涵道尾桨噪声辐射特性研究
舰船辐射噪声源及其一般特性
舰船辐射噪声源及其一般特性舰船辐射噪声源分为三大类：机械噪声：主机：柴油机、主电动机、减速器辅机：发动机、泵、空调设备螺旋桨噪声：螺旋桨空化螺旋桨叶片振动水动力噪声：水流辐射噪声；空腔、板和附件的共振；支柱和附件的空化机械噪声机械噪声是航行或作业舰船上的各种机械的振动，通过船体向水中辐射而形成的噪声。
产生机理：不平衡的旋转部件（电机电枢等）；重复的不连续性（齿轮、涡轮机叶片等）；往复部件（汽缸的爆炸）——产生线谱噪声，其成分是振动基频及其谐波分量流体空化和湍流及排气（泵、管道、凝汽器等）；机械摩擦（轴承等）——产生连续谱噪声。
结论：舰船辐射噪声为强线谱加弱连续谱的迭加，与舰船航行状态及机械工作状态密切相关，一般较复杂、多变。
机械噪声是舰船辐射噪声低频段主要成分。
螺旋桨噪声螺旋桨噪声：螺旋桨空化噪声和螺旋桨叶片振动辐射噪声。
螺旋桨空化噪声：螺旋桨旋转时，叶片尖上和表面上产生空化。
螺旋桨空化噪声是舰船辐射噪声高频段主要成分，且为连续谱，其典型频谱如下图。
频谱特点：在高频段，谱级随频率以6dB/Oct斜率下降；在低频段随频率增高而增高；谱峰（100Hz~1000Hz）随航速和深度而变化，当航速增加和深度变浅时，谱峰向低频移动。
原因：高航速和浅深度时，易产生空化气泡，产生低频噪声，使谱峰向低频端移动。
空化噪声产生条件：航速大于舰船临界航速。
螺旋桨空化噪声与航速关系：航速低于临界航速，空化噪声级很低（未发生空化）；航速增大至临界航速，空化噪声级急剧增大（空化发生、发展）；航速继续增大，空化噪声级基本趋于稳定（空化充分）。
螺旋桨空化噪声与航深关系：航行深度增加，临界航速提高，空化噪声级增加。
螺旋桨空化噪声还与其它因素有关，例如螺旋桨损坏、加速、转向等因素。
水面舰船的螺旋桨空化噪声—航速关系不是S形，关系复杂。
螺旋桨唱音：螺旋桨唱音是螺旋桨叶片拍击、切割水流而引起的，也称为旋转噪声，它为线谱噪声分量。
其频率：n是螺旋桨叶片数；s是螺旋桨转速；m是谐波次数。
舰船辐射噪声特性分析
2螺旋桨噪声由螺旋桨在水中转动所产生噪声，包括螺旋桨空化噪声，螺旋桨旋转和桨叶振动等产生的噪声，虽然螺旋桨应该是整个推进系统的一个组成部分，但由于它在海水介质中运动，其产生的噪声的方式具有特殊性，在舰船噪声中占有重要地位。
3水动力噪声由不规则和起伏的海水作用于航行舰船所产生的噪声，这些噪声起因于几种不同的流体动力学效应，包括流噪声，水流作用于舰船空腔、板和附件引起的共振产生的噪声以及船体和附件的空化噪声等。
舰船辐射噪声特性分析
舰船噪声,分为空气噪声（在空气介质中产生的噪声）和水噪声（在水介质中产生的噪声）.其中舰船水噪声分为舰船辐射噪声和舰船自噪声.舰船辐射噪声是由舰船上机械运转和舰船运动产生并辐射到水中的噪声,舰船辐射噪声是被动探测装置的信息源,是舰船隐蔽性的重要指标之一,用以评介本舰招致声纳探测和水中兵器攻击的危险性.
舰船辐射噪声重要是有机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声三部分叠ห้องสมุดไป่ตู้而成。
1机械噪声由船上的各种机械设备产生的噪声。这些机械设备种类繁多，主要有用于船舶航行的主机（往复式发动机、汽油机、柴油机、主电机、经航电机等）以及配套的推进装置（转轴、轴承、减速器等），还有各种辅机（主发动机、变流机、空调机、通风机、各种泵等）以及复杂的管路、阀门、齿轮箱等。这些机械在运动过程中产生振动，通过底座或支架传递到船体，从而引起船体振动并向海洋中辐射噪声声波。以这种形式产生的噪声往往含有系统转动频率及其谐波分量的窄带信号。
旋翼前后行侧桨-涡干扰噪声辐射特性
在直升机 的飞行 过程 中， 翼所 处的 气动 环境 旋 是 较复 杂的 ， 桨叶 的桨 尖处会 脱 落 出高强度 的桨 尖 涡， 而这 些脱 出的桨尖 涡 与 自身 桨叶 以及后 续桨 叶
的脉 冲气 动载 荷 、 引起 声 压水 平 很 高 的噪声 辐 射 ，
此 噪 声 就 是 桨 一 干 扰 （ ｌ ｅｖ ｒｅ ｎｅａ ｔ ｎ 涡 Ｂａ —ｏ ｔｘ ｉｔｒｃｉ ， ｄ ｏ
直 升机 的主要 噪声 源 。因此 ， 研究 直升机 Ｂ 噪声 ＶＩ 的产生 和辐 射 的规 律 、 求 减 弱 Ｂ 噪声 强 度 的 寻 ＶＩ 措施 具有重 要 的意义 。 然 而 ， 确 地 计算 旋 翼 桨一 准 涡干 扰 气 动 和 噪声 特 性是 相 当困难 的 ， 是 因为 Ｂ 噪 声 的 准确 预 这 ＶＩ
作者 简 介 ： 辰 瑶 ， ， 士 研 究 生 ，９ ０ １月 生 ； 国 华 （ 系 人 ） 男 ， 授 ， 士 生 导 师 ， — ｉ：ｈ ｕ ｎ ａ ．ｄ ． 宋 女 博 １８ 年 徐 联 ， 教 博 Ｅ ｍａｌｇ ｘ ＠ ｕａ ｅ ｕ
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京
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报
第４ ２卷
第 ４ 卷 第 ６期 ２
２１ ０ ０年 １ ２月
南 京 航 空 航 天 大 学 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｎ ｉｇ Ｕｎ ｖ ｒｉｙ ｏ ｒ ｎａ ｉ ｓ＆ Ａｓ ｒ ｎ ｕ ｉｓ ｏ ｒ ａ ｆＮａ ｊ ｉｅ ｓｔ ｆＡｅ ｏ ｕｔｃ ｔｏ ａ ｔｃ ｎ
ｉ ｒ ｓ ｎ ｅ ｓ ｐ ｅ ｅ ｔ ｄ，ａ ｈ ｎｄ ｔ ｅ ＢＶ Ｉｓ － ｏｕｒ ｅ ｄ ｒ ｃ ｉ ｎａ ｉｙ ａ ｄ ＢＶ Ｉｎ ｓ ａ ａ ｉ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｔ ｄｖ ｎｃｎｇ ｃ ｉｅ ｔｏ ｌｔ ｎ ｏｉｅ ｒ ｄｉ ｔｏｎ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓ ｉｓｏｎ ｂｏ ｈ ａ ａ ｉ ｓｄ ｎｄ ｒ ｔ ｅ ｔｎｇ ｓｄｅ ｈ ｏ ｏｒａ ｅ ｉ ｖ ｓ ｉ ａｔ ｄ Ｉ ｄ ｔｏ ｉ ｅ ａ ｅ ｒ ａ ｉ ｉ ｓｏｆｔ ｅ ｒ ｔ ｒ ｎ ｅ ｔｇ ｅ ． ｎ ａ ｄｉｉ ｎ，ｅ ｆ ｃ ｓ ｏ ｆｅ ｅ ｔ ｐ ｒ ｍ ｅ ｅ ｓ，ｓ ｈ ｆｅ ｔ ｆｄｉｆ ｒ ｎ ａ ａ ｔｒ ｕｃ ａ ｌ ｄ ｕｍ ｂ ｒ ａ ｄ ａ ａ ｃ ｄ ｒ ｔｏ，ａ ｅ ａ ａ ｙｚ ｄ ｔ ｎ ｅ ｔｇ ｔ ｓ ｂａ ｅ ｎ ｅ ｎ ｄｖ ｎ ｅ ａ ｉ ｒ ｎ ｌ ｅ ｏ ｉ ｖ ｓ ｉ ａ ｅ ＢＶ Ｉ ｎ ｉ ｅ ｐｒ ｐ ｇａ ｉ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ． ｏ ｓ ｏ ａ ｔｏｎ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓ ｉｓ
水润滑尾轴承振鸣音研究进展
水润滑尾轴承振鸣音研究进展秦红玲;周新聪;闫志敏;刘正林【摘要】Bearing noise or abnormal vibration sometimes originates in water-lubricated rubber stern bearings in marine propeller shaft systems due to operation at low-speed, overloading and poor lubrication conditions. It will affect the comfort of ships, and especially destruct the hidden nature and viability of submarines. Currently, the bearing noise can be neither predicted nor eliminated effectively. Therefore studying the mechanism of stern bearing noise has important theoretical and practical significance. In this paper, research advances of noise generation mechanism, influencing factors and vibration beep suppression technique were reviewed. It is pointed out that a comprehensive study, considering various influencing factors and combining advanced analysis means and testing methods, is necessary. On this basis, detailed design, manufacture, and installation specifications can be developed, bearing performance can be improved and bearing vibration and noise can be reduced.% 水润滑橡胶尾轴承在低速、重载、润滑不良状况下，会出现异常振动与鸣音，影响舰船的隐蔽性与生存能力以及乘员的舒适性。
基于振动传递分析的舰船辐射噪声特性研究
舰 船在航 行 过 程 中由 于 主机 、 机 、 旋 桨 的 辅 螺 激励 而 产生不 同程 度 的振 动 ， 导致 水 下 辐 射 噪声 ，
基座 结构 ， 进行 振 动 传 递特 性 的研 究 ， 索 船 体 的 探 振动 与水 下 声 辐 射 特 性 的 变 化 规 律 ． 利 用 有 限 在
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第２ ５卷第 ２期
２ １ 年 ４月 ０１
江苏 科技 大学 学报 （ 自然科 学版 ）
Ｊｕｎｌ ｆ ｉ ｇｕＵ ｉｅｓｙｏ ｃ ｎｅａｄＴ ｃｎｌ ｙ Ｎ ｔｒｌ ｃ ｎｅＥ ｉｏ ） ｏｒａ ｏ ａ ｓ ｎｖｒｔ ｆ ｉ ｃ ｎ ｅｈ ｏ ｇ （ ａｕａ Ｓ ｉ ｃ ｄｔ ｎ Ｊｎ ｉ Ｓ ｅ ｏ ｅ ｉ
舰船辐射噪声的响度和音色特征模型
舰船辐射噪声的响度和音色特征模型曹红丽;方世良【摘要】First, the normalized power and Moore loudness change trend of the simulated ship radiated noise is analyzed. Furthermore, the Moore loudness cyclical change is tested by the sea trial data, and the Moore loudness mean is extracted as one dimensional characteristic. Then the effective timbre spectrum centroid characteristics are studied, and the formulae of spectral centroid bandwidth, spectral centroid skewness and spectral centroid kurtosis are deduced according to the mathematical definition of spectrum centroid. The physical meanings of spectrum centroid, spectral centroid bandwidth , spectral centroid skewness and spectral centroid kurtosis are illustrated by an example, and a 24-dimensional features model based on spectral centroid, spectral centroid bandwidth, spectral centroid skewness and spectral centroid kurtosis of six segmented frequency bands is proposed. The Moore loudness feature model is combined with the timbre feature model, and the combined characteristics have certain separability, which can be seen from the mean and variance distributions of 25-dimensional characteristics. Finally, a three-layer BP neural network classifier is designed, and the sea trial data simulation results indicate that the feature extraction method is effective and helpful to improve the recognition rate.%首先分析模拟舰船辐射噪声的归一化功率和Moore响度变化趋势,进一步用海试数据验证Moore响度的周期性变化特点,分析Moore响度周期性变化的原因,提取Moore响度均值作为一维特征.然后分析研究音色中有效的谱质心特征,根据谱质心的数学定义推导出谱质心带宽、谱质心斜度以及谱质心峰度的数学公式,举例分析其物理含义,并提出基于六分段频带的谱质心、谱质心带宽、谱质心斜度以及谱质心峰度共24维的音色特征模型.将Moore响度特征模型和音色特征模型相结合,从组合的25维特征的均值和方差分布可知特征具有一定的可区分性.最后设计3层BP神经网络分类器,海试数据表明基于Moore响度和音色的特征模型提取方法是有效的,且有利于提高分类识别率.【期刊名称】《东南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(043)002【总页数】6页(P241-246)【关键词】Moore响度;谱质心;谱质心带宽;谱质心斜度;谱质心峰度;BP神经网络【作者】曹红丽;方世良【作者单位】东南大学水声信号处理教育部重点实验室,南京210096【正文语种】中文【中图分类】TN911.7水下目标识别是现代海战的重要环节,目标特征的选择和提取是提高目标识别率的关键问题．为了得到有效稳定的识别特征,目前主要利用时域分析、频域分析、时频分析以及混沌分形分析等信号处理方法得到的有效特征进行目标识别．由于目标声学特性的复杂多变性,目标识别率始终无法达到预期要求．实际上,目标识别仍然依赖于声纳员耳听识别结合机器识别来完成目标识别任务．声纳员听音判型方法虽然有效,但是听音判型方法的数学描述很困难．因此,模仿人耳的听声过程是一个非常有前景的研究方向．舰船辐射噪声包括螺旋桨噪声、机械噪声和水动力噪声,其中螺旋桨噪声是主要噪声,声纳员就是根据螺旋桨的噪声进行听音识别[1]．声纳员的听音判型是根据心理声学特征进行识别,心理声学特征包括响度、音调和音色,其中主要依据响度和音色特征．目前,研究者将响度[2-4]和音色特征应用于水下目标识别[5]中,目标识别率得到了一定的提高,但这些方法没有考虑舰船辐射噪声自身的特点,因此建立舰船辐射噪声的心理声学特征模型尤为重要．本文研究舰船辐射噪声的Moore响度模型,从谱质心特征的数学定义推导研究谱质心带宽、谱质心斜度和谱质心峰度的计算公式和物理含义,从而得到舰船辐射噪声的音色特征模型,并将舰船辐射噪声的响度和音色特征模型相结合,应用到实际水下目标识别中．1 舰船辐射噪声的Moore响度特征模型响度是描述人耳对声音感觉强度的心理声学量,Moore根据人耳的听觉原理和声波在人耳中的衰减特性,提出更加接近人耳听觉特性的响度计算模型.下面介绍Moore 响度[6-8]计算过程．首先对声音信号进行离散傅里叶变换,以1 Hz频率分辨率将声音信号的频率成分进行划分,声音信号就看作是以1 Hz为间隔、幅值不变的正弦声音信号的合成．在信号处理时,采样频率高于声音信号最高分析频率2倍以上,采样点数最好与采样率相同,这样可使信号的能量集中在原有的频率上不出现泄漏．声音信号在传播过程中通过外耳、中耳时,能量会发生变化,这种变化在具体的响度计算模型中用外耳和中耳的传递函数表示,本文采用三次多项式函数进行插值得到传递函数．首先将经外耳和中耳后的声音信号转换成激励模型,激励级表示的是声音信号经过外耳和中耳后在耳蜗中的声音能量级,根据下式转换为激励级LERB-level:LERB-level=10log(1)式中,ERB带宽Ewidth=24.673(4.368f/1000+1);p0=2×10-5 Pa为参考声压;指数权函数w(gk)=(1+pkgk)exp(-pkgk),gk=(fk-f)/f,pk=4f/Ewidth,fk表示有效频率成分的频率值．声音信号经过耳蜗后到达基底膜,用372个滤波器来模拟基底膜上的响应,即进行特性响度的计算．人耳的听觉频率范围是50～1.5×104Hz,由Enumber=21.366log(4.368Fi/1000+1)换算得到听觉频率范围是1.8～38.9 ERB，其中Enumber为ERB数，Fi为滤波器的中心频率.以0.1 ERB为间隔,得到372个滤波器,声音信号通过372个滤波器后的输出激励Ei为Ei=(2)式中,i=1,2,…,372;j为声音信号的有效频率数.滤波器采用前面的指数权函数.形式如下所示:(3)(4)根据输出激励计算特性响度,即(5)式中,ET为可听阈的能量;G的取值为500Hz以上的ET与500Hz以下的ET的比值;α的取值取决于G的取值;C=0.046871．图1为上述参数值的示意图．图1 ET,G值和α值的示意图根据以上计算步骤,可以得到372个特性响度值,总响度就等于这些特性响度之和,即(6)根据上述Moore响度的计算方法,可看出响度是声音信号幅度和频率的函数,与幅度变化有很大关系．在心理声学特征中,相同响度情况下,通过音色可以很好地区分信号.在声纳员听音判型中,响度和音色是紧密联系的,下面从音色特征研究舰船辐射噪声的音色模型．2 舰船辐射噪声的音色模型在声音响度相同的情况下,音色特征能有效地区分声音信号．螺旋桨的桨拍声以轻重变化为主要特点,音色就是在这种轻重拍的发生、发展、衰变到二者交替轮换中展现出来的动态特性[1]．每种乐器都有其固有的频率范围,产生基频和基频谐音,带来不同的音色,而桨拍声是不同结构的螺旋桨击水的声音．不同的船或不同的工况,比如桨的尺寸、桨轴功率、转速等不同,螺旋桨击水时具有不同的谐振频率,相应产生的基音和谐音不同,从而产生音色差别．在乐音中,谱质心是描述声音信号的频率分布和能量分布的信息．当声音集中在高频时,声音明亮、清晰、有光泽,相反在低频,声音暗、闷、不美[1]．谱质心的物理含义是声音能量集中的区域,在频率分析范围内,将谱能量函数看成是频率的概率密度函数,谱质心便是频率的一阶矩,基于一维的谱质心不能区分目标,因此提出了动态频带的多维谱质心特征提取方法[9].本文在谱质心的基础上研究二阶、三阶和四阶中心矩,即谱质心带宽、谱质心斜度和谱质心峰度,并推广到分段频段的谱质心、谱质心带宽、谱质心斜度和谱质心峰度,从而研究舰船辐射噪声的音色特征模型．对声音信号x(t)进行离散傅里叶变换得到p(f),然后进行归一化处理其中M为离散傅里叶变换的长度,则A(fh)可以看成是频率的概率密度函数．分别计算一阶矩、二阶矩、三阶矩和四阶矩,即二阶、三阶和四阶中心矩的计算公式如下:(7)(8)μ4=E[(x-Ex)4]=m4-4m3m1+6m2-3(9)则谱质心Sc=m1,谱质心带宽Sw=,谱质心斜度谱质心峰度为更好地理解其物理含义,用3个不同频率、不同声压级的正弦信号的合成声音进行说明:① 60dB、500Hz和60dB、1000Hz的正弦信号合成声音;② 60dB、500Hz和60dB、800Hz的正弦信号合成声音;③ 60dB、500Hz和63dB、1000Hz的正弦信号合成声音．由式(7)～(9)求得3个正弦合成声音的一维谱质心分别是750,650和833Hz,一维谱质心带宽分别为250,150和222.5Hz,一维谱质心斜度分别为0, 0和2820.6,一维谱质心峰度分别为62497,22497和91413．谱质心反映信号能量集中的频率区域,由上述正弦合成声音,可知谱质心与声音信号的基频有很大关系：当分音的幅度不变时,随着频率的下降谱质心有所下降；当分音频率不变时,谱质心靠近幅度最大的分音对应的频率值．谱质心带宽是能量分布概率的方差,反映信号能量集中的频率成分所占的带宽,谱质心带宽受声音信号的频率和幅度共同影响：当分音的幅度不变时,随着分音频率下降谱质心带宽相应有所下降；当分音的频率不变、幅度发生变化时,谱质心带宽要小于幅度变化前的谱质心带宽．谱质心斜度的值为零时,其能量概率密度函数是对称分布的．谱质心峰度反映信号能量分布偏离对称分布的歪斜程度,越接近对称分布,其值越接近零．3 仿真验证舰船辐射噪声时变功率谱的简化模型如下[10]:G(t,w)=[1+m(t)]Gx(w)+Gl(w)(10)式中,m(t)为具有随机幅度、相同形状、相同重复周期的脉冲性随机过程,单个脉冲的形状取为高斯型,uξ(t)=(ξ/)e-t2/(2σ2)，ξ服从的均匀分布．Gx(w)是时域连续谱,仿真模型为其中SL=112+50log(v/10)+15log(DT),航速v为10kn,吨位DT为10kt．Gl(w)是线谱,线谱时域信号仿真模型为其中，Ak高出连续谱10～25dB；fk=mns,m为谐波次数,n为叶片数,s为转速(r/s)．上述舰船辐射噪声的时变功率谱的采样频率为22.5kHz,n为4.由于人耳对声音响度的分辨率为0.01s,每一帧取为0.01s,观测1s内的归一化功率.根据上述的Moore响度计算方法计算Moore响度,并观测1s内的归一化Moore响度变化,4种模式的归一化功率和响度见图2.对海上实际数据进行仿真,采样频率为22.5kHz,每一帧取为0.01s,经过大量的数据统计,发现0.6s内3类目标A,B,C的Moore响度变化如图3所示．由图2可看出响度主要由功率谱密度的幅度决定,即主要受m(t)的影响,因此舰船辐射噪声的响度随着时间的变化而出现缓慢变化的周期效应.将舰船辐射噪声按照0.01s进行分帧,并对分帧的Moore响度值进行平均,最后将Moore响度均值作为响度特征．图2 均匀模式和非均匀模式的归一化功率和响度变化图图3 3类目标分帧Moore响度变化曲线针对海上实际数据,截取1s内的数据作为样本信号,分别得到3类目标基于六分段频带的谱质心、谱质心带宽、谱质心斜度和谱质心峰度的分布图,如图4所示．从图中可看出,六分段的谱质心、谱质心带宽、谱质心斜度和谱质心峰度有一定的区分度．将Moore响度的均值作为一维特征,顺序排列六分段频带的谱质心、谱质心带宽、谱质心斜度和谱质心峰度值,一共组成25维特征．依据一定的样本,统计3类目标A,B,C的25维特征,并计算特征的均值和方差,如图5所示．从图中可看出,3类目标的均值差异大,方差较小,特征集中度较好,证明组合的25维特征是较为稳健的．图4 3类目标的六分段谱质心、谱质心带宽、谱质心斜度和谱质心峰度分布图图5 3类目标25维特征的均值和方差分布图提取3类目标的响度和音色一共25维特征作为目标分类的识别特征,对130个样本进行试验,验证特征提取方法的有效性．分类器采用BP神经网络分类器,结构层数为3层,隐含层的层数为10,采用批处理方法,试验结果如表1所示．从表1可看出,将Moore响度和音色一共25维特征作为识别特征,其目标识别率较高,表明提取目标的响度和音色特征矢量作为识别特征对目标进行分类是有效的．表1 3类目标的识别率目标类型训练样本数目识别率A640 86B480 91C180 824 结语声纳员听音判型是一种有效的目标识别方法,建立相应的数学模型是研究难点．本文基于舰船辐射噪声的仿真模型研究Moore响度的变化规律,将Mooer响度均值作为一维特征,并在谱质心数学定义的基础上推导谱质心带宽、谱质心斜度和谱质心峰度的公式．由于一维的谱质心很难区分目标,因此提出基于分段频带的谱质心、谱质心带宽、谱质心斜度和谱质心峰度的音色特征模型．分析基于Moore响度和音色特征模型相结合的特征的均值和方差,得出这25维特征具有一定的稳健性,进一步将其应用于目标识别中,实验结果表明这一特征提取方法是有效的．实际中,鉴于目标声学特性的复杂多变性,本方法的稳健性还有待进一步研究．参考文献 (References)[1]刘载芳, 王大训, 张友奎. 声纳听音判型 [M]. 北京: 海军出版社,1999.[2]Park T H. 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印度轻型攻击直升机即将首飞
图9涵道尾桨气动噪声理论与试验结果对比6结论本文建立了涵道尾桨气动噪声的频域预估分析方法。
采用面元)涡流理论计算涵道尾桨的气动载荷,采用Farassat1a公式计算尾桨的自由声场噪声,涵道的声学散射效应通过频域的边界元法进行计算。
利用已有的试验数据和算例结果,对涵道尾桨的气动载荷计算方法、尾桨的自由场声学计算方法以及涵道的声学散射效应计算方法进行了分别的验证,结果表明该方法能够有效的预估涵道尾桨的气动噪声。
利用该方法可对涵道尾桨的噪声辐射特性进行研究。
参考文献:[1]M ye rs M K,Lan JH.Sound R ad i a tio n fro m Ducted Rota-ti ng Sources i n Un if or m M otio n[R].AI AA paper No.93-4429,1993[2]Dunn M H,T weed J,F arassa t F.The App licati on of aBoundary Integral Equa ti on M e t hod to the P red i c ti on ofDucted F an Engi ne Noise[J].Journal of Sound and V-ibratio n,1999,227(5):1019-1048[3]Fa rassat F,Succi G.P.The Predicti on of H elicopter R otorDiscrete F requency Noi se[J].Vertica,1983,7(4):309-320[4]Ih K D,Lee D J.Develo pment of the D irec t Boundary E le-m ent M et hod for Th i n Bo d i es w it h Genera lBoundary Con-d iti ons[J].Jo urna l of So und and V i brati on,1997,202(3):361-373[5]K enne t h S.Brentner.P red i ctio n of H e lico p ter R otor D i s-crete F requency Noise[R].NASA T M87721,1986印度轻型攻击直升机即将首飞印度斯坦航空公司(HAL)发言人2010年2月中旬在新德里防务展览会上称,在2月4日LCH首次地面开车后,期盼已久的首飞有望于3月底进行。
螺旋桨船舶振动辐射噪声分析
d p b (r ,,) j0 S 2 (x r )(x )e j( t k r)s inc o sd x 10
于是梁单位的实际纵向位移可以表示为于是梁单位的实际纵向位移可以表示为uxuxex编辑课件编辑课件66应用结构有限元理论分别将船体梁垂向应用结构有限元理论分别将船体梁垂向弯曲和纵向耦合振动水平弯曲和扭转耦合弯曲和纵向耦合振动水平弯曲和扭转耦合的振动的单元位移向量记为的振动的单元位移向量记为并将梁单位元内部的横向位移和转角位移并将梁单位元内部的横向位移和转角位移表达成梁单元节点的二次多项式关系将纵表达成梁单元节点的二次多项式关系将纵向位移表示成节点位移的线性关系从而可向位移表示成节点位移的线性关系从而可以得到任意节点位移下的梁单元应变势能和以得到任意节点位移下的梁单元应变势能和动能进而得到梁单元的刚度和质量矩阵
于是梁单位的实际纵向位移可以表示为
uc(x)u(x)e(x)
梁单位的实际横向位移可以表示为
c(x)(x)e(x)
5
应用结构有限元理论，分别将船体梁垂向 弯曲和纵向耦合振动、水平弯曲和扭转耦合
的振动的单元位移向量记为
{ u e } { u 1 ,1 ,1 ,u 2 ,2 ,2 } ,{ u e } { 1 ,1 ,1 ,2 ,2 ,2 }
17
振设计的第二个着眼点便是降低轴系子系 统或是船体固有频率处的共振峰值，其有 效途径之一便是采用动力吸振器或是位置 自适应的主推力轴承，位置自适应的主推 力轴承方案仍是建立在降低主推力轴承纵 向刚度的基础上，但通过调节主推进力轴 承在静载荷作用下的平衡位置以提供更低 的纵向动刚度。这些复杂的控制措施都还 需要进一步深入研究。
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空气 动 力学 开 发 了一 种 涵道 尾 桨 在 吸入 涡作 用 下 产生 噪声 的计算 方法 ， 且通 过模 型试 验研 究 了涵 并
基 金 项 目 ： 技 重 点 试 验 室 基 金 资 助项 目 。 科
收 稿 日期 ： ０ ０ １ － ６ 修 订 日期 ： ０ １０ － ７ ２ １ —１１ ； ２ １ － ４ ０
ｒ
南
仲 唯贵 陈平 剑 林 永 峰
（ ＿ 国 直 升 机 设 计 研 究 所 总体 气 动 室 ， 德 镇 ， ３０ １ １中 景 ３３０ ；
京№
２ 中 国直 升 机 设 计 研究 所 直 升 机 旋 翼 动 力 学 重 点 实 验 室 ， 德 镇 ，３ ０ １ ． 景 ３３０）
道 内壁构 成 ， 如图 １所示 。风 扇 叶片 采用 线性 涡段 表示， 叶片尾迹 采用 涡柱 面表 示 。涵道 内壁离 散 为 若 干面元 ， 面元 中点 布置涡 环 。 在
∽
一 Ｇ（
）
＇ ） ， ）
（） ３
式 中 ： ｘ 为 声 源 的 入射 声 压 ； 为 总 声 压 ； 户（ ） ｐ（ ） Ｃ
Ｚｈ ｎ ｅｇ ｉ，Ｃｈ ｎ Ｐｉｇ ｉｎ ，Ｌｉ ｏ ｇ ｅ ｇ。 ｏ ｇ Ｗ ｉ ｕ ｅ ｎ ｊａ ｎＹ ｎ ｆ ｎ
（ ． ｎ ｒ ｌａ ｄ Ａｅ ｏ ｙ ａ ｃ Ｄｅ ａ ｔ ｎ ，Ｃ ｉ ａ Ｈｅ ｉｏ ｔ ｒＲｅ ｅ ｒ ｈ ａ ｄ Ｄｅ ｅ ｏ ｍｅ ｔＩ ｓ ｉ ｔ ， １ Ｇｅ ｅ ａ ｎ ｒ ｄ ｎ ｍｉ ｐ ｒ ｍｅ ｔ ｈ ｎ ｌ ｐ ｅ ｓ ａ ｃ ｎ ｖ ｌ ｐ ｎ ｎ ｔｔ ｅ ｃ ｕ
ｔ ｏ ｈ ｃ ｍｐａ ｉ ｈｅ ｃ ｌ ｕ ａ ｉ ｎ ｒ ｓ ｌｓ ａ ｘ ｒｍ ｅ ｔ ｌｒ ｓ ｌｓ ｈｒ ｕｇ ｏ ｒｎｇ ｔ ａ ｃ ｌ ｔｏ ｅ ｕ ｔ ｎｄ ｅ ｐｅ ｉ ｎ ａ ｅ ｕ ｔ ． Ｋｅ ｒ ｓ：ｄｕ ｔ ｄ ｒ ｏｒ ｙ ｗｏ ｄ ｃ ｅ ｏｔ ；ｎｏ ｓ ｉｅ；ｂｏ ｄａ ｙ ｅ ｅ ｎｔｍｅ ｈｏ ｕｎ ｒ ｌ ｍｅ ｔ ｄ
证。
＋
１ 理 论 分 析 方 法
１ １ 涵道 尾桨 的气 动特性 计 算 ．
丽Ｐｒ ｒ＋，［ ｎ１］Ｓｆ。 ． ｅ ： ｌ Ｐ ｄ ＋ ｒ一 ） ］ 。 ， （ 。 ｊ 一 ｒ ｅ ｌ ～ ｄ
式 中 ： 和 户 户 分 别表 示厚 度 噪声 和 载 荷 噪声 的声 压 ； 和 Ｃ 分 别 为空 气 密 度 和声 速 ； 控 制点 到 。 ｒ为 观 测 点 的距 离 ； Ｍａ为 当 前 马赫 数 ； 表 示 法 向 Ｍａ 马赫 数 ； ， 示 ｒ方 向马 赫 数 ； 为 气 动 部分 计 Ｍａ 表 Ｐ 算 的载荷值 ； ） （ 表示 对 时间 的导数 。 １ ３ 涵 道的 声学效 应计 算 ． 涵道 的声 学效 应通 过边界 元法 进行 计算 ， 控 其 制 方 程 为 频 域 的 Ｈｅｍｈ ｈ ｌ ｏ ｚ方 程 ， 分 形 式 的 积
ｄｏ ａｎ ｍ ｅ ｈｏ ｏ ｒ ｄｉｔｎｇ ｔ ｅ ｅ ｏｔ ｏ ｓ ｓ ｐｒ ｓ ｎ ｅ ｍ ｉ ｔ ｄ ｆ ｒ ｐ ｅ ｃ ｉ ｈｅ ｄｕ ｔ ｄ ｒ ｏｒ ｎ ｉ ｅ ｉ ｅ ｅ ｔ ｄ．Ｔｈ ｅ ｏｄ ａ ｃ ｌ ｄｓ ｏ ｈｅ ｄｕ ｔ ｄ ｅ ａ ｒ ｙｎ ｍｉ ｏａ ｆ ｔ ｃ ｅ ｒ ｏ ｒ ａ ｃ ｌ ｔ ｄ ｂｙ ｕ ｉ ｈ ａ ｌｖｏ ｔ ｘ ｔ ｅ ｒ ． Ａｃ ｕｓ ｉ ｒ ｅ ｆｅ ｄ ｄｕ ｏ ｔ ｅ ｒ ｔ ｒ ｉ ｂｔ ｉ ｄ ｂｙ ｏｔ ｒ ａ ｅ ｃ ｌ ｕ ａ ｅ ｓｎｇ ｔ ｅ ｐ ｎｅ — ｒ ｅ ｈ ｏ ｙ ｏ ｔｃ ｆ ｅ ｉｌ ｅ ｔ ｈ ｏ ｏ ｓ ｏ ａｎｅ Ｆａ ａ ｓ ｔ Ａ ｑｕａ ｉ ｎ． Ｔｈｅ ｄｕｃ ｏｕ ｃ ｔｅ ｉ ｆｅ ｔ ｉ ａ ｃ ｌ ｔ ｄ ｂｙ ｔ ｅ ｂ ｎｄ ｒ ｌ ｍｅ ｔ ｏｄ ｒ ｓ ａ １ ｅ ｔｏ ｔ ｓ ｎｄ ｓ ａ ｔ ｒｎｇ ｅ ｆ ｃ ｓ ｃ ｌ ｕ ａ ｅ ｈ ｏｕ ａ ｙ ｅ ｅ ｎｔｍｅ ｈ ．
桨 叶片分 布进行 了设 计 ， 到 了降低涵 道尾 桨噪 声 达
的 目的 。 目前 常 用 的涵 道 尾桨 噪声 分 析方 法 包 括
Ｃ Ｄ， 限元 法 以及边 界 元法 ＿ ］ 边界元 法 具有计 Ｆ 有 ３。 算 速度 快 的优点 ， 广泛 应用 于结 构体 的声 散射计 被 算 中 ， Ｃ ｏ Ｈ 如 ｈ ｉ Ｌ等人 利用 Ｋｉ ｈ ｏｆ ｒ ｈ ｆ 法结 合 边 界 ｃ 元 法研 究 了涵道 对 风扇噪 声辐 射 的影 响Ｌ 。 ５ ］
第 ４ 第 ３期 ３卷
２ １ 年 ６月 ０１
空
航
天
大
学 学
报
Ｖｏ１ ４３ Ｎｏ．３ ．
Ｕ ｎｉ ｅ ｓ ｔ ｆＡ ｅ ｏ ｕ ｉｓ ＆ Ａｓｒ ｎ ｕ ｉｓ ｖ ｒ ｉｙ ｏ ｒ ｎａ ｔｃ ｔｏ ａ ｔ ｃ
Ｊ ｎ ２ １ ｕ． ０ １
涵 道尾 桨 噪声 辐射 特 性 研 究
涵道 尾 桨 与 常规 尾 桨相 比 ， 有 尺 寸 小 、 具 维修 方便 、 用安 全 、 使 总体效 率较 高 、 噪声 水平 较低 等技
术 优势 和特点 ， 因此涵 道尾 桨在 多种 直升 机 的型号 中被 采 用 ， 如法 国 Ｅ Ｃ系列 、 国的科 曼 奇 、 罗斯 美 俄 的卡 一Ｏ等 。 ６
为 场地 位置 系数 ， 于结构 体表 面 和 自由场分 别取 对
图 １ 涵 道 尾 桨 气 动 特 性 计 算 模 型
１ ２和 １ ，表 示结 构 表面 单 位法 向矢量 ， 向声 辐 ／ ； ｌ 指 射 空 间 ； ｘ ） Ｇ（ ， 为亥 姆霍 兹方 程 的基本 解 。 于三 对 维 问题 ， 姆霍 兹方 程 的基 本解 可 以表示 为 亥
Ｂａ ｅ ｏ ｈ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｅ ｕ ｔ ，ｔ ｅ ｄ ｃ ｅ ｏ ｏ ｏ ｓ ｓ ａ ａ ｙ ｅ ．Ｔｈ ｎ ｌ ｔ ａ ｔ ｏ ｓ ｖ ｌ ａ ｅ ｓ ｎ ｔ ｅ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｌ ｓ ｌｓ ｈ ｕ ｔ ｄ ｒ ｔ ｒ ｎ ｉ ｅ ｉ ｎ ｌ ｚ ｄ ｒ ｅａ ａｙ ｉ ｌ ｃ ｍｅ ｈ ｄ ｉ ａ ｉ ｔ ｄ ｄ
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动 噪声 的频 域预估 方法 。在 试验 研究 方面 ， 对涵 道
尾 桨 噪声辐 射特性 试验 结果 进行 了分 析 ， 且通 过 并 与试 验结 果 对 比对本 文建 立 的 分析 方 法 进行 了验
道 的反 射效应 ， 究表 明涵 道尾 桨噪 声谱 以桨 叶通 研
过频 率 为主 ， 且 涵道对 噪声 辐 射具 有较强 的屏 蔽 并
作用 。Ｒ ｌｙ等 人研 究 了非均 匀分 布风 扇对 涵道 尾 ｉ ｅ 桨 噪声 的影 响［ ， 过傅 里 叶级 数法 对非 均 匀分 布 ２通 ３ 风扇 的 噪声进行 了研究 ， 并通 过谐 波调 制对 涵道 尾
Ｇ（ ） ｘ， （） ４
通过风 扇 叶片 、 迹 和涵道 内壁之 间的诱 导速 尾 度影 响关 系 ， 立关 于控制 点环 量 的非线 性方 程 建
Ａ ・ｒ — Ｂ （） １
式 中： Ａ为影 响系 数矩 阵 ； 为风 扇 叶片 、 道 和尾 ／ － 涵 迹控 制点 的环 量 ； Ｂ为控 制点 诱 导速 度 。方程 可通 过 拟牛顿 迭代 法进行 求解 。 风扇 及尾 迹 的诱 导 速度通 过 涡流理 论计 算 ， 具 体计 算方 法见 文献 ［ ３ － 。涵道 对 风扇 叶片和 尾迹 的 ６ 诱 导速 度通过 毕奥一 萨瓦 定理计 算 。 通 过求解 方程 （ ） １ 得到控 制 点处 环量 和诱导 速 度 ， 根 据 涡流 理 论 相 关 公 式 计 算 风 扇 拉 力 和 功 并
通 讯 作 者 ： 唯 贵 ， ， 程 师 ，９ ０年 生 ， — ｉ ｗｅ ｕ—ｈ １ ３ｃｒ。 仲 男 工 １８ Ｅ ｍａ ： ｉ４
南
京
航
空
航
天
大
学
学
报
第 ４ 卷 ３
本 文 对 涵道 尾 桨 噪声 辐 射 特 性进 行 了理 论 和 试验 研究 。 在理 论方 面 ， 合气 动计 算 的面元一 结 涡流 理 论 、 转 气动 噪声 计 算 的 Ｆ ｒｓ ａ １ 公 式 以及 旋 ａａｓｔ Ａ 声 学 辐射计 算 的频域 边 界 元法 建 立 了涵道 尾 桨气
Ｊｎ ｄ ｚ ｅ ｉｇ ｅ ｈ ｎ，３ ３ ０ ３ ０ １，Ｃｈｎ ｉａ；２ Ｓ ｉｎ ｅａ ｄＴｅ ｈ ｌｇ ｎ Ｒｏ ｏ ｃａ ｔＡｅ ｏ ｃ ａ ｉ ｂ ｒ ｔ ｒ ． ｃｅ ｃ ｎ ｃ ｎｏｏ ｙ ｏ ｔ ｒｒ ｆ ｒ ｍｅ ｈ ｎｓＬａ ｏ ａｏ ｙ， Ｃｈｎ ｌ ｏ ｔｒＲｅ ｅ ｒｈ ａ ｄ Ｄｅ ｅｏ ｍｅ ｔＩ ｓｉｕ ｅ ｉｇ ｅ ｈ ｎ，３ ３ ０ ，Ｃｈｎ ） ｉａＨｅｉ ｐ ｅ ｓ ａｃ ｎ ｖ ｌｐ ｎ ｎ ｔｔ ｔ ，Ｊｎ ｄ ｚ ｅ ｃ ３０１ ｉａ
涵 道 尾桨 的噪 声特 性 是 涵 道尾 桨 研 究 的 一个 重要 方面 。 近 ２ 在 Ｏ年 中 ， 多 的研 究人 员开 展 了这 许 方 面的研 究工 作 。 ｇ ｒ Ｒｏ ｅ 和Ｆ ｕ ｎｅ 对 涵道 尾 桨噪 ｏ ｒｉ ｒ
声特 性进行 了理论 和试 验研 究［ ， 们利 用 非定 常 １他 ］
航 过 摘 要 ： 噌理 论 和 试 验 对 涵 道 尾 桨噪 声辐 射 特 性进 行 了研 究 。 立 了涵 道 尾 桨 气动 噪 声 的 频 域 分析 方 法 ， 用 面 通 建 采
元 一 流 理 论 计 算 涵 道 尾 桨 的 气 动 载 荷 ， 用 Ｆ ｒｓａ Ｉ 公 式 计 算 尾 桨 的 自由 声 场 噪 声 ， 道 的 声 学 散 射 效 应 涡 采 ａａｓｔ Ａ 涵 通 过 频 域 的 边 界 元 法进 行 计 算 。通 过 对 试验 结 果 的 分 析 研 究 了涵 道 尾 桨噪 声 的 辐射 特 性 ， 且 利 用 试 验 结 果 对 并