船舶無(wú)空泡螺旋槳誘導(dǎo)噪聲研究現(xiàn)狀綜述*

徐 野 熊 鷹 黃 政

(海軍工程大學(xué)艦船與海洋學(xué)院 武漢 430033)

0 引 言

隨著船舶向大型化、高速化方向發(fā)展，其噪聲也越來(lái)越強(qiáng)烈．對(duì)于民用船舶，噪聲影響船員的身心健康，過(guò)強(qiáng)的噪聲還會(huì)使一些精密設(shè)備的精度降低、壽命縮短，并且?guī)?lái)海洋水下噪聲污染，對(duì)海洋動(dòng)物造成嚴(yán)重危害．對(duì)于軍用艦艇，噪聲會(huì)影響聲吶等武器裝備的正常工作，削弱戰(zhàn)斗力；對(duì)于潛艇而言，噪聲的危害更大，會(huì)使?jié)撏Ц菀妆粩撤桨l(fā)現(xiàn)和跟蹤，甚至遭到攻擊．船舶領(lǐng)域?qū)⒃肼曀阶鳛楹饬看靶阅艿囊豁?xiàng)重要指標(biāo)．隨著國(guó)際海事組織海上安全委員會(huì)(MSC)第90次會(huì)議批準(zhǔn)的《船上噪聲等級(jí)規(guī)則》修訂草案[1]正式生效，“降低5 dB”的要求對(duì)船舶設(shè)計(jì)建造提出了新的挑戰(zhàn)．

螺旋槳噪聲、水動(dòng)力噪聲和機(jī)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(fā)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(fā)生空泡時(shí)，機(jī)械噪聲最高，螺旋槳噪聲次之，但噪聲級(jí)相差不大，而近幾十年來(lái)，各種主被動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用使機(jī)械噪聲明顯降低，螺旋槳噪聲也相應(yīng)日漸突出，成為船舶水下噪聲的主要成分．長(zhǎng)期以來(lái)，人們普遍認(rèn)為螺旋槳噪聲就是螺旋槳直接輻射的噪聲，經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)與探討，逐漸認(rèn)識(shí)到螺旋槳通過(guò)軸系或流體介質(zhì)激勵(lì)船體振動(dòng)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(lì)船體振動(dòng)的噪聲并稱為螺旋槳誘導(dǎo)噪聲．

螺旋槳誘導(dǎo)噪聲在船舶噪聲中占據(jù)重要地位，對(duì)其進(jìn)行研究具有重要意義．文中將船舶無(wú)空泡螺旋槳誘導(dǎo)噪聲分為螺旋槳直接輻射噪聲和激勵(lì)船體振動(dòng)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(dòng)噪聲；從理論預(yù)報(bào)、試驗(yàn)研究和控制措施等方面總結(jié)了國(guó)內(nèi)外對(duì)于不同噪聲成分的研究現(xiàn)狀，以指導(dǎo)無(wú)空泡螺旋槳誘導(dǎo)噪聲的進(jìn)一步研究，為開(kāi)展低噪聲船舶設(shè)計(jì)提供理論和數(shù)據(jù)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(wú)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(chǎn)生的．理論研究及實(shí)測(cè)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(shè)計(jì)中，螺旋槳大部分時(shí)間工作在空泡工況下，空泡噪聲十分突出，其預(yù)報(bào)自然就被重視起來(lái)，因此空泡噪聲預(yù)報(bào)研究較無(wú)空泡噪聲開(kāi)展得早．但由于觀察、計(jì)量空泡的困難，且空泡與噪聲輻射不成線性關(guān)系，螺旋槳空泡噪聲的理論描述相當(dāng)復(fù)雜，所以目前主要通過(guò)對(duì)模型測(cè)試結(jié)果的換算來(lái)預(yù)報(bào)實(shí)槳空泡噪聲．

隨著設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)，螺旋槳空泡臨界航速大大提高，特別是對(duì)于潛艇而言，螺旋槳空泡工況已經(jīng)不具有典型性，無(wú)空泡噪聲逐漸凸顯，因此，對(duì)無(wú)空泡噪聲的預(yù)報(bào)研究逐漸得到重視和發(fā)展．螺旋槳無(wú)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(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，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(guò)渡頻段的噪聲也稱為中頻噪聲．對(duì)于螺旋槳低頻線譜和寬帶譜噪聲，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，理論預(yù)報(bào)和實(shí)際相差不大，具有很強(qiáng)的可行性，因此,一般采用理論方法進(jìn)行預(yù)報(bào)．而對(duì)于高頻寬帶譜噪聲，由于湍流邊界層的描述極其復(fù)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(tǒng)計(jì)模型或試驗(yàn)換算的方法進(jìn)行預(yù)報(bào)．

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(chǎng)中，槳葉產(chǎn)生非定常負(fù)載，從而輻射低頻噪聲，這些噪聲成分在頻譜中通?；ゲ贿B續(xù)，且在螺旋槳的葉頻及各階倍葉頻處信號(hào)突出，因此稱為線譜噪聲．螺旋槳低頻線譜噪聲的預(yù)報(bào)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(chǎn)生聲傳播的Lighthill方程，奠定了氣動(dòng)聲學(xué)的基礎(chǔ)，但其局限性在于無(wú)法考慮有固體邊界存在的情況．Curle[3]對(duì)Lighthill方程進(jìn)行積分運(yùn)算，考慮固體邊界的影響.Ffowcs等[4]采用廣義函數(shù)理論對(duì)Lighthill方程進(jìn)行了改進(jìn)，推導(dǎo)出有任意運(yùn)動(dòng)固體邊界存在時(shí)流體發(fā)聲的聲學(xué)公式，即著名的FW-H方程，成為螺旋槳噪聲理論發(fā)展中的一個(gè)重要里程碑．用Lighthill方程或廣義的Lighthill方程來(lái)計(jì)算聲場(chǎng)輻射的方法統(tǒng)稱為聲類比方法．

聲類比方法一般先通過(guò)試驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算等方法確定聲源強(qiáng)度，再通過(guò)FW-H方程求解由固體邊界和Lighthill應(yīng)力張量所輻射的聲場(chǎng)，通常可分為時(shí)域法和頻域法．Hanson[5]首先對(duì)Goldstein方程進(jìn)行傅里葉變換，然后在給定的螺旋槳坐標(biāo)系下進(jìn)行廣義積分，提出了螺旋槳噪聲的頻域預(yù)報(bào)方法．Farassat[6]對(duì)FW-H方程進(jìn)行變換，得到了適用于亞音速、跨音速情況下時(shí)域內(nèi)的積分表達(dá)式，并給出了相應(yīng)的求解方法．FW-H方程中包括單極子、偶極子和四極子項(xiàng)：槳葉旋轉(zhuǎn)、非定常片空泡體積脈動(dòng)對(duì)應(yīng)于單極子源，產(chǎn)生厚度噪聲；槳葉表面脈動(dòng)壓力對(duì)應(yīng)于偶極子源，產(chǎn)生負(fù)載噪聲；對(duì)于船舶螺旋槳，由于水中聲速比槳葉旋轉(zhuǎn)速度大得多，四極子項(xiàng)相對(duì)于前兩者是小量，通?？珊雎圆挥?jì)．

結(jié)合FW-H方程，可以采用數(shù)值方法計(jì)算螺旋槳低頻線譜噪聲．在早期，一般先采用基于勢(shì)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(jìn)行預(yù)報(bào)．Seol等[7]采用時(shí)域聲類比方法預(yù)報(bào)了無(wú)空泡及空泡螺旋槳噪聲(圖1)．采用面元法得到槳葉時(shí)域壓力和片空泡體積，將其作為聲源輸入FW-H方程預(yù)報(bào)遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射，但由于空泡潰滅等的非線性影響過(guò)于復(fù)雜，研究只考慮了低頻空泡噪聲，得到結(jié)論為：無(wú)空泡工況下，偶極子為主要聲源；片空泡出現(xiàn)后，空泡為主要聲源，此時(shí)由于槳葉表面壓力變化減小，負(fù)載噪聲將比無(wú)空泡時(shí)減?。甋alvatore等[8]采用面元法結(jié)合FW-H方程計(jì)算了空泡螺旋槳噪聲，但其研究重點(diǎn)在于螺旋槳空泡的預(yù)報(bào)，并未給出噪聲計(jì)算結(jié)果和分析．國(guó)內(nèi)學(xué)者朱錫清等[9]運(yùn)用非定常升力面方法和聲類比理論研究了螺旋槳的負(fù)載噪聲特性，通過(guò)與國(guó)外研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證了方法的可行性，其研究表明，隨螺旋槳側(cè)斜和葉數(shù)的增加、直徑和轉(zhuǎn)速的減小，其負(fù)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(shí)，需考慮三維伴流場(chǎng)對(duì)噪聲預(yù)報(bào)的影響．孫紅星等[10]采用面元法計(jì)算出螺旋槳的非定常力，將其結(jié)果作為FW-H方程的源項(xiàng)進(jìn)行了螺旋槳線譜噪聲預(yù)報(bào)，并通過(guò)螺旋槳參數(shù)變化得到線譜噪聲變化規(guī)律：減小直徑和增大側(cè)斜可以降低螺旋槳噪聲；增加槳葉數(shù)可以降低單個(gè)槳葉的負(fù)載，從而使得噪聲降低，但是會(huì)增大螺旋槳的中高頻噪聲．張永坤等[11]基于面元法對(duì)螺旋槳的無(wú)空泡及空泡噪聲開(kāi)展了大量研究：文獻(xiàn)[12]采用面元法計(jì)算非定常力，通過(guò)力與聲級(jí)的關(guān)系換算出低頻線譜噪聲；文獻(xiàn)[13]使用面元法計(jì)算槳葉非定常載荷和片空泡體積，使用FW-H方程預(yù)報(bào)了空泡螺旋槳噪聲，除得出與文獻(xiàn)[7]相似的結(jié)論外，還得出空泡螺旋槳聲指向性不如無(wú)空泡時(shí)明顯，空泡噪聲衰減比無(wú)空泡噪聲慢等結(jié)論．

圖1 文獻(xiàn)[7]的研究對(duì)象及部分計(jì)算結(jié)果

隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的飛越式發(fā)展，使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)結(jié)合聲類比方法預(yù)報(bào)螺旋槳噪聲成為可能．采用CFD方法進(jìn)行計(jì)算更加符合流動(dòng)的真實(shí)湍流情況，也可以獲得更多的流場(chǎng)信息．Ianniello[14]以分離渦模擬(DES)計(jì)算結(jié)果作為聲源，通過(guò)求解FW-H方程對(duì)比了直升機(jī)螺旋槳與船舶螺旋槳的厚度噪聲，認(rèn)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(yuǎn)場(chǎng)衰減很快，可忽略不計(jì)．Jang等[15]以雷諾時(shí)均N-S方程(RANS)方法計(jì)算得到的槳葉表面壓力作為旋轉(zhuǎn)偶極子聲源，結(jié)合聲學(xué)有限元法考慮水洞壁的反射作用，計(jì)算了無(wú)空泡螺旋槳的線譜噪聲，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(jì)算方法．Viitanen等[16]結(jié)合RANS與聲類比方法預(yù)報(bào)了無(wú)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(duì)比了兩種不同湍流模型的計(jì)算結(jié)果，得到結(jié)論為：螺旋槳尾渦表現(xiàn)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(duì)于與尾渦及空泡相關(guān)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(yù)報(bào)了相同螺旋槳的空泡噪聲，結(jié)果表明，螺旋槳噪聲主要是葉頻處的偶極子聲源，同時(shí)也存在與空泡體積變化相關(guān)的單極子聲源和與尾渦速度梯度相關(guān)的四極子聲源；聲源面的選取對(duì)噪聲計(jì)算結(jié)果影響較大．Bensow等[18]結(jié)合大渦模擬(LES)與聲類比方法對(duì)船后空泡螺旋槳噪聲進(jìn)行預(yù)報(bào)(圖2)，計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量高達(dá)2.68×107，時(shí)間步長(zhǎng)低至螺旋槳旋轉(zhuǎn)0.05(°)/步，計(jì)算噪聲的頻率范圍為0～104Hz．研究表明，目前基于CFD的噪聲預(yù)報(bào)方法仍不能滿足片空泡和梢渦空泡噪聲的精度要求，網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量還需進(jìn)一步增加．王超[19]使用在Fluent軟件中的DES方法計(jì)算了螺旋槳噪聲，通過(guò)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值的比較，驗(yàn)證了CFD技術(shù)在螺旋槳噪聲計(jì)算方面的可行性，得出結(jié)論為：使用較大時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算得到的聲壓級(jí)及其變化幅值低于較小時(shí)間步長(zhǎng)時(shí)的計(jì)算值；隨著空泡數(shù)增加，聲壓級(jí)的衰減幅度逐漸減小．

圖2 文獻(xiàn)[18]的聲源面及部分計(jì)算結(jié)果

聲類比理論中將聲場(chǎng)分為近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)，由于緊致聲源假設(shè)，僅能得到遠(yuǎn)場(chǎng)的輻射噪聲，無(wú)法對(duì)近場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，而且在計(jì)算過(guò)程中做出的假定可能會(huì)使流場(chǎng)中的重要信息丟失．而聲學(xué)邊界元法則解決了這些問(wèn)題，通過(guò)將Lighthill方程與Helmholtz方程結(jié)合，將三維問(wèn)題降為二階問(wèn)題，既簡(jiǎn)化了計(jì)算，又無(wú)需做出過(guò)多假定，且整個(gè)聲場(chǎng)的聲學(xué)信息均可求解．其基本思想是：根據(jù)積分定理，應(yīng)用Helmholtz方程和格林函數(shù)，將求解域內(nèi)的微分方程轉(zhuǎn)變?yōu)樵谶吔缟系姆e分方程，然后將邊界分解為有限個(gè)邊界元網(wǎng)格，并通過(guò)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)將積分方程離散為每個(gè)網(wǎng)格上的求和方程，最后得到系數(shù)矩陣并求解．近年來(lái)，隨著商業(yè)軟件的普及，采用聲學(xué)邊界元法開(kāi)展的螺旋槳噪聲研究越來(lái)越多，為螺旋槳噪聲預(yù)報(bào)提供了一種新的途徑．文獻(xiàn)[20]結(jié)合LES方法與聲學(xué)邊界元法，計(jì)算了艇后伴流場(chǎng)中大側(cè)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(dòng)壓力作為聲源，結(jié)合聲學(xué)邊界元法預(yù)報(bào)螺旋槳噪聲，計(jì)算結(jié)果表明：低頻線譜噪聲是螺旋槳總噪聲的主要貢獻(xiàn)者；三種方法的一階葉頻上的噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果較為接近，可以采用RANS方法進(jìn)行快速預(yù)報(bào)；當(dāng)預(yù)報(bào)高階葉頻上的噪聲時(shí)，采用LES方法預(yù)報(bào)的結(jié)果更加準(zhǔn)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(chǎn)生隨機(jī)升力脈動(dòng)，從而產(chǎn)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(yuǎn)、能量大、容易造成槳-軸-船耦合振動(dòng)等危害而備受關(guān)注．以譜方法為理論基礎(chǔ)，條帶法為數(shù)值方法是目前理論預(yù)報(bào)螺旋槳低頻寬帶譜噪聲的主要手段．

Blake[22]從頻域出發(fā)提出了低頻寬帶噪聲預(yù)報(bào)的譜方法，主要思想是利用薄翼理論，結(jié)合包含湍流信息的湍流波數(shù)譜和流體動(dòng)力響應(yīng)函數(shù)，求出展向(螺旋槳對(duì)應(yīng)徑向)單位長(zhǎng)度上下表面的壓力差，從而求得非定常升力，而后對(duì)展向積分，得到槳葉的脈動(dòng)力譜，再利用偶極子輻射模型得到聲壓譜．由于譜方法對(duì)展向的積分難以求得解析解，Kirschner等[23]提出了條帶理論，通過(guò)將槳葉沿徑向劃分為不同的條帶，認(rèn)為每個(gè)條帶都是一個(gè)二維機(jī)翼，在每個(gè)條帶上物理量保持不變，條帶之間沒(méi)有相互影響，通過(guò)條帶累加實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)槳葉的積分．在譜方法和條帶理論的基礎(chǔ)上，大批學(xué)者對(duì)空氣中旋轉(zhuǎn)機(jī)械的低頻寬帶噪聲進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究．朱錫清等[24]在風(fēng)洞中測(cè)量了船尾模型螺旋槳盤面處的湍流場(chǎng)特性，從而得到湍流強(qiáng)度和湍流相關(guān)長(zhǎng)度，計(jì)算了某船在不同航速下的低頻寬帶噪聲級(jí)，預(yù)報(bào)值與實(shí)船噪聲試驗(yàn)值吻合較好，并指出為降低寬帶噪聲級(jí)，航速、螺旋槳直徑、轉(zhuǎn)速、弦長(zhǎng)、葉片數(shù)等應(yīng)適當(dāng)減?。茏嫌⒌萚25]首先針對(duì)十葉槳試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算了其非定常推力譜，理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果總體趨勢(shì)一致(見(jiàn)圖3)，在此基礎(chǔ)上預(yù)報(bào)了某五葉槳的低頻寬帶噪聲，預(yù)報(bào)結(jié)果顯示，螺旋槳低頻寬帶噪聲量級(jí)主要取決于0.7R處的條帶，且在葉頻及其諧頻處存在脈動(dòng)的峰值，并初步分析了設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)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(lái)流湍流強(qiáng)度，同時(shí)避免來(lái)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(zhuǎn)速、直徑、弦長(zhǎng)的增加而增加，隨螺距的增加而減小，槳葉數(shù)較少時(shí)隨槳葉數(shù)的增加而增加，槳葉數(shù)到一定程度時(shí)基本保持不變．

圖3 文獻(xiàn)[25]的研究對(duì)象及部分計(jì)算結(jié)果

除譜方法外，Gavin等[26]從頻域出發(fā)提出了低頻寬帶噪聲預(yù)報(bào)的相關(guān)法．該方法為了得到槳葉上脈動(dòng)寬帶力的特性，必須將槳葉劃分成許多小面元，各個(gè)面元上的力通過(guò)速度脈動(dòng)的相關(guān)函數(shù)和相鄰面元的誘導(dǎo)作用來(lái)聯(lián)系，最后脈動(dòng)力譜只取決于頻率響應(yīng)函數(shù)和速度相關(guān)函數(shù)，只要求解得到這兩個(gè)函數(shù)，即可得到螺旋槳的寬帶力.相關(guān)法能夠同時(shí)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(shí)域出發(fā)提出了低頻寬帶噪聲預(yù)報(bào)的方法．通過(guò)求解由薄翼理論得到的一個(gè)簡(jiǎn)單解析表達(dá)式，得到NACA0015機(jī)翼表面非定常脈動(dòng)力，將其作為力源輸入求解FW-H方程得到的理論預(yù)報(bào)公式，即可求解得到低頻寬帶噪聲引起的時(shí)域聲壓，隨后對(duì)時(shí)域聲壓作傅里葉變換可得到其相應(yīng)的聲壓級(jí)．時(shí)域的表面脈動(dòng)壓力可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量得到，也可由解析表達(dá)式或CFD數(shù)值模擬計(jì)算得到．

1.1.3螺旋槳高頻寬帶譜噪聲

槳葉湍流邊界層內(nèi)隨機(jī)的速度擾動(dòng)產(chǎn)生隨機(jī)的脈動(dòng)壓力，這種槳葉表面的隨機(jī)脈動(dòng)壓力產(chǎn)生了高頻寬帶譜噪聲．對(duì)于湍流邊界層內(nèi)脈動(dòng)壓力的描述，目前通用的方法是采用頻率-波數(shù)譜模型進(jìn)行定量描述的統(tǒng)計(jì)湍流理論．

Kraichnan[28]最早開(kāi)展了定量描述邊界層脈動(dòng)壓力及聲輻射的研究．Corcos[29]基于試驗(yàn)提出了經(jīng)典的湍流邊界層脈動(dòng)壓力頻率-波數(shù)譜模型，用大量試驗(yàn)結(jié)果擬合出窄頻帶上脈動(dòng)壓力時(shí)間-空間互相關(guān)函數(shù)，通過(guò)時(shí)域和空間域傅里葉變換得到其頻率-波數(shù)譜，實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，其模型在遷移波數(shù)附近的高波數(shù)范圍內(nèi)準(zhǔn)確度較好，而在低波數(shù)區(qū)域預(yù)報(bào)值則偏高．針對(duì)Corcos模型在低波數(shù)區(qū)域預(yù)報(bào)值偏大的缺點(diǎn)，Chase[30]拓展了Corcos模型低波數(shù)段的適用范圍，提出了兩種新的模型，模型中包含有多個(gè)由試驗(yàn)確定的可調(diào)參數(shù)；Martin等[31]根據(jù)大量試驗(yàn)結(jié)果回歸了低波數(shù)段的脈動(dòng)壓力頻率-波數(shù)譜．Smol’yakov等[32]引入邊界層排擠厚度作為建模參數(shù)，并且考慮了空間分離的影響，建立了一種新的脈動(dòng)壓力頻率-波數(shù)譜模型，使模型與邊界層流動(dòng)狀態(tài)相聯(lián)系．Dhanak[32]首次考慮了物面曲率對(duì)湍流脈動(dòng)壓力的影響，其方法是在柱坐標(biāo)系下求解Lighthill方程，得到圓柱曲率對(duì)脈動(dòng)壓力的修正因子，針對(duì)低馬赫數(shù)和低波數(shù)情況，建立了適用于圓柱物面的湍流脈動(dòng)壓頻率-波數(shù)譜模型．運(yùn)用該模型對(duì)邊界層進(jìn)行的研究表明，物面勢(shì)流壓力梯度主要影響邊界層內(nèi)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(dòng)壓力的頻率-波數(shù)譜模型主要應(yīng)用于潛艇艇體、聲吶導(dǎo)流罩和舵翼結(jié)構(gòu)等相對(duì)簡(jiǎn)單的對(duì)象，而關(guān)于螺旋槳的研究還不多見(jiàn)．實(shí)際工程應(yīng)用中預(yù)報(bào)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(shí)槳噪聲．

槳葉隨邊渦發(fā)放產(chǎn)生的渦旋噪聲也是螺旋槳中高頻寬帶譜噪聲的重要來(lái)源．對(duì)渦旋噪聲的研究大多集中在圓柱和機(jī)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(jīng)驗(yàn)半理論的方法，根據(jù)單槳葉的試驗(yàn)規(guī)律總結(jié)出槳葉微元隨邊的渦發(fā)放特性，以此為基礎(chǔ)應(yīng)用力源公式可導(dǎo)出槳葉渦旋噪聲的聲場(chǎng)，其噪聲譜由槳葉各微元處的貢獻(xiàn)迭加而成．采用估計(jì)單個(gè)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(jì)算結(jié)果表明：均勻流中等截面槳葉各段產(chǎn)生同樣的譜，迭加后譜的形狀不變，強(qiáng)度增加；不等截面槳葉各段產(chǎn)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(shí)際螺旋槳槳葉．

1.2 螺旋槳流噪聲的試驗(yàn)研究

試驗(yàn)是一種比較簡(jiǎn)捷、直接的螺旋槳噪聲預(yù)報(bào)方法，其關(guān)鍵是要解決螺旋槳噪聲試驗(yàn)的相似性、聲場(chǎng)的敞水修正以及模型槳和實(shí)槳的噪聲換算等問(wèn)題．通過(guò)多年模型試驗(yàn)積累的經(jīng)驗(yàn)與相似理論的分析，目前這些問(wèn)題已得到解決，但因空泡水洞試驗(yàn)設(shè)備本身的條件，測(cè)量噪聲的下限頻率受到限制，測(cè)量對(duì)象以空泡噪聲為主，且水洞背景噪聲難以分離，因此，通過(guò)模型試驗(yàn)預(yù)報(bào)的噪聲還需實(shí)船試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證．

Paik等[35]采用高速攝像機(jī)和水聽(tīng)器對(duì)碳纖和玻纖復(fù)合材料螺旋槳水彈性及噪聲性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究(見(jiàn)圖4).結(jié)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(jí)和噪聲總聲級(jí)低于碳纖槳．Lafeber等[36]在減壓水池(見(jiàn)圖5)中對(duì)船后螺旋槳空泡噪聲進(jìn)行試驗(yàn)預(yù)報(bào)研究，但測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)換算后與實(shí)船測(cè)試數(shù)據(jù)相差較大，達(dá)到約10 dB．Arveson等[37]對(duì)散貨船輻射噪聲進(jìn)行測(cè)量，得到不同航速時(shí)該船的噪聲譜級(jí)，試驗(yàn)結(jié)果表明，航速較高時(shí)，螺旋槳空化噪聲是船舶主要噪聲源；空化出現(xiàn)時(shí)，寬頻段聲壓級(jí)迅速增大；螺旋槳空化噪聲頻譜在50～100 Hz的低頻范圍內(nèi)具有明顯峰值．劉竹青等[38]通過(guò)改變壓力，在循環(huán)水槽(見(jiàn)圖6)中分別測(cè)量了有/無(wú)空泡時(shí)螺旋槳模型的噪聲，并換算得到實(shí)槳噪聲譜級(jí)，得出結(jié)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(gè)頻段內(nèi)螺旋槳的輻射噪聲比無(wú)空化時(shí)高10 dB以上．熊鷹等[39]以模型試驗(yàn)的方法研究了導(dǎo)邊充氣對(duì)螺旋槳水動(dòng)力和輻射噪聲的影響，得到了導(dǎo)邊葉面小氣量充氣既可降低噪聲又對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能影響較小的結(jié)論；在循環(huán)水槽中對(duì)某高速雙槳船假體后螺旋槳模型的空泡噪聲進(jìn)行了測(cè)量，得出總噪聲級(jí)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(guī)律受頻率影響很大的結(jié)論；開(kāi)展了Kappel槳與傳統(tǒng)槳的噪聲對(duì)比試驗(yàn)，得出Kappel槳無(wú)空泡噪聲與傳統(tǒng)槳相當(dāng)，但由于與傳統(tǒng)螺旋槳相比空泡性能較差，其空化輻射噪聲高于傳統(tǒng)槳的結(jié)論．

圖4 文獻(xiàn)[35]的試驗(yàn)?zāi)Ｐ图安糠纸Y(jié)果

圖5 文獻(xiàn)[36]水池中的水聽(tīng)器

圖6 文獻(xiàn)[38]循環(huán)水槽中的測(cè)試聲艙

1.3 螺旋槳振動(dòng)噪聲

對(duì)于船舶螺旋槳的噪聲研究，在很長(zhǎng)的一段時(shí)間里人們通常只考慮其流噪聲．螺旋槳在流體激勵(lì)作用下的振動(dòng)噪聲與流噪聲相比同樣不可忽視，因此近年來(lái)螺旋槳結(jié)構(gòu)方面的研究重點(diǎn)也從其振動(dòng)特性轉(zhuǎn)向振動(dòng)噪聲．此外，在螺旋槳噪聲研究中較早受到關(guān)注的螺旋槳唱音是一種渦激共振噪聲，其本質(zhì)上也屬于螺旋槳振動(dòng)噪聲.

1.3.1槳葉脈動(dòng)壓力激振噪聲

早期螺旋槳振動(dòng)的研究對(duì)象為空氣螺旋槳，早在上世紀(jì)三四十年代，美國(guó)國(guó)家航空咨詢委員會(huì)(NACA)就針對(duì)空氣螺旋槳的振動(dòng)開(kāi)展了大量理論和試驗(yàn)研究．1940年在《Nature》發(fā)表的文章中就已注意到螺旋槳唱音并介紹了螺旋槳振動(dòng)特性的測(cè)量試驗(yàn)．此后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始對(duì)螺旋槳的振動(dòng)特性開(kāi)展研究，其中研究對(duì)象以空氣螺旋槳居多，研究方式以試驗(yàn)居多．早期的試驗(yàn)研究多以模態(tài)測(cè)量為主，Burrill等[40]開(kāi)展了船舶螺旋槳的水下模態(tài)測(cè)量試驗(yàn)，結(jié)果表明，槳葉在空氣和水中的振型相似，水阻尼對(duì)低階模態(tài)固有頻率影響較大，而對(duì)高階模態(tài)影響較小，水中與空氣中固有頻率的比值與槳葉振型節(jié)點(diǎn)數(shù)大致呈線性關(guān)系．Bl?chl等[41]在消聲室中開(kāi)展了螺旋槳振動(dòng)和振動(dòng)噪聲指向性的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，噪聲幅值的空間變化隨槳葉數(shù)的增加而減小，聲指向性與螺旋槳振型有關(guān)；模態(tài)測(cè)量結(jié)果表明，各槳葉的振幅不同，振動(dòng)不存在對(duì)稱性，由此導(dǎo)致了振動(dòng)噪聲的復(fù)雜性．黃政等[42]分別采用有限元法和應(yīng)變模態(tài)測(cè)量試驗(yàn)對(duì)比了金屬槳和碳纖維槳模型的固有頻率和模態(tài)振型，結(jié)果表明，碳纖維槳各階固有頻率均小于銅槳，模態(tài)振型相似，結(jié)構(gòu)阻尼前者是后者的4倍左右．

隨著測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，激光多普勒測(cè)振儀(LDV)及布拉格光柵(FBG)等新技術(shù)的應(yīng)用極大地豐富了螺旋槳振動(dòng)特性的研究方式．Sikora等[43]采用脈沖激光全息技術(shù)測(cè)量了水中旋轉(zhuǎn)螺旋槳的模態(tài)振型，為旋轉(zhuǎn)螺旋槳模態(tài)的非接觸式測(cè)量提供了一種新方法，測(cè)量結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)速?gòu)?變化至38 rad/s時(shí)，槳葉主要彎曲振動(dòng)模態(tài)不隨螺旋槳轉(zhuǎn)速變化.Castellini等[44]使用跟蹤激光掃描測(cè)振儀測(cè)量了水中旋轉(zhuǎn)螺旋槳的振動(dòng)特性，測(cè)量結(jié)果表明，螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，槳葉振動(dòng)傳遞至水流，增大了槳葉的附加質(zhì)量，導(dǎo)致其固有頻率降低；由于激勵(lì)力頻率較低，槳葉的扭轉(zhuǎn)剛度較大，因此槳葉振動(dòng)以彎曲振動(dòng)為主．Javdani等[45]采FBG測(cè)量了空氣和水中實(shí)尺度螺旋槳的振動(dòng)特性(圖7)，并與有限元軟件ABAQUS的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出了與文獻(xiàn)[41]類似的結(jié)論，其結(jié)論還有：槳葉的固有頻率測(cè)量結(jié)果與浸深無(wú)關(guān)，激勵(lì)源的位置直接影響各頻率處的振幅．

近年來(lái)，為了更加真實(shí)地模擬水動(dòng)力載荷導(dǎo)致的螺旋槳振動(dòng)噪聲，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均開(kāi)展了水洞中運(yùn)轉(zhuǎn)螺旋槳的振動(dòng)特性及噪聲試驗(yàn)．Tian等[46]對(duì)七周期伴流場(chǎng)中銅和塑料七葉大側(cè)斜螺旋槳的流激振動(dòng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值研究，試驗(yàn)在水洞中進(jìn)行，槳葉振動(dòng)由加速度傳感器測(cè)得后經(jīng)滑環(huán)傳出(圖8)，數(shù)值研究采用LES方法計(jì)算槳葉表面壓力脈動(dòng)，有限元結(jié)合邊界元計(jì)算槳葉強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)，結(jié)果表明，槳葉振動(dòng)主頻為螺旋槳葉頻，螺旋槳流激振動(dòng)受伴流場(chǎng)和槳葉模態(tài)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(duì)簡(jiǎn)單，可采用解析法進(jìn)行研究，如Dirac[47]將空氣螺旋槳的槳葉簡(jiǎn)化為旋轉(zhuǎn)懸臂彈性直桿，推導(dǎo)了其橫振和扭振的頻率方程和在激勵(lì)力作用下

圖7 文獻(xiàn)[45]中的螺旋槳及FBG傳感器

圖8 文獻(xiàn)[46]中的滑環(huán)、加速度計(jì)及伴流格柵

的振動(dòng)特性方程．Hunter[48]提出了一種計(jì)算空氣螺旋槳槳葉橫振固有特性的數(shù)值方法，由兩個(gè)耦合四階微分運(yùn)動(dòng)方程控制梁在兩個(gè)方向的位移，采用積分矩陣法進(jìn)行求解，與試驗(yàn)及其他計(jì)算結(jié)果的對(duì)比表明該方法精度較高．許慧春等[49]利用基于均勻湍流統(tǒng)計(jì)模型的相關(guān)分析方法，求取了槳葉表面的壓力譜空間分布；通過(guò)將槳葉簡(jiǎn)化為彎曲梁，運(yùn)用基于模態(tài)疊加法的隨機(jī)振動(dòng)理論，研究了螺旋槳在寬帶激勵(lì)力下的振動(dòng)特性．

對(duì)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(dòng)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(jì)算了復(fù)合材料渦輪螺旋槳的自由振動(dòng)特性，低階模態(tài)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好．Hashemi等[51]建立了旋轉(zhuǎn)螺旋槳槳葉的動(dòng)力有限元方程，其固有頻率計(jì)算結(jié)果與其他公開(kāi)發(fā)表的計(jì)算結(jié)果吻合良好．Park等[52]采用NASTRAN軟件中的虛擬質(zhì)量法對(duì)螺旋槳槳葉的振動(dòng)特性進(jìn)行了研究，得到了其固有頻率，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，鑒別出螺旋槳發(fā)生唱音現(xiàn)象時(shí)的共振頻率．李澤成等[53]采用類似方法計(jì)算了螺旋槳在空氣和水中的固有頻率和振型，并通過(guò)采集槳葉被敲擊后產(chǎn)生振動(dòng)噪聲的方式測(cè)量了空氣中螺旋槳的固有頻率．計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明，螺旋槳振型分為三類：槳轂基本不動(dòng)而槳葉振動(dòng)、槳轂與槳葉一起作橫向、縱向振動(dòng)．近年來(lái)，CFD、有限元與邊界元法相結(jié)合成為計(jì)算槳葉振動(dòng)噪聲的有效方法，文獻(xiàn)[54]先采用CFD方法計(jì)算得到槳葉表面壓力脈動(dòng)，然后將其作為激勵(lì)源，加載于槳葉有限元模型進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)分析，最后利用邊界元法計(jì)算得到了槳葉的振動(dòng)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(fā)出的一種有音調(diào)的，周期性出現(xiàn)、消失的尖叫聲，直到20世紀(jì)50年代，人們逐漸認(rèn)識(shí)到是由槳葉隨邊處出現(xiàn)分離渦，當(dāng)渦發(fā)放頻率與槳葉固有頻率耦合時(shí)發(fā)生共振所致．其特點(diǎn)是一個(gè)單頻率的音調(diào)聲，有相當(dāng)高的聲級(jí)，聲能集中在很窄的帶寬內(nèi)，在頻譜中與鄰近譜級(jí)比較一般可高出10～15 dB以上，并且唱音一旦產(chǎn)生，可在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)持續(xù)．

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(yīng)相連，加上槳葉是多質(zhì)量系統(tǒng)，其自振頻率也非常豐富，導(dǎo)致唱音的預(yù)報(bào)非常困難．因此對(duì)于唱音的研究一般是根據(jù)渦發(fā)放頻率和槳葉固有頻率判斷唱音的可能性，以指導(dǎo)消除唱音．魏以邁等[55]對(duì)實(shí)槳進(jìn)行水下激振試驗(yàn)，獲得槳葉共振頻率，根據(jù)Strouhal數(shù)估算槳葉各剖面尾緣的旋渦發(fā)放頻率，估算出最有可能發(fā)生唱音的轉(zhuǎn)速范圍．Powell等[56]則是根據(jù)有限元法得到的槳葉固有頻率，判斷唱音發(fā)生的可能性．李潔雅等[57]直接采用經(jīng)驗(yàn)公式估算渦發(fā)放頻率和槳葉固有頻率范圍，判斷是否發(fā)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(qū)域加厚、減薄或進(jìn)行特殊加工等，工程中最常見(jiàn)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(dòng)槳葉下洗的水流，使水流不能形成有規(guī)律的渦分離流動(dòng)，因此，自1950年代以后，人們失去了研究唱音的興趣，因?yàn)橐呀?jīng)找到有效的、簡(jiǎn)便的辦法(抗鳴邊)，能用于所有現(xiàn)行結(jié)構(gòu)形式的螺旋槳，用來(lái)消除唱音現(xiàn)象，而且還不帶來(lái)任何有負(fù)面影響的后果．

1.4 低噪聲螺旋槳技術(shù)

船舶低噪聲推進(jìn)器的開(kāi)發(fā)一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)．目前采取的主要措施有改善伴流場(chǎng)，改變螺旋槳幾何特征、剖面翼型或結(jié)構(gòu)材料等．

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

改變螺旋槳幾何特征，如采用變螺距、中大側(cè)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(yīng)船尾伴流場(chǎng)，降低螺旋槳噪聲．俄羅斯克雷諾夫研究院在20世紀(jì)80年代就開(kāi)始對(duì)螺旋槳的葉數(shù)、側(cè)斜、直徑和葉梢卸載等對(duì)螺旋槳噪聲的影響進(jìn)行了詳細(xì)的研究，提出了在無(wú)空泡條件下，增加側(cè)斜和槳葉數(shù)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(cè)斜葉梢卸載的螺旋槳(見(jiàn)圖9b))已成為艦船螺旋槳的主要形式，與常規(guī)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(duì)螺旋槳的空泡噪聲．Eppler等[58]提出了新型抗空泡葉剖面的設(shè)計(jì)方法，使設(shè)計(jì)者可以針對(duì)特定船舶的設(shè)計(jì)條件，預(yù)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(duì)于無(wú)空泡螺旋槳噪聲，新型葉剖面的相關(guān)研究還不充分．

采用高阻尼材料制造槳葉，使彈性振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能耗散，達(dá)到振幅快速衰減的目的，從而抑制槳葉振動(dòng)、降低輻射噪聲．從20世紀(jì)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(fù)合材料螺旋槳的出現(xiàn)則解決了這些問(wèn)題，并且具有重量輕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)．復(fù)合材料螺旋槳降噪研究主要體現(xiàn)在纖維鋪層與水動(dòng)力載荷相互作用對(duì)振動(dòng)噪聲的影響上．通過(guò)一段時(shí)期的研究，國(guó)外復(fù)合材料螺旋槳在潛艇和魚(yú)雷上的應(yīng)用已經(jīng)相對(duì)成熟，如德國(guó)212A潛艇(見(jiàn)圖9c))、美國(guó)Mk54魚(yú)雷、意大利黑鯊魚(yú)雷的螺旋槳都采用復(fù)合材料制造，達(dá)到了實(shí)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(shù)的應(yīng)用

2 螺旋槳激勵(lì)船體振動(dòng)噪聲

2.1 螺旋槳激勵(lì)船體振動(dòng)聲輻射特性的預(yù)報(bào)

近年來(lái)的試驗(yàn)研究表明，船舶在低速巡航或螺旋槳無(wú)空泡工況下，螺旋槳激勵(lì)船體振動(dòng)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(guò)軸系傳遞到船體形成的軸承力和螺旋槳誘導(dǎo)壓力場(chǎng)經(jīng)過(guò)水傳遞至船體表面形成的表面力，預(yù)報(bào)螺旋槳激勵(lì)船體振動(dòng)聲輻射時(shí)，一般先計(jì)算船體結(jié)構(gòu)在螺旋槳激振力作用下的振動(dòng)響應(yīng)，然后將其作為聲源得到振動(dòng)聲輻射．振動(dòng)響應(yīng)的求解可采用解析法或有限元法，解析法將船體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為若干簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的組合，分別建立其結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程，再通過(guò)幾何連續(xù)條件與位移協(xié)調(diào)條件將方程聯(lián)立求解，通過(guò)求得結(jié)構(gòu)振動(dòng)方程的解析解就可以準(zhǔn)確計(jì)算出結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，其計(jì)算時(shí)間短，便于進(jìn)行機(jī)理分析，但僅能求解簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)在簡(jiǎn)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(jiǎn)化結(jié)構(gòu)；而有限元法從理論上講可以用于任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力學(xué)分析，在船舶等大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛．振動(dòng)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(dòng)聲輻射；而邊界元法則可用于任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元法與邊界元法相結(jié)合被越來(lái)越多地應(yīng)用于研究螺旋槳激勵(lì)船體振動(dòng)聲輻射．

在螺旋槳激勵(lì)船體振動(dòng)特性的研究方面，Nilsson[59]采用簡(jiǎn)支板模型研究了螺旋槳誘導(dǎo)脈動(dòng)壓力激勵(lì)船底板的振動(dòng)，研究表明，增加板厚、減小板的尺度能夠降低板的振動(dòng)響應(yīng)；所研究的頻率較低時(shí)，板的振動(dòng)取決于船尾整體振動(dòng)，此時(shí)板模型已不再適用．Pan等[60]設(shè)計(jì)了包括螺旋槳、軸及推進(jìn)電機(jī)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，用支撐平板模擬推力軸承基座，研究螺旋槳縱向激勵(lì)力通過(guò)軸承傳遞到支撐結(jié)構(gòu)的機(jī)理，通過(guò)測(cè)量螺旋槳激勵(lì)力及推力軸承剛度，認(rèn)為推力軸承中的液膜剛度與軸系轉(zhuǎn)速有關(guān)并隨頻率變化，試驗(yàn)中，由于螺旋槳的進(jìn)速為零，其激勵(lì)特性與實(shí)際船舶螺旋槳存在差異．Kinns等[61]采用圓柱體模擬艇體結(jié)構(gòu)，使用偶極子模型描述螺旋槳引起的流體脈動(dòng)力，研究了螺旋槳激勵(lì)力通過(guò)流體介質(zhì)傳遞到艇體的規(guī)律．結(jié)果表明，流體脈動(dòng)傳遞的螺旋槳激勵(lì)在某些情況下甚至與軸系傳遞的激勵(lì)力相當(dāng)，但其研究忽略了艇尾是錐段且脈動(dòng)壓力分布存在較大相位差，對(duì)流體傳遞激勵(lì)的估計(jì)偏大．Besnier等[62]以螺旋槳軸承力、表面力以及主機(jī)激振力作為激勵(lì)源，采用有限元法計(jì)算了船體的振動(dòng)響應(yīng)，并提出了一種調(diào)整螺旋槳與主機(jī)曲軸相位角的減振方法，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比表明，這種綜合考慮整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)耦合激勵(lì)的方法計(jì)算精度較高，部分計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10．謝基榕等[63]建立船體梁-軸系耦合振動(dòng)的數(shù)學(xué)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(dòng)和縱向振動(dòng)噪聲，得出結(jié)論為：螺旋槳縱向力激勵(lì)船體振動(dòng)輻射噪聲主要體現(xiàn)為船體首階縱振的強(qiáng)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(dòng)剛度以降低軸系縱向首階共振頻率，以及使用動(dòng)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(lì)船體振動(dòng)聲輻射研究中，大多將螺旋槳簡(jiǎn)化為集中質(zhì)量，使用簡(jiǎn)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(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算．這些方法雖然簡(jiǎn)化了計(jì)算，但是由于激勵(lì)源與真實(shí)螺旋槳的激勵(lì)特性相差較大，適用于研究結(jié)構(gòu)本身的振動(dòng)特性，但不利于準(zhǔn)確預(yù)報(bào)螺旋槳激勵(lì)船體振動(dòng)聲輻射．因此，對(duì)螺旋槳非定常力和脈動(dòng)壓力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算或試驗(yàn)測(cè)量，將其結(jié)果作為激勵(lì)源，能夠更加真實(shí)地模擬螺旋槳激勵(lì)特性，提高螺旋槳激勵(lì)船體振動(dòng)聲輻射的預(yù)報(bào)精度．相關(guān)研究如Lee等[64]使用CFD計(jì)算得到船后空泡螺旋槳在船體上的誘導(dǎo)脈動(dòng)壓力，探討了有無(wú)相位差的分布激勵(lì)、垂向點(diǎn)激勵(lì)等不同脈動(dòng)壓力加載方式對(duì)船尾振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果的影響，得出結(jié)論為：無(wú)相位差的分布激勵(lì)計(jì)算結(jié)果偏小，垂向點(diǎn)激勵(lì)計(jì)算結(jié)果偏大，并推薦使用考慮相位差影響的分布激勵(lì)載荷．

圖10 文獻(xiàn)[61]中振動(dòng)計(jì)算與測(cè)量結(jié)果的對(duì)比

2.2 螺旋槳激勵(lì)船體振動(dòng)聲輻射控制技術(shù)

研究螺旋槳激勵(lì)船體振動(dòng)特性，其目的是指導(dǎo)振動(dòng)控制措施的設(shè)計(jì)并評(píng)估控制效果．目前的控制措施大體可分為控制激勵(lì)源和控制振動(dòng)傳遞兩類．控制激勵(lì)源的具體方式有改善伴流分布，優(yōu)化螺旋槳設(shè)計(jì)等．實(shí)踐證明，伴流場(chǎng)的不均勻性是槳葉非定常流動(dòng)現(xiàn)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(yōu)化艉部線型、使用多體船型、吊艙推進(jìn)器及導(dǎo)管等；Hylarides[66]提出在艉部安裝部分導(dǎo)管或鰭等導(dǎo)流裝置，以降低船尾伴流場(chǎng)不均勻程度，減小螺旋槳激振力．在伴流分布已不能進(jìn)一步改善的情況下，可改進(jìn)螺旋槳設(shè)計(jì)，使其適應(yīng)于伴流分布，如Hammer等[67]分析了大側(cè)斜螺旋槳的減振效果，認(rèn)為使用大側(cè)斜螺旋槳可將船體總振動(dòng)水平降低50%．控制振動(dòng)傳遞則是一種治標(biāo)的方法，通常在激勵(lì)源控制不能達(dá)到理想效果時(shí)采用，如Sukhanov等[68]介紹了在螺旋槳上方安裝彈性結(jié)構(gòu)，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(shí)船試驗(yàn)表明，上述兩種方法可分別降低船體振動(dòng)7～15 dB和6～8 dB．

近年來(lái)，使用動(dòng)力吸振器等對(duì)螺旋槳軸承力的傳遞進(jìn)行主動(dòng)控制成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)．澳大利亞學(xué)者對(duì)共振變換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及減振效果開(kāi)展了大量研究，Dylejko[69]使用傳遞矩陣法建立槳-軸-艇系統(tǒng)模型，采用四端參數(shù)法建立耦合系統(tǒng)的振動(dòng)方程，然后分別以傳遞到艇體的激勵(lì)力和功率為控制目標(biāo)，研究了軸系共振變換器的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及使用多個(gè)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(jié)構(gòu)的縱向振動(dòng)．Merz等[70]使用偶極子模型表示螺旋槳通過(guò)流體作用在艇尾的激勵(lì)力，并用有限元結(jié)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(lì)力的流體傳遞途徑對(duì)軸系共振變換器效果的影響，結(jié)果表明，在艇體共振頻率以上，激勵(lì)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(dòng)．Carest等[71]建立組合殼體的運(yùn)動(dòng)方程，采用解析法計(jì)算了耦合系統(tǒng)在縱向及橫向簡(jiǎn)諧激勵(lì)力作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與聲輻射，并在此基礎(chǔ)上增加槳軸系統(tǒng)，探討了推力軸承基座和共振變換器參數(shù)的影響，并分析了主動(dòng)振動(dòng)控制(AVC)與主動(dòng)結(jié)構(gòu)聲控制(ASAC)兩種不同控制策略的效果，見(jiàn)圖11．研究表明，槳軸系統(tǒng)通過(guò)共振變換器及彈性基座與艇體連接能夠顯著降低振動(dòng)聲輻射；AVC的目的是減小結(jié)構(gòu)響應(yīng)而非輻射噪聲，因此其對(duì)輻射噪聲的控制效果不如ASAC，甚至僅使用一個(gè)誤差傳感器時(shí)反而會(huì)導(dǎo)致輻射噪聲的增大．

圖11 文獻(xiàn)[71]中不同控制策略的效果

國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)動(dòng)力吸振器的控制策略和效果等開(kāi)展了理論及試驗(yàn)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(dòng)的物理數(shù)學(xué)模型，采用現(xiàn)代控制理論進(jìn)行半主動(dòng)控制仿真，仿真結(jié)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(duì)螺旋槳縱向激勵(lì)力引起艇體振動(dòng)輻射噪聲的控制措施開(kāi)展了大量理論及試驗(yàn)研究，分析了安裝動(dòng)力吸振器、彈簧隔振器和改變軸承參數(shù)等降噪措施．張志誼等[74]對(duì)軸系-殼體耦合系統(tǒng)模型開(kāi)展了振動(dòng)主動(dòng)控制的試驗(yàn)研究，通過(guò)自適應(yīng)反饋控制策略使安裝于軸系上的主動(dòng)減振器產(chǎn)生與干擾力相抵消的控制力，使激勵(lì)力引起的振動(dòng)得到了不同程度的抑制．

3 結(jié) 論

1) 目前使用FW-H方程預(yù)報(bào)螺旋槳低頻線譜噪聲的技術(shù)已比較成熟，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)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(yīng)用越來(lái)越廣泛，同時(shí)聲學(xué)邊界元法也為螺旋槳噪聲預(yù)報(bào)提供了一種新的途徑．以譜方法為基礎(chǔ)的條帶數(shù)值法是螺旋槳低頻寬帶譜噪聲主要研究手段，而頻率-波數(shù)譜模型作為描述湍流脈動(dòng)壓力的通用方法，在螺旋槳高頻寬帶譜噪聲方面的應(yīng)用還不多．

2) 國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)從螺旋槳振動(dòng)特性轉(zhuǎn)向振動(dòng)噪聲，有限元與邊界元法相結(jié)合成為預(yù)報(bào)槳葉振動(dòng)噪聲的有效方法．隨著水洞中螺旋槳振動(dòng)測(cè)量試驗(yàn)的開(kāi)展和LDV等測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，通過(guò)試驗(yàn)可以得到更加真實(shí)的螺旋槳振動(dòng)特性．螺旋槳隨邊渦發(fā)放可產(chǎn)生渦旋噪聲并最終導(dǎo)致唱音，但抗鳴邊等有效措施使得近年來(lái)該方面的研究較少．

3) 螺旋槳激勵(lì)船體振動(dòng)的噪聲逐漸引起關(guān)注．對(duì)于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，使用解析法開(kāi)展的研究仍然較多；對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，采用CFD方法得到螺旋槳激振力，結(jié)合有限元與邊界元法來(lái)預(yù)報(bào)振動(dòng)噪聲的方法較為常見(jiàn)．近年來(lái)，由于激勵(lì)源控制和被動(dòng)控制的改進(jìn)空間有限，螺旋槳激振噪聲控制的研究熱點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向以動(dòng)力吸振器為代表的主動(dòng)控制．

4) 在以往的研究中，螺旋槳直接輻射噪聲和激勵(lì)船體振動(dòng)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(shí)，考慮螺旋槳真實(shí)激勵(lì)特性，進(jìn)一步開(kāi)展螺旋槳激勵(lì)船體振動(dòng)噪聲的研究，綜合船舶無(wú)空泡螺旋槳誘導(dǎo)噪聲中各種成分的影響，形成一種更加全面、精度更高的預(yù)報(bào)和分析方法．