76]

從填角設(shè)計相關(guān)文獻(xiàn)和圍殼填角技術(shù)的實際工程應(yīng)用來看，填角是一種行之有效的圍殼根部馬蹄渦控制技術(shù)，但關(guān)于圍殼填角的最佳消渦尺寸還沒有較為統(tǒng)一的定論，相關(guān)的公開研究資料也很少，需要做進(jìn)一步的研究。

2.2 “薄翼”形圍殼設(shè)計

為減小航行阻力，現(xiàn)代潛艇圍殼普遍采用流線型的翼型剖面設(shè)計，但關(guān)于圍殼翼型剖面厚度（即圍殼寬度）與水動力噪聲的關(guān)系鮮有公開的文獻(xiàn)。而在氣動噪聲領(lǐng)域中，翼型結(jié)構(gòu)厚度與噪聲的關(guān)系已經(jīng)有一定的研究結(jié)論，即在一定范圍內(nèi)，機(jī)翼的相對厚度（翼型最大厚度與弦長之比）越小，產(chǎn)生的氣動噪聲越小。劉大偉等[77]對NACA0008，NACA0010 和NACA0012這3 種不同厚度的對稱翼型進(jìn)行了氣動噪聲仿真與試驗，結(jié)果表明，隨著機(jī)翼厚度的增加，氣動噪聲也隨之增加。卓文濤等[78]通過改變NACA0012對稱翼型的相對厚度和最大厚度位置對翼型進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明在一定相對厚度范圍內(nèi)，機(jī)翼厚度越小，產(chǎn)生的氣動噪聲越小。

潛艇圍殼和飛機(jī)機(jī)翼具有相似的外形，認(rèn)為翼型剖面厚度對其各自的流體動力噪聲應(yīng)具有類似的影響，僅有的幾篇相關(guān)文獻(xiàn)也印證了這一點。Crepel[79]曾對西方國家潛艇主要采用的“薄翼”型圍殼和前蘇聯(lián)潛艇主要采用“飛機(jī)座艙”型圍殼進(jìn)行了比較，指出薄翼型圍殼設(shè)計更有利于噪聲性能。Joubert[80]在澳大利亞新型潛艇外形設(shè)計的建議上也指出，更薄的圍殼外形更有利于圍殼的噪聲性能和阻力性能。可見，如何將圍殼外形設(shè)計得更“薄”極有可能成為圍殼低噪聲設(shè)計的一個新方向。

在工程應(yīng)用上，美國“弗吉尼亞”級核潛艇圍殼很好地體現(xiàn)了薄翼型圍殼的設(shè)計特點，如圖5～圖6 所示。相比其前級艇“洛杉磯”級和“海狼”級，“弗吉尼亞”級核潛艇圍殼剖面的相對厚度明顯減小[81]，且在該型潛艇圍殼側(cè)壁對應(yīng)的每根桅桿位置處，均設(shè)有若干可拆檢修板，此設(shè)計可以實現(xiàn)在圍殼外部對桅桿進(jìn)行檢修，從而省去了圍殼內(nèi)部檢修空間，有利于減小圍殼厚度。

2.3 圍殼線型優(yōu)化

指揮室圍殼線型是決定圍殼表面脈動壓力和尾部旋渦脫落的主要因素，對前面所提到的第1，2，4 類噪聲均有直接影響。現(xiàn)代潛艇指揮室圍殼普遍采用水平剖面為對稱翼型的設(shè)計，但在沿垂向高度的變化上，則差異較大。美國“弗吉尼亞”、“海狼”級等核潛艇的圍殼采用的是直壁式圍殼線型，這類圍殼的水平剖面幾乎不沿高度變化；英國“機(jī)敏級”、德國212 型、澳大利亞“柯林斯”級等潛艇的圍殼則是斜壁式，其水平剖面線型的弦長和半寬隨高度的增加而減小，通常這樣的線型設(shè)計是為了使圍殼根部與潛艇上層建筑能較為平滑地過渡連接；還有一類是以俄羅斯“北風(fēng)之神”為代表的潛艇圍殼，這類圍殼采用的是倒斜壁式，即水平剖面弦長隨高度的增加而增大。

圖 5 美國3 型核潛艇圍殼頂部視圖[81]Fig. 5 Top views of sails of three U.S. SSN[81]

圖 6 “弗吉尼亞”級核潛艇圍殼上的檢修板[82]Fig. 6 Detachable service boards on the sail of Virginia-class SSN[82]

從聲學(xué)設(shè)計的角度出發(fā)，圍殼線型優(yōu)化的主要目的是使圍殼受到的壁面湍流脈動壓力最小，主要體現(xiàn)在水平剖面的線型設(shè)計和交接部位的外形設(shè)計這2 個方面。前者主要對圍殼表面邊界層的發(fā)展以及尾部渦脫落特性有影響，后者主要對根部馬蹄渦的生成和演化產(chǎn)生影響。但當(dāng)圍殼沒有與艇體形成過渡連接時，剖面線型則對馬蹄渦也有一定的影響。馬蹄渦的特性通常與圍殼等翼型體首部的形狀、尺寸大小密切相關(guān)，翼型體的前緣半徑越小、首部線型越尖銳，首部繞流流場中的逆壓梯度就越小，產(chǎn)生的馬蹄渦尺寸和強(qiáng)度也就越小[83]。Olcmen 等[84]對6 種不同突出翼型交接部位的流場進(jìn)行了油流顯示試驗，發(fā)現(xiàn)前緣半徑小和相對厚度（最大厚度與弦長之比）小的翼型產(chǎn)生的馬蹄渦相對較弱，且表面脈動壓力較小。Wei 等[85]通過對不同形狀主體的馬蹄渦特性進(jìn)行研究，指出減少前緣鈍度可以有效抑制馬蹄渦。圍殼水平剖面線型直接決定了其周圍繞流場的壓力梯度分布，而壓力梯度與湍流邊界層中的壁面脈動壓力密切相關(guān)；Cohen 等[86]通過大渦模擬分析了壓力梯度對湍流邊界層作用于壁面的脈動壓力的影響，結(jié)果表明逆壓梯度越大，湍流邊界層產(chǎn)生壁面脈動壓力相對越大，聲特性也越明顯，因此，圍殼的低噪聲剖面線型應(yīng)保證前緣半徑小、首部線型較為尖銳且逆壓梯度較小。李鑫等[87]提出的低噪聲翼型便具有小前緣半徑和小逆壓梯度的特點。

在圍殼與艇體的交接形式方面，主要有2 種設(shè)計形式：一種是圍殼前部填角，相關(guān)研究進(jìn)展已經(jīng)在2.1 節(jié)進(jìn)行描述；另一種是圍殼與艇體光滑過渡連接。Seil 等[72]曾提出一種與潛艇艇體光滑過度連接的“一體型”圍殼，這種圍殼的導(dǎo)邊和隨邊都為傾斜狀，相對于傳統(tǒng)直翼型圍殼，“一體型”圍殼與艇體形成光滑過度，抑制了結(jié)合部位的馬蹄渦，同時也增大了圍殼體積，比較適合容納更大的設(shè)備以滿足現(xiàn)代潛艇的特殊戰(zhàn)術(shù)需求[88]。英國“機(jī)敏”級核潛艇和德國212 型潛艇圍殼很好地體現(xiàn)了這種圍殼設(shè)計；王開春等[89]對具有傾斜隨邊圍殼的水動力噪聲進(jìn)行了數(shù)值研究，計算結(jié)果表明，傾斜隨邊布局的圍殼可以抑制尾流的擺動，進(jìn)而降低尾流噪聲，良好設(shè)計的隨邊形狀可以降低總級達(dá)5 dB 的水動力噪聲。此外，一種“座艙蓋”形圍殼曾吸引了廣泛關(guān)注，這種圍殼因外形酷似飛行員的座艙蓋而得名，美國水面武器研究中心的卡德洛克分部最先對該類型圍殼進(jìn)行了研究，該團(tuán)隊的研究報告指出，這種類型圍殼可以有效抑制圍殼馬蹄渦、梢渦和尾渦[4-6]；Lin等[74]和張楠等[75]分別對座艙蓋圍殼的水動力噪聲性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，“座艙蓋”圍殼可降低總聲級達(dá)9 dB 和 6 dB。但值得注意的是，雖然“座艙蓋”圍殼有較為可觀的低噪聲，但其研發(fā)至今已有20 余年，仍未見實際應(yīng)用。

2.4 開口空腔噪聲控制

圍殼開口部位由于在流體的激勵下容易發(fā)生腔口剪切層自持振蕩，并在一定條件下發(fā)生空腔共振，輻射強(qiáng)烈的線譜噪聲，因而圍殼往往成為水動力噪聲的突出噪聲源。對于圍殼開口的空腔噪聲控制，最直接的方法是對這些開口進(jìn)行封閉，這在實際工程中已有所應(yīng)用，典型的如英國“機(jī)敏”級核潛艇和美國“弗吉尼亞”級核潛艇均在其圍殼頂部開口應(yīng)用了啟閉裝置，當(dāng)桅桿需要升起時，可將啟閉裝置打開，而在水下航行不需要升起桅桿時，啟閉裝置可以對開口進(jìn)行封閉，如圖7 所示。

并非所有的圍殼部位開口都適用啟閉裝置，出于安全性等方面的考慮，如流水孔、通氣孔等必須要保持常開狀態(tài)，因而對于這些開孔的流激空腔噪聲需要采用其他措施進(jìn)行控制。根據(jù)是否有外界能量的輸入，空腔噪聲控制可以分為主動控制和被動控制2 種。Cattafesta 等[92]曾對空腔噪聲的主動控制進(jìn)行過詳細(xì)的綜述，大抵將主動控制方法分為了4 類：一是在空腔前緣下方注入一定流量的流體（也稱次級流）[93-95]，通過外部射流減小腔口的對流速度梯度，減弱剪切層振蕩的發(fā)展；二是在空腔導(dǎo)邊布置振蕩板[96-97]，振蕩板以一定的頻率振動而影響腔口的渦脫落，進(jìn)而減緩腔口的剪切層振蕩；三是在空腔后壁面上布置激振器[98]，干擾剪切層拍擊腔口隨邊產(chǎn)生壓力脈動，破壞腔口剪切層自持振蕩的反饋環(huán)；四是在腔口導(dǎo)邊布置零質(zhì)量射流器[99-100]，這類控制方式與第1 類方式相近，但沒有外部流體輸入。雖然這些主動控制方法往往能降低20 dB 以上的空腔線譜噪聲，但主動控制機(jī)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)成熟度較低，會引入控制裝置的自噪聲，且這類主動控制方法通常只在較高馬赫數(shù)下能實現(xiàn)較好的空腔噪聲抑制效果，對于水中流速通常為極低馬赫數(shù)（Ma＜0.01）的情況，還未見有空腔噪聲主動控制方面的文獻(xiàn)，因此，對于圍殼開口等水中空腔的噪聲控制，被動控制方法仍不失為一種可靠、有效的途徑。

空腔噪聲的被動控制方法通常包括2 類：改變空腔形狀和設(shè)置擾流體。Franke 等[47]通過對比48 組不同幾何外形空腔的流激振蕩特性發(fā)現(xiàn)，將導(dǎo)邊和隨邊設(shè)計成斜坡狀能有效減弱空腔振蕩。Bolduc 等[101]和Omer 等[102]分別分析了空腔導(dǎo)邊和隨邊幾何形狀對空腔流激聲共振的影響，試驗結(jié)果表明，改變隨邊幾何外形可以有效抑制流激空腔共振，但不能完全消除，而具有良好外形的導(dǎo)邊則可以完全抑制空腔聲共振的發(fā)生。寧方立等[103]提出了一種可變形狀的空腔結(jié)構(gòu)模型，這種空腔結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)整后壁面傾斜角來抑制空腔振蕩和噪聲；Saddington 等[104]對比分析了13 種不同被動控制措施對空腔噪聲的抑制效果，結(jié)果表明，擾流體相對于改變空腔形狀有更好的空腔噪聲抑制效果，而導(dǎo)邊擾流體的效果又優(yōu)于隨邊擾流體。用于空腔流動控制的擾流體主要有方形、鋸齒形、三角形和圓柱形等不同的幾何外形，且通常都是置于腔口導(dǎo)邊。Shaaban 等[105]對安裝于導(dǎo)邊的方塊擾流體的空腔聲共振抑制效果進(jìn)行了研究，風(fēng)洞試驗結(jié)果表明，方塊擾流體有效降低了流激空腔噪聲，并使得聲共振發(fā)生速度向高速移動；Saddington 等[106]對導(dǎo)邊鋸齒單元的空腔降噪效果進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)鋸齒單元具有抑制空腔噪聲和推遲空腔聲共振發(fā)生的作用。隨后，梁勇等[107]進(jìn)一步對鋸齒單元不同安裝角度的空腔噪聲抑制效果進(jìn)行了研究。McGrath 等[108]早在1996 年就介紹了一種在腔口導(dǎo)邊上方放置圓桿的控制裝置，不僅可以顯著抑制空腔聲共振，并且在較大的速度范圍內(nèi)控制效果明顯。Flaherty等[109]對圓桿擾流體和其他3 種擾流體的空腔聲共振控制效果進(jìn)行了對比研究，結(jié)果表明圓桿擾流體的抑振效果最好。Sarpotdar 等[110-111]的研究結(jié)果指出，圓桿擾流體對空腔共振線譜聲的抑制效果與圓桿和導(dǎo)邊之間的間距及圓桿直徑相關(guān)。Martinez 等[112-113]通過水洞試驗分析了圓桿擾流體的作用機(jī)理，并將其總結(jié)為：圓桿將腔口剪切層向上抬升，且脫落的高頻卡門渦與剪切層內(nèi)的大尺度相干渦重組。以上被動控制措施已被證明能有效抑制空腔噪聲，但仍然具有一定的局限性，例如改變空腔形狀在很多實際工程中不可能實現(xiàn)，安裝擾流體通常也會帶來一定的額外阻力。

相對于潛艇的其他結(jié)構(gòu)，圍殼結(jié)構(gòu)剛度通常較小，隨著腔體彈性增加，會降低空腔聲模態(tài)頻率，增加空腔聲模態(tài)與腔口剪切層振蕩耦合共振和強(qiáng)聲輻射的可能性[40]。因此，對于圍殼開口處的空腔噪聲控制，還應(yīng)格外注意水彈性共振，在圍殼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)加強(qiáng)開孔周圍的局部結(jié)構(gòu)剛度，并盡量減小與開孔相連的空腔尺寸，提高空腔固有聲模態(tài)頻率，避免空腔共振的發(fā)生。

2.5 流動控制裝置

指揮室圍殼根部由于角區(qū)流動形成的馬蹄渦除了會在圍殼部位引起較為強(qiáng)烈的直接聲和二次聲外，還會使圍殼尾流成為以湍流脈動、黏性效應(yīng)和漩渦運(yùn)動為特征的復(fù)雜流場區(qū)域，導(dǎo)致螺旋槳盤面伴流嚴(yán)重不均勻，引起螺旋槳噪聲增大。為減弱圍殼部位馬蹄渦的發(fā)展，降低潛艇水動力噪聲，除上述所提到的圍殼填角外，自20 世紀(jì)60 年代以來，相關(guān)學(xué)者還開展了一系列應(yīng)用于圍殼等航行器突體部位的流動控制裝置研究。

圍殼馬蹄渦的流動控制裝置可分為被動和主動2 種。被動流動控制裝置主要是在圍殼導(dǎo)邊前部額外設(shè)置擾流體，或增加狹縫、凹槽，以改變圍殼根部流場，從而達(dá)到消除或抑制馬蹄渦的目的。三角翼是較早應(yīng)用于潛艇上的一種消渦裝置，蘇聯(lián)的“查理”級核潛艇早在1968 年就在圍殼根部前方安裝了三角翼，可以用來減弱圍殼根部位的馬蹄渦[114]。Gupta[115]對這種三角翼的消渦機(jī)理進(jìn)行了研究，認(rèn)為其主要作用機(jī)理是可以產(chǎn)生與原馬蹄渦旋向相反的的渦流，進(jìn)而減弱馬蹄渦強(qiáng)度。Théberge 等[116]則針對三角翼尺寸大小與消渦效果的關(guān)系進(jìn)行了實驗研究。Liu 等[117-118]提出了一種應(yīng)用于圍殼側(cè)壁的消渦裝置，該裝置是一種置于圍殼兩側(cè)馬蹄渦生成與演化發(fā)展區(qū)域的長方形薄片，可以明顯降低馬蹄渦強(qiáng)度。O¨lc?men等[119]設(shè)計了一種安裝于翼型體首部的圍欄裝置，這種圍欄裝置可以將馬蹄渦結(jié)構(gòu)打碎成更小的渦結(jié)構(gòu)，進(jìn)而抑制結(jié)合部位的馬蹄渦。Wang 等[120-122]提出了斜桿、四面體等幾種被動流動控制裝置，可以對主、附體結(jié)合部位的馬蹄渦起到一定的抑制作用，但還未在圍殼繞流場中驗證其控制效果。Kang 等[123]指出可在主、附體結(jié)合部前方設(shè)置一道狹縫，該狹縫可通過引起結(jié)合部上游來流擴(kuò)散，進(jìn)而減弱馬蹄渦，但狹縫的存在同樣會帶來流激空腔噪聲問題。主動流動控制裝置一般是在圍殼首部利用噴流或流吸技術(shù)，使噴流與圍殼根部結(jié)合流產(chǎn)生有益的干涉，或通過流吸抑制來流在駐點處卷曲成大尺度渦，從而達(dá)到消渦的目的。Thrift 等[124]采用粒子成像測速（PIV）技術(shù)研究了噴流對馬蹄渦的影響，流場成像結(jié)果表明，外部噴流通過改變突體前方來流在垂向的速度分布，抑制來流在突體前方駐點處卷曲成大尺度渦，從而抑制馬蹄渦的生成與發(fā)展。張楠等[125]在圍殼首部兩側(cè)應(yīng)用噴流技術(shù)進(jìn)行了馬蹄渦控制，結(jié)果表明，通過主動噴流能有效減小圍殼根部的渦量，并有效改善螺旋槳盤面的入流品質(zhì)，噴流的控制效果與噴流孔的位置和噴流流量密切相關(guān)。Liu 等[126]應(yīng)用流吸技術(shù)對翼-板結(jié)合流進(jìn)行了控制研究，并在翼體前方、馬蹄渦卷曲的起始位置設(shè)置了一排流吸孔，通過控制抽吸流量，翼-板結(jié)合流中幾乎沒有成形的馬蹄渦結(jié)構(gòu)，表面脈動壓力也顯著降低。

2.6 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

圍殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目的是在總體重量的約束下，使圍殼在繞流激勵下的振動響應(yīng)最小。通過前文的分析可知，圍殼所受到的繞流激勵主要包括：表面湍流脈動壓力、開口剪切層振蕩和尾部渦脫落激勵。其中，表面湍流脈動壓力是以低頻為主的連續(xù)譜激勵，而開口剪切層振蕩和尾部渦脫落則主要為低頻線譜激勵，因而在圍殼加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要盡可能提高圍殼的整體剛度和“關(guān)鍵”局部剛度，以提高圍殼模態(tài)頻率，降低低頻振動響應(yīng)。這里“關(guān)鍵”局部主要為開口/開孔周圍以及圍殼尾部，因為這些部位的流體激勵主要為低頻線譜激勵，要避免發(fā)生水彈性共振。

文獻(xiàn)[1]對水下翼型結(jié)構(gòu)的噪聲測試結(jié)果表明，翼型結(jié)構(gòu)的殼壁越厚，輻射聲功率越小，但對于翼型結(jié)構(gòu)的環(huán)肋，雖然使得總輻射聲功率減小，但在個別頻段，加環(huán)肋反而使聲輻射增加，這說明在圍殼布置加強(qiáng)結(jié)構(gòu)時，應(yīng)充分考慮其對聲輻射特性的影響。一般來說，圍殼加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的布置屬拓?fù)鋬?yōu)化問題，如Rais-Rohani 等[127-128]就是通過拓?fù)鋬?yōu)化的方法對復(fù)合材料圍殼進(jìn)行加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化布置。不過，文獻(xiàn)[129] 或許可以為圍殼加強(qiáng)結(jié)構(gòu)布置提供一種新的思路，即將現(xiàn)代圍殼內(nèi)部桅桿的升降裝置設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)模塊化升降裝置，所有與桅桿升降相關(guān)的電纜、導(dǎo)軌等設(shè)備均內(nèi)置于模塊化升降裝置內(nèi)，模塊化升降裝置可以設(shè)計成剛度非常大的結(jié)構(gòu)，并直接與艇體相連，這樣就可以使以往需要圍殼結(jié)構(gòu)支撐的升降裝置轉(zhuǎn)變?yōu)閲鷼さ募訌?qiáng)結(jié)構(gòu)，不僅能減小圍殼空間體積，還有利于增加圍殼整體結(jié)構(gòu)剛度。

2.7 水聲材料技術(shù)應(yīng)用

水聲材料技術(shù)在潛艇水動力噪聲治理中的應(yīng)用主要可以分為3 類：去耦覆蓋層技術(shù)、復(fù)合材料技術(shù)以及水聲超材料技術(shù)。其中，水聲超材料是一類新型的、且目前非常熱門的水聲材料技術(shù)，在水動力噪聲控制領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用前景。水聲超材料自2000 年Liu 等[130]提出局域共振聲子晶體的概念以來，已經(jīng)取得了長足的進(jìn)展，但距離潛艇水動力噪聲治理的實際應(yīng)用還有較大差距。西北工業(yè)大學(xué)的張燕妮等[131]對水聲超材料研究進(jìn)展進(jìn)行了詳盡的歸納與總結(jié)，由于篇幅有限，本文不再贅述，將主要聚焦于去耦覆蓋層和復(fù)合材料在水動力噪聲治理方面的研究進(jìn)展進(jìn)行回顧和總結(jié)。

去耦覆蓋層是敷設(shè)于水下結(jié)構(gòu)外表面的一層柔性阻尼材料，主要通過特性阻抗失配以及阻尼特性，隔離水下結(jié)構(gòu)表面振動激起的彈性壓力波向水中傳遞，并抑制結(jié)構(gòu)振動，進(jìn)而降低水下結(jié)構(gòu)輻射噪聲[132]。去耦覆蓋層技術(shù)已較為成熟，已被應(yīng)用于潛艇機(jī)械噪聲治理中[133]。根據(jù)其主要降噪機(jī)理，若在潛艇指揮室圍殼表面敷設(shè)去耦覆蓋層，理論上也可有效抑制圍殼二次輻射噪聲和圍殼開口流激空腔噪聲。俞孟薩[134]較早就提出過這種設(shè)想，但在實際應(yīng)用中仍存在幾個問題：其一，去耦覆蓋層對低頻噪聲的抑制效果不佳，甚至還會增大低頻噪聲，而水動力噪聲通常在低頻段具有主要能量。Wang 等[135]以敷設(shè)去耦覆蓋層的加筋板為對象，從理論和實驗這2 個方面對去耦覆蓋層的這一聲學(xué)特性進(jìn)行了較為詳細(xì)的描述；Huang 等[136]對去耦覆蓋層的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列優(yōu)化，指出特殊構(gòu)型的對稱內(nèi)腔可大幅改善去耦覆蓋層的整體降噪效果，但對低頻噪聲（＜250 Hz）甚至還有輕微的增加，可見去耦覆蓋層的低頻降噪問題仍有待解決。其二，高靜水壓會顯著降低去耦合層的隔振降噪效果，這是因為以橡膠、聚氨酯等高分子聚合物為主要材料的去耦合層在高靜水壓下容易變“硬”，使阻抗失配效果降低，且高靜水壓容易使去耦合層的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大形變，進(jìn)而降低吸聲效果[137]。其三，對于表面敷設(shè)柔性去耦合層的圍殼殼板而言，在低頻時殼板-去耦合層-水可以等效為質(zhì)量-彈簧-質(zhì)量，而在其共振頻率附近反而會放大殼板的振動和噪聲[138-139]，加厚去耦合層或采用多層結(jié)構(gòu)可以有效降低該共振頻率[140-141]，但這會使去耦合層變得厚重，進(jìn)而破壞圍殼的水動力外形。

與去耦覆蓋層敷設(shè)于水下結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)用方式不同，復(fù)合材料通常作為水下結(jié)構(gòu)的建造材料進(jìn)行應(yīng)用。作為復(fù)合材料技術(shù)在指揮室圍殼的一個典型應(yīng)用，曾號稱“世界最安靜潛艇”的德國212 型潛艇的指揮室圍殼便采用了以夾層玻璃纖維為主的復(fù)合材料建造，且其后續(xù)的212A 型和214 型潛艇繼續(xù)沿用了復(fù)合材料圍殼[142]。美國海軍也曾在其“先進(jìn)圍殼項目”中對復(fù)合材料圍殼進(jìn)行了深入研究[4，127-128]，但最終卻并未應(yīng)用于其最新型的“弗吉尼亞”級核潛艇，而是僅對圍殼前端填角采用了復(fù)合材料[76]，可見復(fù)合材料圍殼雖具備一定的優(yōu)勢，也還存在一些局限性。相比于傳統(tǒng)金屬材料圍殼，復(fù)合材料圍殼在噪聲治理方面的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：易成型具有復(fù)雜線型的圍殼結(jié)構(gòu)，且保持很好的光順性；具有較高的阻尼特性，有利于衰減結(jié)構(gòu)振動[143]；復(fù)合材料可設(shè)計成夾芯結(jié)構(gòu)，中間芯層可采用具有吸聲、阻尼、隔聲等聲學(xué)功能的材料，降低圍殼聲目標(biāo)強(qiáng)度[144]。復(fù)合材料圍殼的局限性主要在于整體剛度較小，容易發(fā)生流固耦合振動。由于涉及軍事等原因，有關(guān)復(fù)合材料圍殼的公開文獻(xiàn)非常少，但國內(nèi)外對于同樣受強(qiáng)烈湍流脈動力作用的復(fù)合材料螺旋槳已有深入的研究，眾多研究表明，復(fù)合材料使得螺旋槳的剛度較低，容易引起較為顯著的彈性變形和流固耦合振動[145]，因而可以推斷復(fù)合材料圍殼也存在這一問題。雖然復(fù)合材料相較于金屬材料具有很高的比剛度和比強(qiáng)度，但其彈性模量并沒有明顯的優(yōu)勢，如以往在潛艇上使用最多的玻璃纖維加強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量要小于鋼材，而高模碳纖維復(fù)合材料雖然具有高于鋼材的彈性模量[146]，但阻尼小，抑振效果不佳[147]。目前，解決復(fù)合材料圍殼剛度和阻尼矛盾的方法主要有3 種：一是通過玻碳混雜纖維加強(qiáng)復(fù)合材料，以使其剛度和阻尼都達(dá)到較高水平[148]；二是合理設(shè)計加強(qiáng)纖維鋪層角度，利用復(fù)合材料的各向異性，使特定方向上的剛度和阻尼達(dá)到較好的匹配[149]；三是合理設(shè)計夾層結(jié)構(gòu)和選用芯層材料，利用芯材的高阻尼和面板以及夾層結(jié)構(gòu)的高模量形成功能互補(bǔ)[150]。

3 結(jié) 語

從水動力噪聲研究的發(fā)展進(jìn)程來看，其大部分理論和工具都移植自氣動噪聲研究，相對于氣動噪聲，水動力噪聲研究還較為薄弱，這主要體現(xiàn)在水動力噪聲需要考慮流體與結(jié)構(gòu)強(qiáng)耦合的作用，而這一點在氣動噪聲中通常是不考慮的。圍殼作為潛艇的噪聲突出部位，其涉及到除射流噪聲、旋轉(zhuǎn)噪聲和空泡噪聲以外的大部分水動力噪聲問題，因而使得圍殼水動力噪聲的機(jī)理和特性變得非常復(fù)雜，從本文對圍殼水動力噪聲機(jī)理的分析也可以看出，很多相關(guān)的噪聲機(jī)理仍未完全揭示清楚，這也就導(dǎo)致了圍殼水動力噪聲治理的困難。筆者認(rèn)為，要進(jìn)一步降低圍殼部位的水動力噪聲，還需要針對以下幾方面做進(jìn)一步研究：

1） 開口空腔的水彈性共振機(jī)理和聲輻射特性研究。文獻(xiàn)[29，40] 的研究表明，結(jié)構(gòu)彈性對空腔共振和聲輻射具有顯著影響，但其影響規(guī)律尚不明確，開展空腔的水彈性共振機(jī)理和輻射特性研究有助于更有效地抑制圍殼的線譜噪聲。

2） “薄翼”形圍殼設(shè)計和噪聲特性研究。“薄翼”形圍殼設(shè)計的出發(fā)點是在滿足圍殼具有足夠的內(nèi)部空間以容納各類桅桿和其他設(shè)備的前提下，使圍殼的相對寬度盡可能小，從水動力的角度不難理解，圍殼寬度越小，其表面繞流產(chǎn)生的馬蹄渦和尾渦強(qiáng)度越小，但關(guān)于圍殼相對寬度對水動力噪聲的影響還鮮有研究。

3） 圍殼加強(qiáng)結(jié)構(gòu)布置對聲輻射的影響研究。圍殼結(jié)構(gòu)剛度是圍殼二次輻射噪聲的一個重要影響因素，而加強(qiáng)結(jié)構(gòu)布置與圍殼結(jié)構(gòu)剛度密切相關(guān)，研究圍殼加強(qiáng)結(jié)構(gòu)布置對聲輻射的影響將有助于從結(jié)構(gòu)動力學(xué)的角度降低圍殼水動力噪聲。

4） 開口流激空腔噪聲控制裝置設(shè)計。現(xiàn)有的主動或被動空腔噪聲控制裝置幾乎都有一定的局限性，或引入新的噪聲源，或增大航行阻力，或減小開口面積等，研究一種能有效抑制空腔噪聲，且不會影響其他性能的控制裝置仍是亟待解決的一個問題。