螺旋桨空化与应对措施

2018/4

机电设备 36

cademic Research

技术交流

A

螺旋桨空化与应对措施

江 晨，张 帅

（中国人民解放军91388部队，广东湛江 524022）

摘 要：螺旋桨空化噪声是螺旋桨的主要噪声源之一，是辐射噪声高频部分的主要成分，抑制螺旋桨空化噪声能有效提高舰船的隐蔽性。文章针对螺旋桨空化噪声的产生机理、频谱特征以及临界转速测量等方面进行了概括和总结，并提出了应对措施。

关键词：螺旋桨；空化；噪声

中图分类号：U664.33 文献标志码：A DOI ：10.16443/ki.31-1420.2018.04.007

Cavitation of Propeller and Countermeasures

JIANG Chen ，ZHANG Shuai

(No.91388 Unit of PLA, Zhanjiang 524022, Guangdong, China)

Abstract: Cavitation noise of propeller is one of the main noise sources of propeller, and it is the main

component of the high frequency part of radiated noise. Suppressing the cavitation noise of propeller can effectively improve ship's concealment. The mechanism of cavitation noise of propeller, the type of cavitation, the characteristic of spectrum and the measurement of critical speed are summarized, and the corresponding countermeasures are provided. Key words: propeller; cavitation; noise

0 引言

舰船噪声通常由机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声组成。螺旋桨一旦发生空化，就将成为中高频段主要噪声源[1]。空化噪声有明显的特征，极易被声呐探测到，严重影响舰船的隐蔽性。在舰船噪声测量中，特定深度下的空化临界转速是一项重要的测量内容。多年来，国内外专家虽对螺旋桨空化进行了大量研究，但是公开发表的舰船螺旋桨噪声的实测数据和相关文献较少。

1 螺旋桨空化

1.1 空化的产生

螺旋桨在水中转动时，叶梢和叶表面上会产生低

压或负压区，当压力降低到水的饱和蒸气压以下时，水急速汽化，稍后这些汽化产生的气泡破裂，并发出尖锐的脉冲噪声，这就是螺旋桨的空化。

螺旋桨叶梢处的线速度最大，首先达到临界压力，最容易发生空化，其空化强度由空化指数给定，空化指数定义为

0v

T 2T 12

p p K V ρ−=

（1）

式中：p 0为螺旋桨上的静压力；p v 为水的汽化压力；ρ为水的密度；V T 为螺旋桨叶尖的速度。当K T 在0.2~0.6之间时，叶梢开始空化；K T 小于0.2时，必然产生空化；K T 大于0.6时，一般不会空化。

作者简介：江晨（1988—），男，硕士。研究方向：振动与噪声。

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空泡产生和破裂时，都会发出尖锐的声脉冲，因此，空化噪声在时域上的表现是强烈的脉冲。通过统计单位时间内脉冲数量与幅值的变化，可以判别是否发生空化，当然这种判别依据只能通过对比空化前后的时域信号而定，不能一概而论。

1.2 螺旋桨噪声的频谱特征

螺旋桨噪声的频谱包括高频连续谱和低频线谱，在高航速时，很多低频线谱被螺旋桨空化的连续谱掩盖。

1）连续谱

连续谱由大量空泡破裂发出的随机脉冲叠加形成。连续谱在100 Hz~1 000 Hz内有一个峰值，低于此峰值，谱级以6 dB/倍频程增加；高于此峰值，谱级以6 dB/倍频程下降。多项试验结果表明：在空化开始时，谱级曲线在几千赫兹以上的中高频段会突然升高，随着空化的发展，谱级升高的频段逐渐扩展。

2）线谱

螺旋桨噪声的线谱主要是螺旋桨叶片切割水流引起的噪声，其频率为

f m=mns（2）式中：f m为叶片线谱第m次谐波；m为谐波次数；n为螺旋桨叶片数；s为螺旋桨转速，r/s。一般来说，螺旋桨产生的线谱为几十赫兹以下的低频以及整数倍的谐频。

3）总声级

空化噪声的总声级-螺旋桨转速曲线呈S形，如图1所示。当螺旋桨转速高于临界转速时，总声级陡增20 dB ~ 50 dB，螺旋桨转速再增大，则总声级增加变缓[2]。

L (dB)

文献[3]通过分析实艇螺旋桨噪声测试结果，进一步验证了总声级与螺旋桨转速的关系符合S形曲线特性，并且连续谱符合峰值前后增加/衰减规律。

4）调制特性

目前对空泡的理论模型研究尚不成熟，近年来多从统计学的角度研究空泡。首先根据经典力学理论求解单个空泡的运动方程，假定空泡半径服从一定概率分布，进而推导空化噪声谱。

舰船的尾流具有周向不均匀性，空泡的数量和尺寸都随时间变化。单位时间内空泡数量随时间变化，导致整个噪声谱均匀的上下移动，造成频域上的均匀调制；空泡的半径随时间变化，造成频域上的不均匀调制[4]。

5）唱音

除此之外，螺旋桨噪声中还有可能出现一条或一组高频线谱，这就是螺旋桨的唱音。当螺旋桨叶片产生的旋涡频率与桨叶的固有频率接近时，会发生共振现象，可以在100 Hz~1 000 Hz内发出很强的噪声，且其频率不随航速的提高而改变。

1.3 螺旋桨临界转速的测量

螺旋桨的临界转速通常通过安装在螺旋桨部位的自噪声水听器测量，测量上限频率在40 kHz以上。

测量前要了解舰船的排水量、长度、宽度、螺旋桨数、螺旋桨形状、桨叶数和螺旋桨转速等信息，便于后续分析。舰船自噪声与航行工况密切相关，所以必须在工况稳定后再开始测量。从低转速开始，舰船以要求的工况和转速匀速直线航行，测量设备记录自噪声信号，记录时间一般不少于1 min。然后以5 r/min~10 r/min为一档提高螺旋桨转速，待转速稳定后，测量自噪声，直至螺旋桨转速达到被测舰船的最高转速。当螺旋桨转速增加到某一值时，高频段的噪声级突然升高，说明螺旋桨开始空化，这个转速就是螺旋桨的临界转速。

2 应对措施

螺旋桨空化噪声是影响舰船声隐声水平的一个主要因素，为了解决这个问题，需要从以下几个方面加强研究。

2.1 优化螺旋桨参数

通过优化螺旋桨参数可以有效推迟空化的发生。多项计算结果表明：七叶桨较五叶桨具有负载小、空化初生延迟、空化低频线谱噪声低的特征[5]。七叶大侧