螺旋槳空化與應(yīng)對措施

江 晨，張 帥

（中國人民解放軍91388部隊(duì)，廣東湛江 524022）

0 引言

艦船噪聲通常由機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲組成。螺旋槳一旦發(fā)生空化，就將成為中高頻段主要噪聲源[1]。空化噪聲有明顯的特征，極易被聲吶探測到，嚴(yán)重影響艦船的隱蔽性。在艦船噪聲測量中，特定深度下的空化臨界轉(zhuǎn)速是一項(xiàng)重要的測量內(nèi)容。多年來，國內(nèi)外專家雖對螺旋槳空化進(jìn)行了大量研究，但是公開發(fā)表的艦船螺旋槳噪聲的實(shí)測數(shù)據(jù)和相關(guān)文獻(xiàn)較少。

1 螺旋槳空化

1.1 空化的產(chǎn)生

螺旋槳在水中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，葉梢和葉表面上會(huì)產(chǎn)生低壓或負(fù)壓區(qū)，當(dāng)壓力降低到水的飽和蒸氣壓以下時(shí)，水急速汽化，稍后這些汽化產(chǎn)生的氣泡破裂，并發(fā)出尖銳的脈沖噪聲，這就是螺旋槳的空化。

螺旋槳葉梢處的線速度最大，首先達(dá)到臨界壓力，最容易發(fā)生空化，其空化強(qiáng)度由空化指數(shù)給定，空化指數(shù)定義為

式中：p0為螺旋槳上的靜壓力；pv為水的汽化壓力；ρ為水的密度；VT為螺旋槳葉尖的速度。當(dāng)KT在0.2～0.6之間時(shí)，葉梢開始空化；KT小于 0.2時(shí)，必然產(chǎn)生空化；KT大于0.6時(shí)，一般不會(huì)空化。

空泡產(chǎn)生和破裂時(shí)，都會(huì)發(fā)出尖銳的聲脈沖，因此，空化噪聲在時(shí)域上的表現(xiàn)是強(qiáng)烈的脈沖。通過統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)量與幅值的變化，可以判別是否發(fā)生空化，當(dāng)然這種判別依據(jù)只能通過對比空化前后的時(shí)域信號(hào)而定，不能一概而論。

1.2 螺旋槳噪聲的頻譜特征

螺旋槳噪聲的頻譜包括高頻連續(xù)譜和低頻線譜，在高航速時(shí)，很多低頻線譜被螺旋槳空化的連續(xù)譜掩蓋。

1）連續(xù)譜

連續(xù)譜由大量空泡破裂發(fā)出的隨機(jī)脈沖疊加形成。連續(xù)譜在100 Hz～1 000 Hz內(nèi)有一個(gè)峰值，低于此峰值，譜級(jí)以6 dB/倍頻程增加；高于此峰值，譜級(jí)以6 dB/倍頻程下降。多項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果表明：在空化開始時(shí)，譜級(jí)曲線在幾千赫茲以上的中高頻段會(huì)突然升高，隨著空化的發(fā)展，譜級(jí)升高的頻段逐漸擴(kuò)展。

2）線譜

螺旋槳噪聲的線譜主要是螺旋槳葉片切割水流引起的噪聲，其頻率為

式中：fm為葉片線譜第m次諧波；m為諧波次數(shù)；n為螺旋槳葉片數(shù)；s為螺旋槳轉(zhuǎn)速，r/s。一般來說，螺旋槳產(chǎn)生的線譜為幾十赫茲以下的低頻以及整數(shù)倍的諧頻。

3）總聲級(jí)

空化噪聲的總聲級(jí)-螺旋槳轉(zhuǎn)速曲線呈S形，如圖1所示。當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速高于臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，總聲級(jí)陡增20 dB ～50 dB，螺旋槳轉(zhuǎn)速再增大，則總聲級(jí)增加變緩[2]。

圖1 總聲級(jí)-螺旋槳轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

文獻(xiàn)[3]通過分析實(shí)艇螺旋槳噪聲測試結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了總聲級(jí)與螺旋槳轉(zhuǎn)速的關(guān)系符合S形曲線特性，并且連續(xù)譜符合峰值前后增加/衰減規(guī)律。

4）調(diào)制特性

目前對空泡的理論模型研究尚不成熟，近年來多從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度研究空泡。首先根據(jù)經(jīng)典力學(xué)理論求解單個(gè)空泡的運(yùn)動(dòng)方程，假定空泡半徑服從一定概率分布，進(jìn)而推導(dǎo)空化噪聲譜。

艦船的尾流具有周向不均勻性，空泡的數(shù)量和尺寸都隨時(shí)間變化。單位時(shí)間內(nèi)空泡數(shù)量隨時(shí)間變化，導(dǎo)致整個(gè)噪聲譜均勻的上下移動(dòng)，造成頻域上的均勻調(diào)制；空泡的半徑隨時(shí)間變化，造成頻域上的不均勻調(diào)制[4]。

5）唱音

除此之外，螺旋槳噪聲中還有可能出現(xiàn)一條或一組高頻線譜，這就是螺旋槳的唱音。當(dāng)螺旋槳葉片產(chǎn)生的旋渦頻率與槳葉的固有頻率接近時(shí)，會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，可以在100 Hz～1 000 Hz內(nèi)發(fā)出很強(qiáng)的噪聲，且其頻率不隨航速的提高而改變。

1.3 螺旋槳臨界轉(zhuǎn)速的測量

螺旋槳的臨界轉(zhuǎn)速通常通過安裝在螺旋槳部位的自噪聲水聽器測量，測量上限頻率在40 kHz以上。

測量前要了解艦船的排水量、長度、寬度、螺旋槳數(shù)、螺旋槳形狀、槳葉數(shù)和螺旋槳轉(zhuǎn)速等信息，便于后續(xù)分析。艦船自噪聲與航行工況密切相關(guān)，所以必須在工況穩(wěn)定后再開始測量。從低轉(zhuǎn)速開始，艦船以要求的工況和轉(zhuǎn)速勻速直線航行，測量設(shè)備記錄自噪聲信號(hào)，記錄時(shí)間一般不少于1 min。然后以5 r/min～10 r/min為一檔提高螺旋槳轉(zhuǎn)速，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，測量自噪聲，直至螺旋槳轉(zhuǎn)速達(dá)到被測艦船的最高轉(zhuǎn)速。當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速增加到某一值時(shí)，高頻段的噪聲級(jí)突然升高，說明螺旋槳開始空化，這個(gè)轉(zhuǎn)速就是螺旋槳的臨界轉(zhuǎn)速。

2 應(yīng)對措施

螺旋槳空化噪聲是影響艦船聲隱聲水平的一個(gè)主要因素，為了解決這個(gè)問題，需要從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)研究。

2.1 優(yōu)化螺旋槳參數(shù)

通過優(yōu)化螺旋槳參數(shù)可以有效推遲空化的發(fā)生。多項(xiàng)計(jì)算結(jié)果表明：七葉槳較五葉槳具有負(fù)載小、空化初生延遲、空化低頻線譜噪聲低的特征[5]。七葉大側(cè)斜螺旋槳直徑較大，在同等轉(zhuǎn)速下能獲得更大的動(dòng)力輸出，相當(dāng)于在航速一定時(shí)減小轉(zhuǎn)速，可推遲空化的發(fā)生。

2.2 增加空氣含量

多個(gè)試驗(yàn)結(jié)果表明：增加水中的空氣含量能有效延緩空化的發(fā)生、降低螺旋槳噪聲，并使空化噪聲譜向低頻移動(dòng)。水中空氣含量增多也能改變水的聲學(xué)特性，對噪聲起到吸收屏蔽作用。

2.3 提高加工精度

螺旋槳加工不對稱會(huì)引起流動(dòng)不均勻，也會(huì)導(dǎo)致剝蝕，尤其是葉根導(dǎo)邊附近如果稍有突出，就容易引起局部剝蝕。

3 結(jié)束語

目前，螺旋槳空泡的模型建立尚未成熟，還無法對其頻譜特性進(jìn)行精確而系統(tǒng)的描述[6]。艦船螺旋槳部位的自噪聲水聽器能獲得相對準(zhǔn)確的資料，對于空化噪聲研究和螺旋槳的優(yōu)化設(shè)計(jì)都起到非常重要的作用。加強(qiáng)螺旋槳部位的自噪聲監(jiān)測和臨界轉(zhuǎn)速測量，將是今后工作的重點(diǎn)。