船舶无空泡螺旋桨诱导噪声研究现状综述

郑虎

【摘 要】随着船舶向大型化、高速化方向发展，其噪声也越来越强烈。当水下航行体航速比较高时，推进器成为主要噪声源。螺旋桨是整个推进系统的一个主要组成部分，在舰船噪声中占有重要地位。因此，在舰艇噪声的分析研究中，开展螺旋桨噪声的预报和控制研究很有必要。本文就船舶无空泡螺旋桨诱导噪声研究展开探讨。

【关键词】螺旋桨;直接辐射噪声;流噪声;振动噪声

引言

船舶振动不仅会影响船上人员的舒适性、危害人体健康，也会引起船舶局部结构疲劳损伤和设备的损坏，危害航行安全;同时对于军用舰艇而言，振动及其所辐射的噪声更是大大降低其隐蔽性，对舰艇生命构成严重威胁。在船舶上出现的有害振动中，80%的案例是由螺旋桨激振力所引起的，作为船舶的主要振动与噪声源之一，有必要对其进行探讨和研究。

1螺旋桨离散谱噪声

螺旋桨离散谱噪声是整个螺旋桨噪声中较为确定的部分，无论激发机理还是计算的理论依据都较为明确，对它的研究最早也最多，大部分螺旋桨噪声的计算方法都是针对离散谱噪声的。如结合非定常升力面理论和声学方法得到螺旋桨低频线谱噪声，其基本思想是根据势流理论，利用Green定理求出桨叶拱弧面上的压力分布作为噪声源，从频域出发计算得到噪声。后经改进，证实采用非定常面元法与声学方法结合精度更高，该方法直接将噪声源分布在真实的螺旋桨表面而非螺旋桨的拱弧面，对噪声源和观测点的距离没有作任何近似。同时，也利用基于速度势的面元法和噪声预报方法对螺旋桨非空泡线谱噪声进行了研究。综上所述，尽管国内已经建立了螺旋桨离散谱噪声预报方法，但是，由于模型试验中难以分离该噪声分量，其真正量级目前尚未获得模型试验证实。鉴于螺旋桨的非定常推力脉动成分的量级非常小，通常是平均值的百分之几甚至千分之几，故难以测量，然而正是这脉动量引起了低频离散谱噪声。值得庆幸的是，目前通过试验已经能够测试得到螺旋桨模型离散谱噪声的源项一非定常脉动力从而实现了螺旋桨离散谱噪声预报方法的一种试验验证。螺旋桨非定常脉动力有6个分量，包括叶频及其谐频的周期性非定常力，也包括非周期的低频宽带力。研究表明，无空泡情形下，在激起船后螺旋桨低频线谱噪声的各因素中，起最主要作用的是桨盘面上来流不均匀所形成的推力脉动。

2螺旋桨激励船体振动噪声

2.1理论预报方法

合理有效的螺旋桨力学模型的建立是进行理论研究的关键，为使得建立的力学模型符合实际且尽可能多的考虑其影响因素，国内外学者均开展了较多的研究与探讨，目前主要提出了有升力线法、升力面法以及面元法三种方法。（1）升力线法是发展与应用较早的一种方法，在上世纪70年代已被提出，主要应用于敞水桨性能预报。同时，采用升力线法可以获得单桨叶推力、脉动转矩、推力偏心位置以及偏心角，这也为计算螺旋桨轴承力提供了外力参考。升力线法是在机翼理论的基础上发展而来，其实质是在已知螺旋桨几何外形以及进速系数的前提下，通过求解环量分布以获得其敞水性能的过程。由于其桨叶通过升力线代替的缘故，升力线法仅能描述载荷沿桨叶径向的分布规律，而周向载荷以及其它信息则需要通过二元机翼理论方可获取。同时，由于该方法采用了较多的假设条件，使得其不具备满足物面的边界条件，不能进行准确的三维模拟，与实际船桨信息相去甚远，其预报精度往往难以令人满意，由此引入修正因子的升力面思想应运而生。（2）升力面法是在升力线理论的基础上发展而来，考虑了桨叶厚度以及桨毅带来的三维影响，其离散方法包括有VLM法，加速度势法以及QCM法等。升力面法有着较为全面与严格的边界条件要求，包括桨毅与桨叶物面边界、尾涡面条件、流场涡量守恒以及随边库塔条件等。采用升力面法进行分析时，螺旋桨被视为相同形状的薄翼组合，在无粘的不可压无限流场中旋转，虽然能够描述压力在桨叶上的分布情况，但却无法直接考虑桨叶厚度带来的影响，只能对其进行近似处理。这种近似处理在分析桨叶普通位置时尚可，但对于桨毅以及导边等剖面较厚的位置，却往往会导致较大误差，其计算精度难以满足工程应用要求。（）3面元法是边界元方法中的一种，在解决实际问题时，可依据其基本形式的不同将面元法分为两类：速度势面元法和速度面元法，其中速度势面源法在分析船桨问题方面有着广泛的应用。相较于升力线法与升力面法，面元法对三维外形的模拟更为准确合理，特别是针对桨毅、导边以及叶梢等复杂区域的处理更符合实际，同时面元法在理论上更为完善，其适用范围也更广。大量的研究结果表明，在非线性等压库塔条件的前提下，低阶速度势面元法对于求解螺旋桨脉动压力具有较好的适用性。

2.2螺旋桨激励船体振动声辐射控制技术

研究螺旋桨激励船体振动特性，其目的是指导振动控制措施的设计并评估控制效果。目前的控制措施大体可分为控制激励源和控制振动传递两类。控制激励源的具体方式有改善伴流分布，优化螺旋桨设计等。实践证明，伴流场的不均匀性是桨叶非定常流动现象的根源，因此改善伴流分布，使其尽可能均匀的措施最为有效，是一种治本的方法，如提出优化艉部线型、使用多体船型、吊舱推进器及导管等;提出在艉部安装部分导管或鳍等导流装置，以降低船尾伴流场不均匀程度，减小螺旋桨激振力。在伴流分布已不能进一步改善的情况下，可改进螺旋桨设计，使其适应于伴流分布，如分析大侧斜螺旋桨的减振效果，认为使用大侧斜螺旋桨可将船体总振动水平降低50%。控制振动传递则是一种治标的方法，通常在激励源控制不能达到理想效果时采用，如介绍在螺旋桨上方安装弹性结构，在支撑轴承处安装弹性单元以控制螺旋桨激振力传递的方法，实船试验表明，上述两种方法可分别降低船体振动7～15dB和6～8dB。

2.3船体表面脉动压力模型及实船测试

模型试验是现阶段预报螺旋桨诱导脉动压力精度最高并且最有效的方法。尽管理论计算和经验公式在预报脉动压力中也有广泛的应用，但它们的预报体系方法还不完善，很多的局限性导致预报结果的不准确。模型试验的结果经过归纳和总结可对其他手段预报的结果进行修正。常规空泡水筒、允许放入完整船模的大工作段空泡水筒和具有自由液面减压拖曳水池是预报脉动压力的主要设备。模型试验受很多因素影响，例如，水筒中空气含量（气核情况、水质情况）、伴流模拟、转速选定、空化数选取基准及数据采集系统等。螺旋桨激振力的实船测试与模型试验的要求是相同的。实船测试的结果主要由两个方面组成：螺旋桨脉动压力和船体结构振动产生的脉动力。处理测试数据时应該将船体结构振动产生的脉动力去掉。在船上不同位置用激振器激励时，船体结构的响应与压力基本上呈线性关系。

结语

在以往的研究中，螺旋桨直接辐射噪声和激励船体振动的噪声通常是分离的，因此，亟须在研究螺旋桨直接辐射噪声的同时，考虑螺旋桨真实激励特性，进一步开展螺旋桨激励船体振动噪声的研究，综合船舶无空泡螺旋桨诱导噪声中各种成分的影响，形成一种更加全面、精度更高的预报和分析方法。

参考文献：

[1]朱锡清，吴武生.螺旋桨负荷噪声研究[J].声学学报，2017.

[2]张永坤，熊鹰.基于面元法及模型试验的船舶螺旋桨噪声预报方法[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2018.

[3]杨琼方，王永生，曾文德，等.大侧斜螺旋桨负载噪声的边界元数值声学方法频域内计算分析[J].兵工学报，2017.

（作者单位：扬州中远海运重工有限公司）