螺旋槳空化與應對措施

江 晨，張 帥

（中國人民解放軍91388部隊，廣東湛江 524022）

0 引言

艦船噪聲通常由機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲組成。螺旋槳一旦發生空化，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速是一項重要的測量內容。多年來，國內外專家雖對螺旋槳空化進行了大量研究，但是公開發表的艦船螺旋槳噪聲的實測數據和相關文獻較少。

1 螺旋槳空化

1.1 空化的產生

螺旋槳在水中轉動時，葉梢和葉表面上會產生低壓或負壓區，當壓力降低到水的飽和蒸氣壓以下時，水急速汽化，稍后這些汽化產生的氣泡破裂，并發出尖銳的脈沖噪聲，這就是螺旋槳的空化。

螺旋槳葉梢處的線速度最大，首先達到臨界壓力，最容易發生空化，其空化強度由空化指數給定，空化指數定義為

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KT在0.2～0.6之間時，葉梢開始空化；KT小于 0.2時，必然產生空化；KT大于0.6時，一般不會空化。

空泡產生和破裂時，都會發出尖銳的聲脈沖，因此，空化噪聲在時域上的表現是強烈的脈沖。通過統計單位時間內脈沖數量與幅值的變化，可以判別是否發生空化，當然這種判別依據只能通過對比空化前后的時域信號而定，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譜和低頻線譜，在高航速時，很多低頻線譜被螺旋槳空化的連續譜掩蓋。

1）連續譜

連續譜由大量空泡破裂發出的隨機脈沖疊加形成。連續譜在100 Hz～1 000 Hz內有一個峰值，低于此峰值，譜級以6 dB/倍頻程增加；高于此峰值，譜級以6 dB/倍頻程下降。多項試驗結果表明：在空化開始時，譜級曲線在幾千赫茲以上的中高頻段會突然升高，隨著空化的發展，譜級升高的頻段逐漸擴展。

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；n為螺旋槳葉片數；s為螺旋槳轉速，r/s。一般來說，螺旋槳產生的線譜為幾十赫茲以下的低頻以及整數倍的諧頻。

3）總聲級

空化噪聲的總聲級-螺旋槳轉速曲線呈S形，如圖1所示。當螺旋槳轉速高于臨界轉速時，總聲級陡增20 dB ～50 dB，螺旋槳轉速再增大，則總聲級增加變緩[2]。

圖1 總聲級-螺旋槳轉速關系圖

文獻[3]通過分析實艇螺旋槳噪聲測試結果，進一步驗證了總聲級與螺旋槳轉速的關系符合S形曲線特性，并且連續譜符合峰值前后增加/衰減規律。

4）調制特性

目前對空泡的理論模型研究尚不成熟，近年來多從統計學的角度研究空泡。首先根據經典力學理論求解單個空泡的運動方程，假定空泡半徑服從一定概率分布，進而推導空化噪聲譜。

艦船的尾流具有周向不均勻性，空泡的數量和尺寸都隨時間變化。單位時間內空泡數量隨時間變化，導致整個噪聲譜均勻的上下移動，造成頻域上的均勻調制；空泡的半徑隨時間變化，造成頻域上的不均勻調制[4]。

5）唱音

除此之外，螺旋槳噪聲中還有可能出現一條或一組高頻線譜，這就是螺旋槳的唱音。當螺旋槳葉片產生的旋渦頻率與槳葉的固有頻率接近時，會發生共振現象，可以在100 Hz～1 000 Hz內發出很強的噪聲，且其頻率不隨航速的提高而改變。

1.3 螺旋槳臨界轉速的測量

螺旋槳的臨界轉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、螺旋槳形狀、槳葉數和螺旋槳轉速等信息，便于后續分析。艦船自噪聲與航行工況密切相關，所以必須在工況穩定后再開始測量。從低轉速開始，艦船以要求的工況和轉速勻速直線航行，測量設備記錄自噪聲信號，記錄時間一般不少于1 min。然后以5 r/min～10 r/min為一檔提高螺旋槳轉速，待轉速穩定后，測量自噪聲，直至螺旋槳轉速達到被測艦船的最高轉速。當螺旋槳轉速增加到某一值時，高頻段的噪聲級突然升高，說明螺旋槳開始空化，這個轉速就是螺旋槳的臨界轉速。

2 應對措施

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

2.1 優化螺旋槳參數

通過優化螺旋槳參數可以有效推遲空化的發生。多項計算結果表明：七葉槳較五葉槳具有負載小、空化初生延遲、空化低頻線譜噪聲低的特征[5]。七葉大側斜螺旋槳直徑較大，在同等轉速下能獲得更大的動力輸出，相當于在航速一定時減小轉速，可推遲空化的發生。

2.2 增加空氣含量

多個試驗結果表明：增加水中的空氣含量能有效延緩空化的發生、降低螺旋槳噪聲，并使空化噪聲譜向低頻移動。水中空氣含量增多也能改變水的聲學特性，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引起流動不均勻，也會導致剝蝕，尤其是葉根導邊附近如果稍有突出，就容易引起局部剝蝕。

3 結束語

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行精確而系統的描述[6]。艦船螺旋槳部位的自噪聲水聽器能獲得相對準確的資料，對于空化噪聲研究和螺旋槳的優化設計都起到非常重要的作用。加強螺旋槳部位的自噪聲監測和臨界轉速測量，將是今后工作的重點。