模拟舰船模型气泡尾流的声学特性试验研究

刘竹青，马 琳，陈奕宏，张 军

（中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082）

模拟舰船模型气泡尾流的声学特性试验研究

刘竹青，马 琳，陈奕宏，张 军

（中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082）

利用建立的舰船模型气泡尾流模拟装置和气泡尾流声学测量方法，在150m长的拖曳水池中针对某快艇模型开展模拟舰船模型气泡尾流的声学特性试验研究。利用相距0.4m的2个水听器测量9～200kHz频段内声波穿过舰船模型尾流后的声速系数和声衰减系数，得到不同喷气量、不同航速下的舰船模型尾流中气泡的声学特征；通过反演算法得到不同喷气量、不同航速下的舰船模型尾流中的气泡密度分布特征。通过实验室测量得到：气泡量的大小对声衰减影响较明显，随着喷气量增加，声衰减系数明显增加，声传播的速度略有降低；舰船模型尾流中主要存在110μm以下的微气泡，随着航速升高，60μm以下的气泡的密度明显增大。该研究验证了利用声学方法建立气泡尾流测量系统的可行性。

舰船尾流；声学特性；试验研究

0 引 言

舰船在航行过程中，受螺旋桨叶片上产生的空泡、海面波浪的翻卷和破碎、从吃水线卷入的空气及波浪和风等相互作用产生的气泡卷入的影响，会在船尾形成一条含有大量气泡的气幕带，这就是常说的气泡尾流。尾流中的气泡数量巨大、直径不同，其中，大气泡会较快地浮升至水面破裂消失，而一些微小的气泡可以在海水中存留十几分钟甚至几十分钟。除了明显的气泡沫和湍流特征以外，通过肉眼直接观测不能揭示舰船气泡尾流的其他物理特征。根据舰船气泡尾流所具有的不同物理效应，舰船尾流场可分为声尾流场、光尾流场、热尾流场、气泡尾流场、磁尾流场和浑浊度尾流场等。

舰船尾流中的气泡对声波的传播影响很大，声频信号穿过气泡流时，水中的气泡对声波有衰减作用，并改变声波传播的参数［1］；利用气泡对声信号传播的影响，可以对舰船的气泡尾流特征进行测量。气泡的声学测量方法的应用最早可以追溯到20世纪40年代， WILDT和MEDWIN［2］先后发展了自己的气泡流声传播理论，并通过测量声衰减系数得到气泡流中的气泡分布谱。COMMANDER等［3］推导出了线性声波在气泡流中的传播公式。DYNAFLOW公司的PRABHUKUMAR等［4］从文献［3］中的理论出发，对气泡的声学测量方法进行了完善和改进。2001年，该公司对用声学方法测得的气泡分布与用摄像法测得的气泡分布进行了比较［5］，结果表明，利用2种方法得到的结果比较接近。2004年，该公司设计了一套完整的气泡声学测量系统。国际上首次应用测量声呐信号的散射和衰减特性进行水面舰船及潜艇的尾流测量是在第二次世界大战期间。TREVORROW等［6］和BRADLEY等［7］分别应用高频多波束声呐对舰船尾流的声信号特性及气泡的空间分布进行了测量，结果表明舰船的气泡尾流长度可达1500m，海面以下7～10m处有一个微气泡层。国外较早就对气泡的声学测量技术进行深入的研究，理论和实践都得到了很大的发展，也研制成了较成熟的声学测量设备。国内在气泡声学测量方面的研究甚少，陈奕宏等［8］从COMMANDER的气泡流中声速与气泡数量分布之间的关系出发，在有机玻璃水箱中建立了一套声学测核系统。这里在此基础上，开展水面舰船模型气泡尾流的测量研究。

首先介绍在拖曳水池中进行舰船模型气泡尾流模拟的方法和装置，其次根据水池的试验条件确定气泡尾流声学测量方法，最后在拖曳水池中开展气泡尾流的声学特性和气泡密度的试验研究，得出水面舰船模型在不同喷气量、不同水速下的气泡密度分布特征。

1 舰船模型气泡尾流的模拟

为初步研究舰船模型气泡尾流的声学特性，在中国船舶重工集团公司第七〇二研究所的拖曳水池中开展试验研究，水池的主尺度（长×宽×水深）为150m×7.5m×4.5m，最大拖车速度为7.5m/s。试验模型为某快艇模型，长度为2.125m，宽度为0.700m，吃水为0.119m。舰船模型采用加强骨架玻璃钢制作，其在水池中的安装照片见图1。

图1 舰船模型在水池中的安装照片

为了使船尾产生稳定的气泡流，建立舰船模型气泡尾流的发生装置。该装置采用喷气法产生气泡流，产生的气泡尺度为几百微米量级。该尺度与舰船和鱼雷的气幕降噪中所产生的气泡尺度接近。运用喷气法产生气泡时，通过控制气流的流量及喷气孔的大小来控制气泡流的气泡密度分布。喷气的气流流量由流量计测定，喷气孔的孔径约为1.0mm，均匀分布在铜管上，小孔的间距为1cm。试验中，分别在船模的艏部（7站）和艉部（0站）位置固定2根与流量计连接的喷气铜管。图2为试验中压力罐、流量计及喷气管的安装照片。

图2　压力罐、流量计及喷气管的安装照片

采用图像显微技术对气泡流中的图像进行采集，不同喷气量下采集到的气泡流图像见图3。

图3 不同喷气量下采集到的气泡流图像

2 拖曳水池中舰船模型气泡尾流测量

利用建立的声学测核方法和拖曳水池的试验条件建立拖曳水池中舰船模型气泡尾流的测量方法。

舰船模型经过预定测量点时，通过计算机的采集卡产生信号，发射信号的频率范围为9～200kHz；考虑到水池壁面的影响，发射信号的脉冲宽度为2ms；信号经过功率放大器，通过放置在水池中的发射换能器发射声信号；接收换能器接收信号，并将其通过电荷放大器放大后连接到计算机中进行采样；由测量软件处理分析发射信号和接收信号，得到声速系数 （u） f和声衰减系数 （v） f；最后通过反演计算程序得到气泡的谱密度分布（N） a。发射换能器和接收换能器安装在固定于水池中的支架上，间距为 0.4m，距水面0.119m，具体的安装位置见图4。

图4　发射换能器和接收换能器具体的安装位置

3 舰船模型气泡尾流的声学特性分析

舰船模型以不同航速穿过测量点时，采用气泡尾流测量装置进行气泡密度分布的测量，喷气量分别为1.13m3/h和2.26m3/h，测量时间为10s。舰船模型在不同喷气量下的相速度和声衰减系数比较见图5。由图5可知，随着喷气量增加，声衰减系数明显增大，声传播的速度略有降低，主要反映了气泡对声波传播的影响，气泡量的大小对声衰减影响较明显。

喷气量为1.13m3/h，舰船模型在不同航速下的相速度和声衰减系数比较见图6。由图6可知，声速随船模航速的增大变化不大，在35kHz以下的频率上略有变化；随着舰船模型的航速增大，35～200kHz上的声衰减也随之增加，小气泡的密度较快增大。

将测量分析得到的声衰减系数v和声速系数u作为最优化算法的输入数据，通过反演算法可以得到舰船模型艉部尾流气泡密度分布曲线。不同喷气量下气泡密度分布曲线见图 7，不同水流速度下的气泡密度分布曲线见图8。从图7和图8中可以看到：随着喷气量增多和水流速度加快，60μm以下的微气泡密度增大较明显，60～110μm范围内的气泡密度基本不变，与得到的声学特性规律相符。

图5 不同喷气量下相速度与声衰减系数比较

图6 喷气量为1.13m3/h，不同航速下相速度与声衰减系数比较

图7 不同喷气量下气泡密度分布曲线

图8 不同水流速度下气泡密度分布曲线

4 结 语

利用已建立的声学测核方法和拖曳水池的试验条件，初步建立了模拟舰船模型气泡尾流的声学测量方法。对某快艇模型开展了试验研究，得到了不同喷气量、不同航速下的舰船模型尾流中气泡的声学特征；利用反演法得到了响应工况下的气泡密度分布。其初步结论为：

1） 随着模型尾流中气泡量增加，尾流中的声衰减系数明显增加，声传播的速度略有降低；不同信号频率上声衰减系数和声传播速度的变化规律略有不同，说明尾流中不同尺度的气泡量存在较大的差别。

2） 不同的水流速度下，舰船模型尾流中主要存在 110μm以下的微气泡；随着水流速度升高，60μm以下的气泡密度略有增大，60～110μm范围内的气泡密度基本不变。

3） 该研究证实了利用声学方法建立气泡尾流测量系统的可行性，可为建立的水面舰船尾流理论计算模型提供验证、校核数据。

［1］ VAGLE S， BURCH H. Acoustic measurements of the sound speed profile in the bubbly wake formed by a small motor boat ［J］. J. Acoust. Soc. Am， 2005， 117 （1）： 153-163.

［2］ MEDWIN H. Acoustical determination of bubble-size spectra［J］. J. Acoust. Soc. Am. 1977 （62）： 1041-1044.

［3］ COMMANDER K W， PROSPERETTI A. Linear pressure waves in bubbly liquids： comparison between theory and experiments［J］. J. Acoust. Soc. Am. 1989 （85）： 732-746.

［4］ PRABHUKUMAR S， DURAISWAMI R， CHAHINE G L. Bubble size measurement using inverse acoustic scattering： theory & experiments［R］. ABS Acoustic Bubble Spectrometer®©，DYNAFLOW， INC. Technical Report.

［5］ CHAHINE G L， KALUMUCK K M， CHENG J Y， et al. Validation of bubble distribution measurements of the acoustic bubble spectrometer with high speed video photography［R］. CAV， 2001.

［6］ TREVORROW M V， VAGLE S， FARMER D M. Acoustical measurements of microbubbles within ship wakes［J］. J. Acoust. Soc. Am， 1994， 95 （4）： 1922-1930.

［7］ BRADLEY D L， CULVER R L， DI X， et al. Acoustic qualities of ship wakes［J］. Acta Acustica united with Acustica， 2002， 88 （5）：687-690.

［8］ 陈奕宏，周伟新，史小军，等. 气核密度分布的声学测量技术研究［J］. 船舶力学，2010， 14 （8）： 945-950.

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Experimental Study of the Acoustic Characteristics of Bubbles in the Simulated Wake of Ship Model

LIU Zhu-qing， MA Lin， CHEN Yi-hong， ZHANG Jun
（China Ship Scientific Research Center， Wuxi 214082， China）

A model test of speedboat was carried out with the ship model wake simulated equipment in a 150m towing tank based on the acoustic measurement method of bubbles in the ship model wake. The sound velocity coefficient and sound attenuation coefficient of the sound wave through the model wake were measured with two acoustic sensors in a distance of 0.4m via a wide frequency from 9kHz to 200kHz， and the bubble distribution in different jet flow and different ship speed was investigated using inversion method. The result showed that sound attenuation relies greatly on the number of bubbles and micro bubbles within 110μm were mainly in the ship model wake. When the jet flow increased， the sound attenuation coefficient increased and the sound velocity decreased， whereas the ship speed increased，the bubbles within 60μm increased apparently. The study proves that the acoustic measurement is feasible.

ship wake； acoustic characteristic； test research

U674.701； U661.71

A

2095-4069 （2016） 05-0021-05

10.14056/j.cnki.naoe.2016.05.004

2015-10-08

总装预研项目（略）

刘竹青，女，高级工程师，1982年生。2008年毕业于哈尔滨工程大学信号与信息处理专业，现从事推进器噪声专业相关工作。