艦艇聲隱身技術研究用消聲風洞設計

金哲民，方 斌，關惠仁，周其斗

(海軍工程大學艦船與海洋學院，湖北武漢430033)

0 引 言

艦艇螺旋槳噪聲和流噪聲是艦艇重要的噪聲源，兩者能否得到有效控制是艦艇隱身降噪的關鍵，這就需要對螺旋槳噪聲和流噪聲的產生機理進行深入而細致的研究，其中有效的實驗手段必不可少。目前，在船舶領域對這2種噪聲的實驗研究，主要借助于循環水洞和大比例模型水下聲學實驗場[1]，但是兩者都存在明顯不足。由于水中的聲波波長較空氣中要長，在循環水洞中消聲非常困難，即使有消聲措施，也只對較高頻段的聲波有效，在低頻段難以實現。而且循環水洞主要用于水動力性能的研究，而非專門用于噪聲問題，同時其聲學環境為混響場，很難從復雜的背景噪聲中得到所需要的噪聲信息。大比例模型水下聲學實驗場是借助艦船航模自主航行等方式開展聲學試驗的，其聲學環境雖然較循環水洞好得多，但是也只能測量出艦船模型的總噪聲，難以從中分離出螺旋槳噪聲和流噪聲。此外，艦船模型實驗成本高昂、外界環境的干擾因素眾多，因此研究螺旋槳噪聲和流噪聲的機理存在很大困難。為突破目前艦艇螺旋槳噪聲和流噪聲實驗手段的限制，借鑒氣動聲學的研究成果，利用空氣中消聲比水中容易的優勢，在空氣中進行實驗測量，是研究艦艇螺旋槳噪聲和流噪聲機理的另一種有效途徑[2]。

目前，在氣動聲學領域里，國外學者普遍在低噪聲低湍流度低速消聲風洞（簡稱消聲風洞）中進行螺旋槳噪聲機理的研究，消聲風洞已經成為空氣螺旋槳噪聲機理研究必不可少的實驗設施。在國內，隨著航空、汽車、高鐵等領域技術發展的需要，消聲風洞也在不斷建設和發展。為提升我國艦艇聲隱身技術領域螺旋槳噪聲和流噪聲機理研究的水平，結合我國多年來風洞的設計和使用經驗[3]，借鑒國內外消聲風洞的建設經驗，結合自身情況，設計并建造一座用于艦艇聲隱身技術研究的消聲風洞，為艦艇螺旋槳噪聲和流噪聲機理研究提供新的實驗設施和研究途徑。

1 國內外現狀

美國、英國、法國、德國、日本等發達國家，都建設有航空、汽車等領域使用的消聲風洞[4–9]，總體規模和實驗能力目前處于世界領先水平。表1中列出了國際上較著名的消聲風洞相關參數，其中世界上最大的德國和荷蘭合建的DNW消聲風洞已經開展了航空航天領域中許多開創性的科學研究。

DNW-LLF（Large Low-Speed Facility）低速消聲風洞，8m×6m的噴口和20m長的測試段，可以滿足絕大數模型尺度實驗要求。80m/s流速下的背景噪聲低于80 dB（A），這在同類風洞中處于領先水平。

國內風洞的建設和研究，主要集中在中國空氣動力研究與發展中心、中國航空工業空氣動力研究院、北京航空航天大學、南京航空航天大學等科研機構和院校，以開展軍用飛機氣動研究為主。因民用飛機發展需要，中國空氣動力研究與發展中心目前已建成商用飛機聲學測試用聲學風洞，如表1所示。隨著國內汽車行業研發能力需求的不斷提升，近年來國內汽車用消聲風洞發展迅速，已經建成的有上海地面交通工具風洞中心、中國汽車工程研究院股份有限公司汽車風洞中心，主要用于汽車風阻和風噪源測試[10]。

消聲風洞建設的難點在于風機噪聲和開口射流噪聲等噪聲源的控制。國外已在此領域開展了多年的研究工作，取得了很好的效果。但是目前公開的資料顯示，尚未建設有專門用于艦艇聲隱身技術研究使用的消聲風洞。用于艦艇噪聲控制研究的消聲風洞尤為重視100 Hz以下的低頻聲波，而普通汽車和飛機風洞截止頻率并不關注。根據艦艇聲隱身技術方面的技術積累，提出艦艇研究用消聲風洞的設計要求，借鑒美國佛羅里達大學消聲風洞的研究和建設經驗[11–12]，設計并建造了能滿足艦艇聲隱身技術研究需要的消聲風洞，為拓展艦艇聲隱身技術研究的基礎研究能力提供了重要支撐。

2 設計中的主要問題

消聲風洞是采用了消音措施的風洞，與常規風洞有很多相似性，因此可以借鑒常規風洞設計的方法，根據特殊使用需求，對聲學性能、隔振要求等進行單獨設計。

2.1 風洞形式

常規低速風洞分為直流式和回流式2種。直流式風洞，通過風扇系統的驅動，氣流連續地從外界大氣通過進氣口進入風洞，然后通過排氣口排到外界大氣。回流式風洞，通過風扇系統的驅動，氣流連續地在風洞回路內流動。2種類型的風洞有各自的優缺點，例如直流式風洞建設成本低，模型安裝和測試較方便，且適合進行煙流等有排放物的實驗，有利于直接觀測，但是湍流度較難控制，回流式恰好相反[13]。根據海軍工程大學消聲風洞的使用要求，考慮建設場地和成本的限制，采用直流式風洞形式。

表1 國內外比較著名的消聲風洞Tab.1 The famousanechoic w ind tunnel around the world

圖1 DNW-LLF的8m×6m聲學試驗段Fig.1 8 m×6 m acoustic test section of DNW-LLF

圖2 消聲風洞的不同布局形式Fig.2 Different layout patterns of anechoic w ind tunnel

美國佛羅里達大學消聲風洞采用了L型布局形式（見圖2（a）），雖然能夠有效降低驅動風機的噪聲傳入實驗測試段，但是從其實驗測量得到的窄帶譜噪聲級結果來看，依然存在較為明顯的噪聲干擾，如圖3（a）中所示。該噪聲源來自給變頻電機冷卻用的風機，在噴口風速17 m/s較為明顯，隨著風速的提高，被其他噪聲所覆蓋[10]。為進一步控制消聲風洞中的主要噪聲源（即驅動風機的噪聲）傳入實驗測試段（消音室內），增加噪聲源在傳遞過程中的損失，借鑒了美國佛羅里達大學L型布局形式，采用有2個拐角的Z型布局形式（見圖2（b））。為了與美國佛羅里達大學消聲風洞的實驗結果進行比較，測量得到了同樣為17 m/s噴口風速時的窄帶譜噪聲級，如圖3（b）所示，沒有來自驅動系統的干擾所產生的明顯峰值。由此說明，采用Z型布局的消聲風洞，抑制風機等來自驅動系統的傳遞噪聲，比L型布局效果更好。

圖3 窄帶譜聲壓級Fig.3 Sound pressure level of narrowband spectrum

2.2 實驗段布局形式

風洞實驗段的形式也分為開口和閉口，兩者也各有優劣。例如：1）閉口實驗段的能量損失少，風洞運轉功率明顯低于開口實驗段的風洞；2）直流式風洞若采用開口實驗段，則必須要有一個較大的封閉實驗段的外殼，防止空氣從實驗段四周進入風洞，若空氣從實驗段四周進入風洞，則會影響實驗段內的流場品質；3）在開口實驗段中，安裝實驗模型難度大，特別是在大尺寸的風洞中，為更換實驗設備而靠近模型比較困難。

為滿足噪聲傳遞途徑、指向性等聲場特性的測量，采用開口實驗段是目前大多數消聲風洞所采用的形式。對于艦艇聲隱身問題的研究，往往更關注艦艇輻射噪聲的遠場特征，這就需要有距離模型較遠的聲學測點。因此，消音室采用了非對稱布局形式，即噴口處氣流的中心軸線，不在消音室的中心位置，如圖4所示。

但是，非對稱布局形式會使實驗段的流場受到兩側非對稱氣流的影響，降低流場品質。在設計階段需要對這兩方面的得失進行權衡，確定最優方案。消聲風洞的最大風速為60m/s，為中低風速風洞，且主要用于聲學實驗，因此，聲學方面的因素是考慮的重點，流場品質只要能夠滿足使用要求，便可以接受。從圖5所示的仿真計算結果看，非對稱布局形式的消音室內，流場也是不對稱的，但對噴口到收集口之間實驗測試段的影響并不明顯。消聲風洞建成后實驗測試段流場均勻性和湍流度的實驗測量結果（見圖6和圖7）也證實了非對稱布局對流場品質的影響在可接受的范圍內。

圖4 消音室的非對稱布局圖Fig.4 Asymmetric layout of the anechoic chamber

圖5 速度場CFD仿真結果云圖Fig.5 CFD simulation result cloud map of velocity field

采用畢托耙測量距離風洞噴口1m處的流場均勻性。V=17 m/s時，測試段中心軸線處速度偏差值為0.69%，與美國弗羅里達大學消聲風洞的0.7%基本相當[11]。采用熱線風速儀測量距離噴口1m處的中心線位置處的湍流度（ε）。噴口風速V=17m/s時，中心軸線處的湍流度ε=0.12%；噴口風速V=60m/s時，中心軸線處的湍流度ε=0.11%。V=17m/s時，湍流度高于美國弗羅里達大學消聲風洞相同風速時的湍流度ε=0.035%[10]。

圖6 流場均勻性測量Fig.6 Flow field uniform ity measurement

圖7 湍流度測量Fig.7 Turbulence measurement

2.3 消音室設計

研究噪聲問題的前提是知道噪聲源的基本情況和噪聲傳播的規律，這需要風洞的測試段滿足以下要求：聲學性能達到自由場條件（無聲反射），足夠的尺寸條件（可進行遠場聲測量）和非常低的實驗段背景噪聲（足夠的信噪比）。對開口實驗段來說，實驗段由消音室圍繞，模型的噪聲沒有反射，屬自由場情況，且背景噪聲極低。消音室的建設，需要根據聲源的頻譜特征進行吸聲結構的設計。以螺旋槳實驗為例，必須根據螺旋槳的最低基頻和最高基頻來確定吸聲結構具有良好吸聲效果的頻率范圍，進而選取吸聲材料。

研究艦艇聲隱身問題，與氣動聲學問題有很多不同。例如，艦艇聲隱身問題的研究中，一般不采用計權聲壓，頻譜分析以窄帶譜分析為主，另外在水中100 Hz以下的低頻聲波傳播距離很遠，因此艦艇聲隱身問題對100 Hz以下的低頻聲波尤為關注。基于以上原因，在設計消聲風洞時，技術指標中均采用無計權的聲壓來衡量，頻譜特征的分析以窄帶譜分析為主，但是為了與其他消聲風洞進行比較，也同時采用倍頻程聲壓進行分析。對于消音室內聲場測試環境所要求的截止頻率，應該在100 Hz以下才能滿足艦艇聲隱身問題研究的需要，但是由于截止頻率越低，吸聲尖劈的尺寸越大，建造成本也越高。在綜合考慮建造成本和研究需要，立足于現有的技術手段，將截止頻率設定為50 Hz。采用共振吸聲板和吸聲尖劈組合的形式，控制吸聲尖劈的尺寸，保證有效的測試空間。為了防止外界低頻干擾進入消音室，在消聲風洞建設地點的選擇、消音室的隔振、風洞洞體結構的隔振等方面，采取了多種措施，最終達到了較好的控制效果。根據實際測量結果，在50Hz～20 kHz頻率范圍內，消聲風洞本底噪聲的窄帶譜總聲壓級最低可達24.6 dB，其他測點的總聲壓級在24～28 B的范圍內，為艦艇聲隱身技術問題的研究提供了良好的聲學實驗環境。

3 結語

利用空氣中比水中消聲容易的優勢，借鑒氣動聲學的研究方法和實驗手段，從而彌補目前艦艇聲隱身技術領域中，螺旋槳噪聲和流噪聲機理研究實驗手段存在的明顯不足，從原理分析、數值仿真和實驗驗證等方面，初步探討了艦艇聲隱身技術研究用消聲風洞的一些重要的設計問題，得出以下結論：

1）Z型布局的消聲風洞抑制動力裝置傳遞噪聲的效果優于L型布局；

2）非對稱布局的消音室，在中低風速時，實驗段流場品質受到的不對稱氣流影響不大，能夠滿足遠場聲學測量的需要，為研究艦艇遠場輻射噪聲提供了較為便利的條件；

3）從消音室吸聲材料的設計、消聲風洞建設地點的選取、消音室和洞體結構的隔振處理等多方面進行考量，最終使實驗測試段的聲吸收截止頻率達到了50 Hz，背景噪聲達到了25 dB左右，為開展艦艇聲隱身技術相關問題的研究提供了良好的實驗條件。