螺旋槳空化噪聲對潛艇航行隱蔽性影響分析

胡 坤，何 斌，黃海峰，孫 奎

(海軍潛艇學院山東青島266199)

0 引 言

螺旋槳噪聲是潛艇在中、高速航行時的主要噪聲源，即使?jié)撏б暂^低的速度航行時，螺旋槳噪聲也是潛艇總噪聲的重要貢獻之一[1]。螺旋槳噪聲是由于螺旋槳轉(zhuǎn)動引起，它產(chǎn)生于潛艇艇體之外，因此螺旋槳噪聲與艇體內(nèi)部的機械噪聲有著顯著不同的頻譜特征。

一般來說，螺旋槳噪聲主要由螺旋槳葉片振動和螺旋槳空化產(chǎn)生的。其中的螺旋槳葉片振動一般由2種力引起，一種是螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的流體擾動力，另一種力是由于機械裝置振動經(jīng)軸系傳遞到潛艇尾部的螺旋槳而產(chǎn)生的。螺旋槳空泡的成因也包括2種，一是當螺旋槳旋轉(zhuǎn)時，在螺旋槳的葉片附近會產(chǎn)生空泡；二是螺旋槳旋轉(zhuǎn)后會產(chǎn)生泄出渦，在泄出渦的渦中心也會產(chǎn)生空泡[2]。隨著空泡的不斷生成與破裂，會產(chǎn)生對潛艇隱蔽性影響非常顯著的螺旋槳空化噪聲。

作為潛艇高頻輻射噪聲的重要組成部分，螺旋槳空化噪聲對潛艇航行隱蔽性的影響較之葉片振動噪聲更加顯著，潛艇水下航行一旦產(chǎn)生螺旋槳空化噪聲，將極大增加潛艇被敵發(fā)現(xiàn)的暴露概率。因此，研究螺旋槳空化噪聲對潛艇航行隱蔽性影響對于研究潛艇低噪聲航行操縱方法的作戰(zhàn)運用具有重要的參考意義。

1 潛艇螺旋槳噪聲源

圖1為模型潛艇在潛望深度航行時（深度9m左右），螺旋槳噪聲和潛艇總的輻射噪聲比較圖。

從圖中可以看出，高速航行時（航速在7kn以上），潛艇的總輻射噪聲曲線和螺旋槳噪聲曲線非常接近，高頻部分（10～30kHz）的噪聲基本完全是螺旋槳噪聲；低速航行時（航速在7kn以下），潛艇的總輻射噪聲和螺旋槳噪聲有一定差異，主要是因為隨著潛艇航速的降低，螺旋槳噪聲會顯著下降，這時的總輻射噪聲主要是潛艇內(nèi)部的機械噪聲。通過圖1的螺旋槳噪聲與潛艇總噪聲的比較說明，無論是中高速還是低速航行，螺旋槳噪聲都是潛艇總輻射噪聲的重要組成部分。

1.1 葉面空化噪聲

螺旋槳旋轉(zhuǎn)時，海水以均勻速度VA并以攻角α流向螺旋槳槳葉切面，顯然，流經(jīng)槳葉切面葉背上的水流速度為VB大于VA，流經(jīng)槳葉切面葉面上的水流速度為VC小于VA。根據(jù)伯努利方程：

并由前面分析可知，VC大于VB，因此根據(jù)式（1），葉背處為低壓區(qū)，其壓力PB小于靜水壓力P0，葉面處為增壓區(qū)，其壓力PC大于靜水壓力P0。

圖2 葉面流Fig.2 Flow on the leaf

一般認為，當槳葉切面上B點處的壓力PB下降至當前水溫下的飽和蒸汽壓力（或稱汽化壓力，水溫與飽和蒸汽壓力之間的關系可參見表1）PV時，該處水即開始發(fā)生汽化現(xiàn)象從而形成空泡[3]。因此，螺旋槳槳葉切面上B點產(chǎn)生空泡的條件可以設定為如下條件：

表1 不同水溫下飽和蒸汽壓力表Tab.1 Saturated steam pressure gauge at different water temperatures

若令無量綱系數(shù)為：

則產(chǎn)生空泡的條件可改寫成：

式中，δ為衡量槳葉上某處是否發(fā)生空泡的系數(shù)，故常稱為空泡系數(shù)。

1.2 渦空化噪聲

所謂渦即是旋轉(zhuǎn)的流，在螺旋槳的尾流中，常常會產(chǎn)生與升力和阻力有關的渦系[4–5]。由于旋轉(zhuǎn)和離心力的作用，旋渦內(nèi)的壓力會遠遠小于旋渦外的海水壓力，并且壓力下降與渦的強度呈現(xiàn)正相關性，當渦內(nèi)的壓力小于當前水溫下的飽和蒸汽壓力時，就會產(chǎn)生空化氣泡。由于螺旋槳渦系在潛艇航行的各種深度下是普遍存在的，所以渦空化噪聲通常是重要的空化噪聲源。

當潛艇尾部的螺旋槳轉(zhuǎn)動時，在螺旋槳槳葉的隨邊會產(chǎn)生泄出渦（也稱自由渦），如圖3所示。從渦空化示意圖中可明顯看到，泄出渦產(chǎn)生后在不遠處會形成2個交織的旋渦。潛艇航行過程中，螺旋槳的運動可以分解為2種運動，一是本身的圓周運動，二是螺旋槳隨潛艇直航時向前的運動。因此螺旋槳的實際運動呈現(xiàn)螺旋形狀，所以說在螺旋槳槳葉的隨邊產(chǎn)生的泄出渦也會呈現(xiàn)螺旋狀。用環(huán)流理論來解決螺旋槳問題時，一般采用升力面方法，這種方法用離散化的、集中在螺旋槳拱弧面網(wǎng)格上的渦元及源元近似地代替槳葉上連續(xù)分布的渦及源匯。對每個奇點元，首先求出每個奇點元的誘導速度，然后對有限個基本解進行迭加，即可得出控制點處產(chǎn)生的總誘導速度[6–7]。

圖3 渦空化示意圖Fig.3 Diagram of vortex cavitation

理論分析和實艇試驗表明[8]，螺旋槳葉梢渦空化較葉根渦空化更易產(chǎn)生，且是渦空化噪聲的主要噪聲源。文獻[9]的計算方法計算潛艇螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的泄出渦內(nèi)的壓力降值。根據(jù)海水的汽化壓力從而確定螺旋槳不同工況下的臨界空化深度。表2為模型潛艇主機在標準工作制下數(shù)值計算得出的不同深度臨界空化速度值和螺旋槳轉(zhuǎn)速值。可以看出，深度95m時，潛艇航速達到10kn（螺旋槳轉(zhuǎn)速119r/min）時，螺旋槳產(chǎn)生空化現(xiàn)象；潛艇浮至9m時，潛艇在4kn航速（螺旋槳轉(zhuǎn)速280r/min）時就會產(chǎn)生空化現(xiàn)象。可以看出，潛艇的航行深度越小，螺旋槳臨界空化速度越小。可見，潛艇越接近海面，越容易產(chǎn)生空化現(xiàn)象。圖4為臨界空化速度計算值和試驗值的比較，可以看出，本文計算值與實驗值相比是非常接近的。

表2 不同潛深下的螺旋槳臨界空化速度值Tab.2 The critical cavitation velocity of the propeller at different submergence depths

圖4 臨界空化速度實驗值與計算值比較Fig.4 Ratio of experimental value to calculated value of critical cavitation velocity

潛艇在航行過程中，任何狀態(tài)的改變（如變向、變速、變深以及姿態(tài)改變等）勢必會導致潛艇艇體及尾部螺旋槳周圍的海水流場發(fā)生改變，更進一步還會影響螺旋槳臨界空化速度。本文將潛艇最大小噪聲航速限定為0.8倍的螺旋槳臨界空化速度，如表2所示。文獻[9]指出，這樣可有效地抑制空化噪聲。表3為計算得出的不同深度最大小噪聲航速。

表3 不同深度最大小噪聲航速值Tab.3 Maximum noise speed values at different depths

2 潛艇螺旋槳噪聲特性分析

2.1 進推比對臨界速度的影響

隨著潛艇航行時間的增加，艇內(nèi)機械設備隨著工作時間的增加會不斷損耗。另外附著在艇體表面的海中水生物也會日益增多，因此螺旋槳進推比會隨著潛艇服役時間的增長產(chǎn)生比較大的變化，因此明確螺旋槳進推比對潛艇臨界航速的影響也是非常必要的。

進程hp與潛艇螺旋槳直徑D的比值稱為進推比[10]，以J來表示，即

式中，進程hp為潛艇進速VA與螺旋槳轉(zhuǎn)數(shù)n的比值：

螺旋槳進推比越大，說明潛艇遇到的阻力越小；相反，若螺旋槳進推比越小，則表示潛艇遇到的阻力越大。圖5為進推比分別等于0.41和0.52時某型潛艇的空化速度的曲線。可以看出，進推比降低，會導致螺旋槳空化明顯加劇，即在同一航速下，臨界空化深度變大；在同一深度下，臨界空化速度變小。這就要求潛艇經(jīng)常除垢除銹，保持艇體表面的清潔，以減小艇體的阻力，增加進推比。

2.2 異常深度效應

圖6為某型潛艇噪聲與深度關系的實際試驗數(shù)據(jù)。從圖中可見，高頻噪聲級有一個極大值（見螺旋槳轉(zhuǎn)速為380r/min時的曲線）。當潛深較小時，海水壓力較低，這時潛艇噪聲級隨海水靜壓力的增加而升高。但是隨著潛艇速度的提高，噪聲可能會隨著潛深的增加而升高，而不是與預期的一樣隨著潛深的增加而降低，這種現(xiàn)象稱之為異常深度效應。對異常深度效應可以做如下解釋：當海水靜壓力相對比較低時，隨著潛深的增加，海水靜壓力雖然會有所增加，但是靜壓力的增加不足以大到能夠抑制螺旋槳空化的發(fā)生，并且增加的靜壓力反而使生成的氣泡加速破裂，最終會使得高于峰值頻率所輻射的能量有所增加。以上對螺旋槳空化噪聲的分析盡管稍顯簡單，但仍然提供了得以說明異常深度效應，以及說明與空化噪聲有關的實驗數(shù)據(jù)的一個合理的解釋。

圖5 潛艇進推比與空化速度的關系圖Fig.5 The relation diagram of thrust ratio and cavitation velocity of submarine

圖6 深度對潛艇螺旋槳空化噪聲的影響Fig.6 Influence of depth on cavitation noise of Submarine propeller

為了降低潛艇被發(fā)現(xiàn)概率，在實際的戰(zhàn)術機動中，滿足水文條件的前提下，潛艇的航行深度應盡量選擇在能夠抑制螺旋槳空化的深度，但應充分考慮異常深度效應，否則，結(jié)果可能會適得其反。如在35m深度以6kn速度航行，此航速下的臨界深度為55m。此時為達到戰(zhàn)術目的，需保持6kn航速。為了減小空化噪聲能級，下潛到45m深度仍以6kn航行，由于異常深度效應，螺旋槳空化噪聲能級可能反而會增大。因此在實際操艇過程中，為保持隱蔽，應以某深度下的最小噪聲航速航行，否則加大下潛深度至此航速下的臨界水深，避免因異常深度效應而使?jié)撏П┞丁?/p>

3 空化前后敵我發(fā)現(xiàn)概率計算

根據(jù)螺旋槳空化產(chǎn)生前后的聲壓能級及作戰(zhàn)目標的聲壓能級，對螺旋槳空化對潛艇被發(fā)現(xiàn)概率的影響進行以下定量分析。作戰(zhàn)態(tài)勢設置如下：

研究對象為模型潛艇；

作戰(zhàn)對象為模型驅(qū)逐艦；

1）陣地

寬度=巡邏長度+2倍聲吶作用距離；

長度=2倍的本艇聲吶作用距離。

2）潛艇在陣地內(nèi)作往返式機動，機動過程中潛艇聲吶全時開機值更，機動深度設定為35m，速度設定為未空化前 3.5kn 及空化后 5kn。

3）水面艦船的初始狀態(tài)為：航速18kn，航向隨機產(chǎn)生，初始位置距我潛艇初始位置點的距離為我聲吶2倍作用距離。

聲吶方程反映了聲吶的觀測能力[11–12]。在觀測過程中聲吶使用主、被動工作方式。

被動聲吶方程為：

主動方程為：

式中：SL為目標輻射噪聲聲源級。由目標艦艇產(chǎn)生的機械噪聲、螺旋槳空化噪聲和水動力噪聲組成；TL為聲傳播損失，聲能在海水介質(zhì)中傳播時的能量損失；NL為自噪聲，本艇產(chǎn)生的噪聲；DI為方向性指數(shù)，反映水聽器從噪聲背景下提取信號的能力，指向水聽器輸出信噪比比無指向水聽器輸出信噪比提高的分貝數(shù)；模型驅(qū)逐艦的拖曳線列陣的長度設置為100m，DI值為35dB，模型潛艇的DI值設置為25dB。DT為檢測閾，指觀察者在預定檢測概率下剛剛能夠判決目標存在時，作用于聲吶接受機輸入端的以分貝表示的輸入信噪比：

在同樣發(fā)現(xiàn)概率50%條件下，DT值與信號處理技術水平、聲吶兵技術水平、訓練水平及實踐經(jīng)驗有關。文中模型驅(qū)逐艦的DT值設為2dB，某型潛艇聲吶的DT值設置為5dB。

TS為目標反射強度，反映回波信號的強弱。與目標的幾何形狀有關。

由聲吶方程可以看出聲吶發(fā)現(xiàn)目標概率取決于目標特性、信號傳輸信道和判決系統(tǒng)，所以觀察發(fā)現(xiàn)模型包括目標模型、信道模型和檢測模型組成。在對抗中雙方都在搜索對方，以上所述模型適應于模擬雙方。

傳播損失模型：

其中，α=0.01458。

下面是模型驅(qū)逐艦和模型潛艇的一組輻射噪聲數(shù)據(jù)：

模型驅(qū)逐艦SL 為 138dB（18kn 航速）；

模型潛艇SL 為 130dB（3.5kn 航速）；

147dB（5kn 航速）。

若水面艦艇采用主動搜索方式，需計算潛艇的反射強度。一般目標的反射強度可用蝴蝶形分布曲線近似表示：

根據(jù)模型及態(tài)勢，采用Visual C++進行編程模擬計算，每種態(tài)勢模擬1000次。當潛艇以空化產(chǎn)生前3.5kn航速航行時（該航速下螺旋槳還未產(chǎn)生空化現(xiàn)象），潛艇對敵方驅(qū)逐艦的搜索發(fā)現(xiàn)概率大約為27%，被敵方驅(qū)逐艦的發(fā)現(xiàn)概率為60%；當潛艇以5kn航速航行時（該航速下螺旋槳已經(jīng)產(chǎn)生空化現(xiàn)象），潛艇對敵方驅(qū)逐艦的搜索發(fā)現(xiàn)概率約為7%，被敵方驅(qū)逐艦的發(fā)現(xiàn)概率約為82%。可以看出，螺旋槳空化前后對敵搜索發(fā)現(xiàn)概率大幅減小，同時被發(fā)現(xiàn)概率顯著增大，這足以說明螺旋槳空化噪聲對潛艇隱蔽性影響之大。為應對螺旋槳空化帶來的影響，潛艇指揮員應時刻明確本艇當前是否處于螺旋槳空化狀態(tài)。因此為保持隱蔽性，潛艇指揮員在操縱控制潛艇過程中，應以不高于當前深度下的最小小噪聲航速的速度進行航行機動。同時還要特別注意異常深度效應的影響，避免由于異常深度效應的影響而使?jié)撏г黾颖粩嘲l(fā)現(xiàn)的概率。

4 結(jié) 語

潛艇螺旋槳空化噪聲是影響潛艇隱蔽性的主要噪聲源之一，而速度是對潛艇螺旋槳空化噪聲影響最為顯著的因素，準確計算出潛艇在不同深度下的臨界空化速度對提高潛艇的隱蔽性具有重要意義。通過本文的研究與分析，可以總結(jié)得出如下結(jié)論：

1）由于異常深度效應的影響，有時加大下潛深度反而會使螺旋槳噪聲能級增加。為了抑制空化噪聲的產(chǎn)生，應以不高于當前深度下的最小小噪聲航速的速度進行航行機動。

2）潛艇在加速或轉(zhuǎn)向過程中，會使螺旋槳的尾部流場發(fā)生紊亂，從而使螺旋槳的環(huán)流發(fā)生變化，加速空化的產(chǎn)生。潛艇在跟蹤解算敵目標要素時，應盡量減少變向變速的次數(shù)，以降低加速過程中的輻射噪聲。

3）在潛望深度螺旋槳極易產(chǎn)生空化，潛艇對水面艦船進行魚雷攻擊或進行規(guī)避時，應盡量避免在潛望深度進行。戰(zhàn)時，潛艇在潛望深度航行時應盡量采用經(jīng)航電機航行，減小螺旋槳空化噪聲。