水下航行器(UUV)噪声分析及降噪方法探讨

水下航行器（UUV）噪声分析及降噪方法探讨

摘要：介绍了水下航行器（UUV）的各种噪声来源。指出了UUV降噪的重要性。对水下航

行器的主要噪声进行了分析，提出了几种可行的降噪方法。

关键词：水下航行器；噪声分析；降噪方法

0 引言

水下航行器（UUV）是一个多噪声源的装置，如：螺旋桨噪声、动力装置噪声、壳体结构噪声、流噪声、排气噪声等。UUV 需降低噪音，以便UUV 的传感器可以更加高效地工作，并且可以增加UUV 的隐蔽性。由此可知无人水下航行器的隐蔽性对其作战效能是至关重要的。而

提高无人水下航行器的隐蔽性的关键是降低噪声。

无人水下航行器在水下航行时的主要噪声源总的说来有3类：流噪声，机械噪声和推进噪声。流噪声有如湍流产生的噪声和空化噪声等。机械噪声有振动噪声与摩擦噪声等。推进噪声如

螺旋桨的桨叶振动噪声等。

按照噪声对无人水下航行器的性能的影响，可以分为辐射噪声和自噪声。机械噪声和流体与

机械相互作用的噪声，是无人水下航行器辐射噪声的主要部分。

而无人水下航行器头部空泡噪声，湍流边界层流动噪声，属于自噪声，是影响水下无人运载

器自导系统工作性能的主要噪声源。辐射噪声影响水下无人运载器的隐蔽性，自噪声影响无

人水下航行器的声呐探测距离和精度，影响水声通讯距离。因此研究无人水下航行器的减振

降噪技术十分必要。目前在研的降低UUV噪音的方法有，采用机械隔离装置、吸声外壳涂层、低噪音推进电机和螺旋桨。为提高本无人水下航行器的隐身作业能力，本文将重点探讨无人

水下航行器的几种噪声，及其相应的降噪方法。

1 航行器的主要噪声

1.1 机械噪声

水下航行器推进系统主要包括：主推进电机、艉轴组件、联轴器、尾轴轴承、螺旋桨等，见

下图。水下航行器推进系统的辐射噪声主要包括：动力设备的机械噪声和螺旋桨噪声。机械

噪声主要是由动力装置的旋转部件，因制造加工偏差引起机械结构振动造成的，主要包括：

主推进电机运转不平衡力和艉轴轴系零件链接耦合的不平衡、对中误差等因素。机械结构的

振动，通过特定支撑结构传到载体与水交界的板壳结构，板壳表面振动产生声辐射形成水下

辐射噪声。

图1 UUV动力装置主要结构简图

动力机械装置的振动辐射噪声强度，决定于振动源强度，还决定于振动从源点传到壳体的振

动传递分布函数及结构的声辐射效率。水下航行器推进装置结构相对简单，机械振动噪声主

要包括：主推电机电磁噪声和滚动轴承噪声。主推电机存在两种不同性质的磁力脉动，其电

磁噪声主要包括：低频振动噪声和高频转子槽噪声。低频振动噪声是由于定子和转子之间径

向吸力脉动而产生的，其频率为电源频率的两倍。转子槽噪声是由于转子槽相对于定子电极

位置变化时磁通量

稍有改变而引起的，其基频是转子槽数乘以实际的旋转频率。

滚动轴承是推进系统轴系与航行体壳体连接支撑的重要部件。滚动轴承振动噪声，除了表

征为轴承滚动体的通过特性外，当轴承润滑不良、载荷过大、轴承内落入异物、锈蚀等时，

将会引起轴承工作面的剥落、裂纹、压痕、腐蚀、胶合等局部损伤或缺陷，造成轴承转动异常，使轴承振动噪声呈现为一种振动故障。

当轴承的轴频调制振动与航行体结构振动响应相匹配，轴承振动噪声将显著增加，加剧系统

的振动。其特征振动频率由轴承的转速、轴承滚动表面损伤的形态决定。

1.2 螺旋桨噪声

螺旋桨噪声分为空化和非空化两种不同状态的噪声，其中非空化噪声主要包括边缘噪声、旋

转噪声、涡流噪声等。螺旋桨在航行体尾部和鳍舵伴流场中旋转时，螺旋桨的叶面受到流体

非定常压力作用。根据作用与反作用原理，螺旋桨面将作用于介质相等的反向力。这样桨叶

运转形成击水发声的力源，在水下向外辐射形成旋转噪声。由于其旋转具有周期性，所以其

辐射噪声具有明显的线谱特征，其基频为螺旋桨转频与螺旋桨叶数之积，还有其倍频线谱。

边缘噪声由来流的不均匀性及桨叶振动而产生。当桨叶形状不好或叶片边缘做得不很光顺，

易产生卡门涡。这些涡经过一定时间分离，其频率为定值。螺旋桨桨叶为多自由度的弹性体，有一系列固有频率，如漩涡分离频率与桨叶的固有频率之一吻合，则产生激励（共振），即

产生了“唱音”。其特征为：不仅有强烈的声辐射，而且发声频率为单频声。螺旋桨唱音是由

一族强线谱构成的窄带鸣音，受轴频调制。其中一条谱线的频率与产生唱音的桨叶振动频率

相同，该谱线两边等间隔地分布着其它谱线，这些谱线的频率间隔是螺旋桨轴频。

2 UUV降噪方法

2.1 有限元振动模态分析法

水下航行器推进系统对壳体的激励振动，是航行体壳体机械振动噪声的主要部分。对动力装

置结构进行动力学分析，摸清整个壳体振动特性，进而开展声学结构设计优化，是系统减振

降噪的重要方法。

首先，利用有限元分析软件进行振动模态分析仿真。建立动力装置的三维结构模型。利用快

速有限元技术（FFE）完成结构振动模态特性的分析，得出壳体厚度、材料、结构刚度等与模态频率之间的关系，以及肋骨的形状尺寸对壳体动力学特性的影响；其次，利用脉冲振动测

试实验法，多次修正模型的边界条件和约束，得到了与产品样机模态特性一致的有限元模型，利用此有限元模型，摸清动力装置的主要振动模态和模态频率；并在此基础上开展多项结构

的优化设计及其仿真分析。例如对动力装置的鳍板结构进行优化，增加鳍板的结构刚度，提

高鳍板振动的崮有频率。下图是垂直鳍板结构刚性增强前后的一阶振动模态频率变化对照图；最后，通过水下航行器的实航噪声测试试验可以证明，根据有限元仿真分析，可以有效避开

动力装置的机械振动共振频率，减小系统的辐射噪声。

图２垂直鳍板一阶振动模态频率变化对照图

2.2 噪声信号诊断及定位法

水下航行器的辐射噪声成分构成复杂，其与推进系统的机械振动、螺旋桨噪声、航行体结构

特性等有关。

1）进行航行器辐射噪声源的故障特征提取和分析：利用有限元模态模型仿真分析，通过系

统实航噪声测试试验、动力装置的台架振动试验、水池（水槽）噪声测试试验等方法，收集

噪声测试试验数据。

2）对航行器辐射噪声及振动噪声频谱进行对比分析，对辐射噪声信号进行故障特征的识别

定位。利用分析和掌握的螺旋桨和动力装置的故障噪声特征。通过常用的功率谱分析技术，

主要包括1／30ct谱分析、线谱分析、细化谱分析等，进行噪声源的故障定位和识别。